劉汝寬，解士聰，肖志紅，李昌珠，黃志輝，葉紅齊

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 生物能源研究所，長沙410004； 2.中南大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，長沙410083；3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083)

應(yīng)用實(shí)踐

雙螺旋榨油機(jī)榨籠預(yù)熱過程中溫度分布及有限元仿真

劉汝寬1,2，解士聰3，肖志紅1，李昌珠1，黃志輝3，葉紅齊2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 生物能源研究所，長沙410004； 2.中南大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，長沙410083；3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083)

采用螺旋壓榨法制油時，可以通過對其榨籠輔助加熱實(shí)現(xiàn)對油料的預(yù)熱。對于輔助加熱方式，采用仿真法通過榨籠表面的溫度求解來反向預(yù)測榨籠內(nèi)表面溫度，進(jìn)而為榨膛內(nèi)油料的預(yù)熱溫度提供參考。對比榨籠外表面測定位置的仿真溫度和實(shí)測溫度，誤差范圍在-3.5%～5.5%之間，表明仿真法可應(yīng)用于輔助加熱過程預(yù)測。應(yīng)用此法，對應(yīng)主壓榨段榨籠內(nèi)表面的溫度范圍為55.4～87.3℃，能滿足油料螺旋壓榨的預(yù)熱處理。

螺旋榨油機(jī)；榨籠溫度；仿真法

油料制油技術(shù)一般包括物理壓榨法和化學(xué)浸出法，對于特種油料多采用前者，其核心設(shè)備是榨油機(jī)，包括單軸液壓壓榨、單螺旋壓榨、雙螺旋壓榨、多螺旋壓榨等多種型號規(guī)格[1-4]。螺旋榨油機(jī)廣泛應(yīng)用于從植物油料中提取油脂，影響螺旋榨油機(jī)性能的因素有很多[5]，其中溫度是對出油率及出油質(zhì)量影響最大的因素之一[6-8]。油料螺旋壓榨時，主要通過榨籠內(nèi)部油料粒子之間、油料與螺桿及油料與榨籠之間的摩擦生熱來維持所需的溫度。但這種平衡模式是比較難保持的，尤其是在剛啟動機(jī)器時溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到最佳壓榨條件所要求的溫度，往往需要多次預(yù)榨枯餅來逐步提高榨膛內(nèi)溫度，以便為壓榨建立適當(dāng)?shù)某跏紬l件。

筆者在開展蓖麻籽壓榨制油的試驗中發(fā)現(xiàn)，其高油、高蛋白質(zhì)的特性往往使得直接入料壓榨很難實(shí)現(xiàn)[9]，需要借助加熱設(shè)備進(jìn)行出餅頭的加熱，實(shí)現(xiàn)出餅物料成型，同時實(shí)現(xiàn)油脂從孔道中分離出來。因此，為提高雙螺旋榨油機(jī)的壓榨性能，需要設(shè)計合理的加熱方案，對榨籠外表面進(jìn)行預(yù)加熱，通過熱傳導(dǎo)方式使榨籠內(nèi)表面溫度達(dá)到最佳壓榨溫度范圍[10-13]，建立合理的壓榨初始條件。本文旨在對加熱參數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)和驗證，并在此基礎(chǔ)上提出滿足雙螺旋榨油機(jī)榨籠加熱性能要求的輔助加熱方式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

YXYX-12X2型雙螺旋榨油機(jī)：武漢新概念；自動加熱系統(tǒng)，主要由1條硅橡膠溫度加熱帶(耐熱溫度為200℃)、1個數(shù)顯智能溫控儀(0～400℃)和1個測溫探頭(精度為0.15℃)組成，自制；DHS-120型紅外測溫儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 榨籠加熱方案

將6條加熱帶分別粘貼到雙螺旋榨油機(jī)榨籠主壓榨段外表面的縱向筋板上，用測溫探頭檢測加熱帶的加熱溫度，并通過溫控儀進(jìn)行溫度控制。當(dāng)測量溫度低于溫控儀設(shè)置的下限溫度時，繼電器吸合，加熱帶進(jìn)行加熱，當(dāng)測量溫度高于溫控儀設(shè)置的上限溫度時，繼電器斷開，加熱帶停止加熱，從而使測溫點(diǎn)的溫度保持在加熱帶設(shè)置的上下限溫度范圍內(nèi)。為了減少熱輻射，獲得較好的加熱效果，利用保溫棉包裹加熱帶。

由油料路徑方向的主壓榨段依次設(shè)置合理的輔助加熱溫度，6條加熱帶的設(shè)置溫度分別為：81、86、91、96、101、107℃，溫度偏差為±1℃，平衡4 h達(dá)到穩(wěn)態(tài)[14]。

1.2.2 榨籠有限元模型及測定溫度

榨籠結(jié)構(gòu)利用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將有限元模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行計算，有限元模型采用10節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格劃分，共生成101158個單元，185 932個節(jié)點(diǎn)。在榨籠外表面選取并指定其溫度，對應(yīng)于榨油機(jī)運(yùn)行時測量得到的榨籠外表面溫度(由紅外測溫儀測量)。

2 結(jié)果與分析

2.1 榨籠外表面測點(diǎn)仿真溫度與實(shí)測溫度對比

采用仿真分析，提取榨籠外表面測點(diǎn)仿真溫度與實(shí)測溫度進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

由表1可知，對比榨籠外表面測點(diǎn)仿真溫度和實(shí)測溫度，誤差范圍在-3.5%～5.5%之間，仿真與實(shí)測的結(jié)果較為吻合，對于農(nóng)業(yè)榨油機(jī)械來說在可接受的范圍內(nèi)，驗證了仿真模型與仿真分析的正確性。

表1 榨籠外表面測點(diǎn)仿真溫度與實(shí)測溫度對比

2.2 榨籠外表面溫度與內(nèi)表面溫度仿真

仿真驗證時，進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱輻射，通過 ANSYS 瞬態(tài)仿真計算，得到雙螺旋榨油機(jī)榨籠外表面的溫度分布如圖1A所示。從圖1A可以看出，溫度范圍為35.0～91.6℃。

輔助加熱過程再經(jīng)歷約4 h加熱后達(dá)到穩(wěn)態(tài)[14]，此時榨籠內(nèi)表面的溫度分布如圖1B所示。從圖1B可以看出，隨著壓榨油料的輸送，會經(jīng)歷溫度逐漸上升的過程，在接近出料時達(dá)到最大值。

圖1 雙螺旋榨油機(jī)榨籠外、內(nèi)表面溫度仿真

2.3 加熱方案的可行性分析

采用榨籠輔助加熱方案，考察榨籠主壓榨段的內(nèi)表面溫度加熱效果，主要包含兩個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度變化，分別為榨籠內(nèi)表面最高溫度變化和主壓榨段榨籠內(nèi)表面溫度變化。

2.3.1 榨籠內(nèi)表面溫度最高點(diǎn)變化曲線

對于榨籠內(nèi)表面最高溫度變化，只要保證該過程的最高溫度不超過油料壓榨的最適溫度最高值，便能有效評價該過程中的輔助加熱效果，其曲線見圖2。

圖2 榨籠內(nèi)表面溫度最高點(diǎn)變化曲線

從圖2可以看出，穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時最高溫度測點(diǎn)的溫度為87.3℃，未超過最佳壓榨溫度范圍的最大值112℃(以蓖麻籽為例)[14]。

2.3.2 榨籠主壓榨段榨籠表面溫度加熱效果分析

提取輔助加熱過程中榨籠主壓榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)內(nèi)表面測點(diǎn)溫度，見表2。

表2 榨籠主壓榨段內(nèi)表面測點(diǎn)溫度

由表2可知，輔助加熱方案能夠使榨籠主壓榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)內(nèi)表面的溫度范圍達(dá)到55.4～87.3℃，在榨籠內(nèi)表面的最佳壓榨溫度范圍(55～112℃)內(nèi)[14]。同時，由于預(yù)熱過程未進(jìn)料，待榨籠溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時再移除預(yù)熱系統(tǒng)，不影響后續(xù)油料壓榨制油時排油、排渣操作，因此螺旋榨油機(jī)榨籠預(yù)熱方案可行。

3 結(jié) 論

本文對比了榨籠外表面測點(diǎn)仿真溫度和實(shí)測溫度，誤差范圍在-3.5%～5.5%之間，仿真溫度與實(shí)測溫度的結(jié)果較為吻合，對于農(nóng)業(yè)榨油機(jī)械來說在可接受的范圍內(nèi)，驗證了仿真模型與仿真分析的正確性。提供了一種輔助加熱方案能夠使榨籠主壓榨段(423 mm≤x≤1 008 mm)內(nèi)表面的溫度范圍達(dá)到55.4～87.3℃，在榨籠內(nèi)表面的最佳壓榨溫度范圍(55～112℃)內(nèi)；待榨籠溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時再移除加熱系統(tǒng)進(jìn)行油料壓榨制油，不影響后續(xù)油料壓榨制油時排油、排渣操作，因此整個預(yù)熱方案可行。

[1] 李昌珠. 工業(yè)油料植物資源利用新技術(shù)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社, 2014.

[2] 張學(xué)閣, 伍毅, 阮競蘭. 雙螺桿榨油機(jī)螺桿與榨籠結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2012, 30(3): 47-49.

[3] 李昌珠, 肖志紅, 劉汝寬. 光皮樹果實(shí)專用型螺旋冷榨機(jī)的壓榨性能研究[J]. 湖南林業(yè)科技, 2013, 40(2): 6-8.

[4] 許方雷. 蓖麻籽螺旋壓榨機(jī)理研究與螺旋榨油機(jī)雙螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 長沙：中南大學(xué), 2014.

[5] 劉汝寬, 施亮林, 肖志紅, 等. 壓榨時間和壓力對蓖麻籽壓榨性能的影響及其數(shù)學(xué)擬合研究[J]. 中國糧油學(xué)報, 2014, 29(10): 51-55.

[6] 解士聰, 黃志輝, 李昌珠, 等. 1種螺旋榨油機(jī)榨膛內(nèi)表面溫度預(yù)估方法[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, 35(6): 104-107.

[7] 劉汝寬,解士聰,肖志紅,等. 蓖麻籽螺旋壓榨制油過程中榨籠溫度分布及其數(shù)值擬合[J]. 中國糧油學(xué)報, 2016, 31(6): 74-78.

[8] 陸順忠, 曾輝. 蓖麻籽冷榨及蓖麻油精制研究[J]. 廣西林業(yè)科學(xué), 2005, 34(2): 55-62.

[9] 劉汝寬, 楊星星, 肖志紅, 等. 蓖麻籽直筒式冷態(tài)壓榨過程中出油應(yīng)力應(yīng)變試驗[J]. 中國油脂, 2015, 40(7): 83-85.

[10] GARCIA S, GUYNN J, SEOTT E P. Use of genetic algorithms in thermal property estimation: part II—simultaneous estimation of thermal properties[J]. Numer Heat Transf, 1998, 33A:149-168.

[11] 王登科, 劉迎曦, 李守巨. 二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱反問題的正則化解法[J]. 吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 2000, 4(2): 56-60.

[12] 李友榮, 吳雙應(yīng). 傳熱學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[13] 俞昌銘. 計算熱物性參數(shù)的導(dǎo)熱反問題[J]. 工程熱物理學(xué)報, 1982, 13(4): 373-378.

[14] 解士聰. 蓖麻籽螺旋榨油機(jī)榨膛溫度與加熱方法研究[D]. 長沙：中南大學(xué), 2014.

Temperature distribution and finite element simulation of press cage in preheating process of double screw press

LIU Rukuan1,2, XIE Shicong3, XIAO Zhihong1, LI Changzhu1,HUANG Zhihui3, YE Hongqi2

(1.Institute of Bioenergy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University,Changsha 410083,China;3.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University, Changsha 410083, China)

When screw press was used to produce oil, oilseeds was preheated through auxiliary heating of the press cage. For auxiliary heating mode, the simulation method was adopted to backward prediction by temperature of the cage outer surface to solve temperature of cage inner surface, which provides reference for process of preheating. The simulated temperature and measured temperature of the cage outer surface were compared. The error was in the range of -3.5%-5.5%, which indicated that the simulation method could be applied to predict auxiliary heating process. Appling this method, temperatures of the inner cage surface ranged from 55.4℃ to 87.3℃ in the main squeezing part, which satisfied the preheating treatment of oilseeds by screw pressing process.

screw press; press cage temperature; simulation method

2016-06-29；

2017-02-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFD0600802)；長沙市科技計劃項目(k1508130-61)

劉汝寬(1981)，男，副研究員，博士，主要從事油料資源利用技術(shù)研究工作(E-mail)liurukuan@gmail.com。

TS223；TQ643

A

1003-7969(2017)05-0156-03