李芃荃， 譚雪松， 張 清， 萬雪琴， 劉德余， 岳 敏

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院；2.食品學(xué)院， 四川 雅安 625000；3.林學(xué)院， 四川 溫江 611130；4.信息工程學(xué)院， 四川 雅安625000)

核桃油作為傳統(tǒng)的商品，有“油料作物之王”的美稱[1]。核桃油中的亞麻酸含量高于常見的幾種植物油，是一種珍貴的營養(yǎng)油[2]。榨油所剩的油粕中含有大量的蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)，既可以用來生產(chǎn)副食品，也是良好的精飼料和肥料[3]。在工業(yè)方面，核桃油可用于制造上等油漆及繪畫顏料[4]，還可以通過加碘制成碘化油，用于X光診斷時(shí)作造影劑[5]。因此核桃油產(chǎn)品有著廣闊的市場(chǎng)前景，但是核桃油由于出油率低所以市場(chǎng)上的核桃油的價(jià)格比較昂貴，如果能夠提高核桃油的出油率，就能降低核桃油的市場(chǎng)價(jià)格，獲得更大的消費(fèi)市場(chǎng)。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為確保食用植物油的質(zhì)量安全，螺旋榨油機(jī)壓榨油的市場(chǎng)廣大，但其在壓榨過程中溫度升高比較大，破壞了油脂中的熱敏性物質(zhì)及餅蛋白，營養(yǎng)價(jià)值降低[6]。其次溫度主要是通過影響油脂黏度來影響出油率的，溫度高的油脂黏度低，易出油。榨油機(jī)工作時(shí), 主要通過榨膛內(nèi)部油料粒子之間、油料與螺桿及油料與榨膛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[7-9]。目前世界范圍對(duì)螺旋榨油機(jī)榨油的研究較少，理論經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏有效的試驗(yàn)驗(yàn)證[10]。在中國生產(chǎn)螺旋榨油機(jī)的核心部分是榨膛[11]，而加熱裝置大多放置在榨膛上，通過導(dǎo)熱的方式為榨料提供壓榨時(shí)的溫度條件，因此對(duì)榨油時(shí)榨膛溫度的研究是很有必要的。

就目前而言，中國對(duì)核桃榨油適宜溫度的研究較少，并且國內(nèi)還未有用Ansys Workbench來研究榨油機(jī)榨核桃油時(shí)適宜溫度范圍的先例。本研究旨在運(yùn)用出油率、殘油率、油脂酸價(jià)三種試驗(yàn)的綜合數(shù)據(jù)得到CH1500T型單螺旋榨油機(jī)壓榨核桃的適宜預(yù)熱時(shí)間，再把該預(yù)熱時(shí)間下測(cè)得的榨膛外壁測(cè)點(diǎn)的溫度帶入Ansys Workbench中進(jìn)行傳熱學(xué)仿真運(yùn)算，從而得到核桃榨冷榨膛內(nèi)外壁適宜溫度范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)主要儀器

型號(hào)為CH1500T的家用單螺旋榨油機(jī)(該榨油機(jī)功率P=1 500 W，榨螺轉(zhuǎn)數(shù)n=30～50 r/min，處理量為1.5 kg/h)；紅外測(cè)溫儀(HT-866)；SW-CJ-1F潔凈工作臺(tái)；HH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋；AUW-220-D型舜宇恒平儀；GDX-9073B-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱；100 mL具塞刻度量筒；3 mL微量滴定管。

1.1.2 試驗(yàn)主要試劑

3 mol/L鹽酸；95%乙醇、乙醚(不含過氧化物)、石油醚(沸程30～60 ℃)；蒸餾水；KOH、百里香酚酞。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 核桃油出油率的測(cè)定

在本試驗(yàn)前，由于分別對(duì)預(yù)熱時(shí)間為10 min做了5次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它的出油率低于50%(這臺(tái)榨油機(jī)最大出油率高于50%)，并且當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為16 min時(shí)，出餅端由于溫度過高餅粕糊掉卡住出餅口，已經(jīng)無法正常出油，所以本試驗(yàn)的預(yù)熱時(shí)間選定為11 min、12 min、13 min、14 min和15 min。將掰成小塊的核桃均分為25組，每組80 g。每個(gè)預(yù)熱時(shí)間做5組重復(fù)試驗(yàn)。檢查榨油機(jī)是否接通電源，空轉(zhuǎn)調(diào)試，確保榨油機(jī)能夠正常工作。稱量干燥的空燒杯質(zhì)量，記作m。將榨膛預(yù)熱11 min后，停止預(yù)熱開始?jí)赫ピ囼?yàn)，控制壓榨時(shí)間為4 min，確保每次壓榨時(shí)間相同。壓榨結(jié)束后關(guān)閉榨油機(jī)按鈕，靜置1 min鐘后稱量載油的燒杯此刻的質(zhì)量，記作M。在關(guān)閉榨油機(jī)按鈕以后，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量此刻榨膛外壁擬定36個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度(圖1)，并記錄下來。做完一次試驗(yàn)后需要待榨膛冷卻后清洗凈干燥后，測(cè)量36個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值恢復(fù)到室溫才能繼續(xù)做下次試驗(yàn)。按照同樣的步驟做預(yù)熱時(shí)間為11 min的其余4組試驗(yàn)，以及預(yù)熱時(shí)間為12 min、13 min、14 min、15 min的其余20組試驗(yàn)。最后用記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出油率。

出油率=(M-m/80)·100%

圖1 榨膛外表測(cè)溫點(diǎn)示意圖

1.2.2 餅粕殘油率的測(cè)定

本試驗(yàn)是參照GB 50096—2006標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)定食品中脂肪的酸水解法進(jìn)行分析餅粕殘油率，首先配制3 mol/L鹽酸：量取36%濃度的濃鹽酸25 mL用蒸餾水稀釋至100 mL后加入100 mL容量瓶里。用AUW-220-D型舜宇恒平儀稱量25個(gè)稱量瓶的質(zhì)量，再將25組餅粕各稱取3 g左右放于稱量瓶中，做好標(biāo)記后，將這25個(gè)稱量瓶放于GDX-9073B-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)置干燥箱溫度為105 ℃，直至將燒杯取出冷卻后稱量質(zhì)量不再發(fā)生改變?yōu)橹?，測(cè)得餅粕的含水率。稱取空錐形瓶的質(zhì)量m1、m2、m3、m4、m5，將預(yù)熱時(shí)間為11 min的5組核桃餅粕樣品分別稱取樣品2 g左右于50 mL大試管中，用10 mL量筒量取8 mL蒸餾水倒入50 mL大試管中混勻，再加10 mL 3 mol/L鹽酸。將5支試管放入75 ℃水浴中，水浴時(shí)間為40 min,每隔5 min用玻璃棒攪拌一次，讓樣品消化完全。取出試管，加入10 mL 95%乙醇，混合。冷卻后將混合物移入具塞量筒中，以25 mL乙醚分次洗試管，一并倒入量筒中。加塞振搖量筒1 min,小心開塞放氣，再塞好，靜置12 min。小心開塞，用石油醚-乙醚等量混合液沖洗塞及量筒附近脂肪。靜置15 min，待上部液體清晰，吸出上清液于已恒重的錐形瓶內(nèi)，再加入5 mL乙醚于具塞量筒內(nèi)，振搖。放氣后靜置10 min，將上層乙醚吸出，放入原錐形瓶內(nèi)。將錐形瓶置于水浴上蒸干。將蒸干后的錐形瓶放入100～105 ℃干燥箱中干燥2 h，取出后放入干燥器內(nèi)冷卻30 min后稱重，重復(fù)操作至恒重，得到錐形瓶和脂肪的總質(zhì)量M1、M2、M3、M4、M5。用記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算殘油率。

X=[(M-m)/W]·100%

其中，W為樣品的質(zhì)量。完成以上試驗(yàn)以后要將所有的玻璃儀器洗凈干燥，再重復(fù)以上試驗(yàn)過程。

1.2.3 油脂酸價(jià)試驗(yàn)的測(cè)定

本試驗(yàn)是參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5530—2005標(biāo)準(zhǔn)，首先配置0.1 mol/L KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液、10 g/L百里香酚酞指示劑、中性乙醚-乙醇(2∶1)(臨用前用0.1 mol/L KOH滴定至中性)。將25組的核桃油每一組做三個(gè)平行試驗(yàn)一個(gè)空白試驗(yàn)，并分別稱取均勻核桃油試樣5 g于錐形瓶中，加入乙醚-乙醇混合溶劑50 mL，搖動(dòng)使試樣溶解。加入3滴百里香酚酞指示劑，用KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)綠色，在30 s內(nèi)不褪色，記錄消耗KOH的體積。記錄的數(shù)據(jù)求得所對(duì)應(yīng)的酸價(jià)：

其中，X為油脂酸價(jià)；V為滴定消耗氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)液的體積，mL；c為KOH標(biāo)準(zhǔn)液濃度，mol/L；m為試樣質(zhì)量，g；56.1為KOH的毫克當(dāng)量。最后分別求不同的預(yù)熱時(shí)間下油酸價(jià)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 核桃油出油率試驗(yàn)結(jié)果

如表1所示為11 min到15 min各5組試驗(yàn)的平均出油率。在這5個(gè)時(shí)間中當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為14 min時(shí)，出油率達(dá)到最高為56.45%。

表1 平均出油率

2.2 餅粕殘油率試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示為11 min到15 min各5組試驗(yàn)平均殘油率。當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為14 min時(shí)，殘油率是5個(gè)時(shí)間中最低的為15.99%，當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為14～15 min，殘油率又升高。

表2 平均殘油率

如表3所示為11 min到15 min的平均含水率。當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為14 min時(shí)，含水率達(dá)到最低為4.99%，當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為14～15 min之間，含水率又升高。

表3 平均含水率

2.3 油脂酸價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

油脂酸價(jià)越低代表油的質(zhì)量越好，如表4所示，11～15 min的油脂酸價(jià)中，預(yù)熱14 min的油脂酸價(jià)最低。

表4 油脂酸價(jià)

2.4 榨膛熱仿真

由核桃出油率試驗(yàn)結(jié)果、餅粕殘油率試驗(yàn)結(jié)果和油脂酸價(jià)試驗(yàn)結(jié)果可以得出預(yù)熱時(shí)間為14 min是以上時(shí)間中最為適宜的預(yù)熱時(shí)間。所測(cè)得榨膛外壁36個(gè)擬定測(cè)點(diǎn)的平均溫度如表5所示。

表5 預(yù)熱14 min測(cè)點(diǎn)溫度

2.4.1 建立有限元模型設(shè)置材料特性

在Solidworks中把模型另存為(.igs/stp)格式，打開Ansys Workbench，將其導(dǎo)入Steady-State Thermal圖形窗口中，經(jīng)過Solid Model Facets等操作將模型實(shí)體化,并添加材料屬性，本文中榨膛的材料為304不銹鋼。

2.4.2 定義接觸區(qū)域并網(wǎng)格劃分

以5 mm為單位間隔，從榨膛左側(cè)到榨膛右側(cè)依次選取36個(gè)測(cè)量點(diǎn)如圖2所示。

圖2 榨膛簡(jiǎn)易模型選點(diǎn)示意圖

采用Solid87(六節(jié)點(diǎn)四面體單元)劃分方式進(jìn)行劃分，因?yàn)镾olid87在熱仿真中對(duì)于不太規(guī)整的結(jié)構(gòu)比較適合，并且精度較高，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障依據(jù)，將Mesh中的Patch Conforming Method設(shè)置為Tetrahedrons，并把‘Details of mesh’中的‘Relevance’調(diào)制成100。最終如圖3所示將榨膛劃分成117 704個(gè)單元72 502個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 榨膛簡(jiǎn)易模型劃分單元格示意圖

2.4.3 施加載荷和邊界條件進(jìn)行求解

假設(shè)環(huán)境溫度恒定，在Steady-State Thermal的Initial Temperature中設(shè)置初始環(huán)境溫度為25 ℃，在Convection的Film Coefficient中選中Import Temperature Dependent后選擇Stagnant Air—Simplified Case。然后將榨膛外表面從右到左指定36個(gè)點(diǎn)的溫度導(dǎo)入Ansys Workbench中，并進(jìn)行求解得到榨膛溫度分布云圖如圖4所示。

因?yàn)榇藭r(shí)無法再在榨膛內(nèi)表面標(biāo)定點(diǎn)，所以用等比例的方式在榨膛內(nèi)部從右往左選取第1、2、3、5、7、9、10、11、13、15、17、19、20、21、23、25、27、29、30、31、33、35、36的點(diǎn)的對(duì)應(yīng)溫度，共23個(gè)如圖5所示。

2.4.4 反解榨膛外壁仿真溫度

將榨膛當(dāng)成一個(gè)整體，在內(nèi)壁添加同樣的邊界條件、網(wǎng)格劃分方式，選取測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的榨膛內(nèi)壁仿真溫度加載在榨膛內(nèi)表面(選中Steady-State Thermal的Temperature，將Magnitude設(shè)置為37.830 ℃)，通過Ansys Workbench熱仿真得到榨膛外壁仿真溫度，重復(fù)22次以上步驟得到榨膛內(nèi)、外壁23個(gè)仿真溫度如表6所示。

圖4 榨膛簡(jiǎn)易模型導(dǎo)入溫度示意圖

圖5 榨膛簡(jiǎn)易模型內(nèi)壁溫度示意圖

表6 榨膛內(nèi)外仿真壁溫度(單位：℃)

2.5 核桃冷榨適宜溫度范圍

通過試驗(yàn)和仿真得到榨膛外壁23個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度如表7所示。

表7 榨膛外壁實(shí)測(cè)溫度與仿真壁溫度(單位：℃)

由表7可以得到榨膛外壁榨膛的實(shí)際測(cè)量溫度與仿真溫度的誤差曲線如圖6所示。在點(diǎn)(65 mm，43.3 ℃)取得最大相對(duì)誤差為8.155%，平均誤差為3.93%，對(duì)于該農(nóng)業(yè)機(jī)械來說最大相對(duì)誤差和平均誤差均小于10%，因此誤差是在可接受范圍以內(nèi)的，可以用仿真的溫度來替代實(shí)際測(cè)量的溫度用于溫度曲線擬合。

通過Matlab可以將23個(gè)榨膛外壁的仿真溫度擬合成如圖7的函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)式為f(x)= 0.11125x+35.8608，且取得的最大誤差為8.3574%，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械來說，滿足擬合精度。將主壓榨段開始的x的坐標(biāo)65 mm和125 mm代入函數(shù)表達(dá)式f(x)= 0.11125x+35.8608中，可得到核桃壓榨時(shí)榨膛外表面主壓榨段最佳溫度范圍為43.09～49.76 ℃。

同理如圖8所示，同時(shí)也可以擬合榨膛內(nèi)壁的仿真溫度得到榨膛內(nèi)壁溫度分布曲線為f(x)=0.1132x+36.0761，且取得的最大誤差為8.4439%。將主壓榨段開始的x的坐標(biāo)65 mm和125 mm帶入函數(shù)表達(dá)式f(x)=0.1132x+36.0761中，可得到核桃壓榨時(shí)榨膛內(nèi)表面主壓榨段最佳溫度范圍為43.43～50.23 ℃。

3 結(jié)論

利用CH1500T型單螺旋榨油機(jī)對(duì)核桃進(jìn)行了壓榨實(shí)驗(yàn)，得到了不同預(yù)熱時(shí)間下的出油率、餅粕殘油率和核桃油的酸價(jià)，從而確定了最佳預(yù)熱時(shí)間為14 min。再利用Ansys Workbench軟件對(duì)型號(hào)為CH1500T單螺旋榨油機(jī)的榨膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及穩(wěn)態(tài)傳熱仿真，得到榨膛內(nèi)外壁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度。運(yùn)用Matlab擬合榨膛內(nèi)、外的溫度分布曲線，從而確定了核桃冷榨的榨膛外壁、榨膛內(nèi)壁的溫度分布曲線和適宜溫度范圍，榨膛外壁溫度分布曲線

圖6 榨膛外壁實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度誤差示意圖

圖7 榨膛外壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖

圖8 榨膛內(nèi)壁仿真溫度擬合函數(shù)示意圖

和榨膛內(nèi)壁溫度分布曲線分別是f(x)= 0.11125x+35.8608和f(x)=0.1132x+36.0761，適宜溫度范圍分別是43.09～49.76 ℃和43.43～50.23 ℃。這個(gè)結(jié)論可以用于今后對(duì)此類家用榨油機(jī)加熱裝置參數(shù)的改良，從而既能提高油產(chǎn)量還能保證油的品質(zhì)。