一種油水混合油炸機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱-力耦合仿真

韓小偉 夏小群

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)油炸鍋炸油容易變質(zhì)、殘?jiān)y以排除以及油溫過高容易產(chǎn)生有害物質(zhì)等問題，設(shè)計(jì)了一款小型水油混合油炸式油炸機(jī)，主要進(jìn)行了油炸機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件的熱一力耦合仿真。采用AT89C51片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油層進(jìn)行溫度控制，使油溫在0～200℃之間按設(shè)定溫度可調(diào)，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產(chǎn)生有害物質(zhì)，保證食物更加健康。使用ANAYS Workbench有限元分析單元，在同時(shí)設(shè)定溫度和栽荷約束的情況下，對(duì)油炸鍋和外部框架進(jìn)行熱力耦合分析。通過一組實(shí)例試算可知，油炸機(jī)有限元模型上的最大受力點(diǎn)位于油炸鍋鍋體上部，強(qiáng)度足夠，兩個(gè)核心部件的設(shè)計(jì)滿足熱力要求。

關(guān)鍵詞：油水混合;油炸機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);熱力耦合仿真

中圖分類號(hào)：TS203

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492 f 2022）02-0137-04

0 引言

傳統(tǒng)的油炸食品的烹制過程存在很多問題，如由于油溫的不可控性而導(dǎo)致油炸出來(lái)的食物口感變差、殘?jiān)枰斯で謇?、在進(jìn)行清理的過程中要將其連同廢油全部倒掉而造成油的嚴(yán)重浪費(fèi)，以及食物殘?jiān)患皶r(shí)清理造成的高溫油炸炭化等問題[1-3]。

針對(duì)上述問題，開發(fā)出一款濾渣方便、節(jié)約成本并能防止油溫過快升高的油炸機(jī)。設(shè)計(jì)了一款采用水油混合式油炸機(jī)。水油混合油炸是利用油水互相不融合、密度大小不同而形成自動(dòng)分層的液體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行油炸的。油鍋中的水油分為3層，分別是高溫油層，緩沖油層以及水層。油水在混合后會(huì)自動(dòng)分層，上層的是油，密度小，在加熱后放人食品進(jìn)行油炸;下層是密度大的水，下沉的食物殘?jiān)伤畬咏邮躘4]。通過加熱中部油層控制不同油層的溫度，這樣可以降低油的氧化程度，減少有害物質(zhì)的生成[5-6]。此外，在油炸過程中，食物殘?jiān)诟邷赜蛯又幸驗(yàn)樘蓟纬傻挠驼〞?huì)自動(dòng)落入水層，油炸積累沉淀到油箱底部[7]。設(shè)定殘?jiān)蛛x器自動(dòng)排渣頻率，可以定期進(jìn)行殘?jiān)懦?，避免殘?jiān)掷m(xù)油炸而產(chǎn)生有害物質(zhì)。同時(shí)，水油混合式油炸還可以使得油層中食物可從水層中吸取適量的水分，使炸出的食品細(xì)膩、柔軟具有金黃的色澤[8]。

本文設(shè)計(jì)的油炸機(jī)有以下4個(gè)特點(diǎn)。（1）食物品質(zhì)好。降低了油炸食品含油量，保存了所炸食品良好的外觀形狀，而且色香味俱全，滿足了食用者對(duì)油炸食品外觀及口感的要求。（2）健康。在高溫油炸的過程中產(chǎn)生的食物殘?jiān)鼤?huì)在脫離高溫油層后落入殘?jiān)蛛x器，并自動(dòng)從水層中排出，當(dāng)高溫油層中的水分含量不足時(shí)，水層能為高溫油中提供適當(dāng)?shù)乃?，使得炸制成的食物不至于出現(xiàn)被炭化的情況，能夠大大減少致癌物質(zhì)產(chǎn)生。滿足了食用者對(duì)于油炸類食品安全健康的需求。（3）環(huán)保。電加熱方式是本次智能油炸機(jī)的加熱方式，相比其它幾種加熱方式，能源的損耗較少，節(jié)約了能源。（4）節(jié)油。本次設(shè)計(jì)的智能油炸機(jī)采用水油混合油炸方式，通過加熱油層中部來(lái)炸制食品，控制不同油層的溫度，降低炸油的氧化程度，從而延長(zhǎng)炸油的使用壽命[9]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該油炸機(jī)主要用于家庭、小作坊油炸食品的生產(chǎn)，具備輕巧、方便搬運(yùn)的特點(diǎn)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮外形、體積、重量、承載能力等因素，其主要結(jié)構(gòu)有外部框架、油炸鍋、殘?jiān)蛛x器、炸籃和水箱等。選擇使用普通不銹鋼方管為框架的材料。油鍋、炸籃都是與食物直接相互接觸的結(jié)構(gòu)，選擇食品級(jí)304不銹鋼。殘?jiān)蛛x器因與水接觸，為了減少生銹、腐蝕等情況的發(fā)生，材料選用普通不銹鋼。

1.1 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了最終實(shí)現(xiàn)對(duì)油炸機(jī)進(jìn)行熱一力耦合分析，本文采用Creo進(jìn)行了油炸機(jī)零部件三維模型的建立和裝配。由于建模過程中零部件過多.本文主要描述油炸鍋、殘?jiān)蛛x器和外部框架的結(jié)構(gòu)和三維模型。

（1）油炸鍋

油炸鍋為炸制過程中食物和油的主體容器，其總體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，一部分長(zhǎng)方體，一部分為錐形。長(zhǎng)方體部分主要盛置水、油和食物的主要部分;錐形部分是為了方便殘?jiān)ㄟ^鍋壁滑人殘?jiān)蛛x器中，從而進(jìn)行殘?jiān)氖占统?。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）殘?jiān)蛛x器

殘?jiān)蛛x器的主要功能是為了實(shí)現(xiàn)收集和分離殘?jiān)?。殘?jiān)谟驼ǖ倪^程中，通過油層和水層落入到殘?jiān)蛛x器中。殘?jiān)蛛x器的入水管和水管相連，落渣管和殘?jiān)蛛x器的入水管相連。排渣管、掉渣管和進(jìn)水管處均設(shè)有水閥，方便控制殘?jiān)氖占姆蛛x，需要排渣的時(shí)候，關(guān)閉落渣管的水閥開關(guān)，打開進(jìn)水管和掉渣管的水閥開關(guān)，利用水流把殘?jiān)蛛x器中殘?jiān)鼪_出。殘?jiān)蛛x器的主要結(jié)構(gòu)為上下流道為圓柱管，中間儲(chǔ)渣部位為圓錐形，三維模型如圖2所示。

（3）外框架

外部框架需要承受來(lái)自油炸鍋、殘?jiān)蛛x器、水箱和水油的重量，其中承重最大的為與油炸鍋的接觸處。外部框架的材料油炸機(jī)外部框架采用不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)油炸機(jī)框架的尺寸建立三維模型，采用焊接連接方式。部分框架采用對(duì)稱造型，通過陣列、鏡像等指令完成建模。外部框架三維模型如圖3所示。

1.2 油炸機(jī)的整體模型

采取自頂向下的裝配方式，將外部框架、油炸鍋、水箱和殘?jiān)蛛x器等部件按照一定的裝配關(guān)系裝配起來(lái)。以外部框架作為主組件，以油炸鍋、水箱等等部件作為子配件，然后標(biāo)識(shí)主組件及其相關(guān)特征，將各個(gè)零件按設(shè)計(jì)要求的約束條件或連接方式裝配在一起，最終形成的完整的裝配模型圖與外形三維圖型如圖4所示。

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫控儀結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、液晶顯示屏、風(fēng)鳴器、溫度傳感器及電阻等組成。溫控系統(tǒng)通過溫度傳感器對(duì)油溫進(jìn)行采樣、監(jiān)控，操作者根據(jù)食材的適宜炸制溫度，通過按鍵模塊選擇適合的檔位，把油溫控制在所需溫度的范圍內(nèi)，同時(shí)液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)油溫[10]。若當(dāng)溫度上升至設(shè)定極限溫度值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)開始啟動(dòng)報(bào)警。當(dāng)溫度長(zhǎng)時(shí)間沒有得到有效控制時(shí)，為了防止裝置損壞，需要進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，可以通過跳閘來(lái)停止油炸機(jī)的工作。該溫度控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報(bào)警模塊和按鍵控制系統(tǒng)組成溫控儀總體電路設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。溫度傳感器在油層中的分布情況如圖6所示。

3 熱一力耦合仿真

油炸機(jī)在工作過程中，油炸鍋溫度變化范圍是25 -200℃。溫度的升高會(huì)直接影響到材料的力學(xué)性能，溫度的升高會(huì)使鋼材的強(qiáng)度下降，應(yīng)變量也會(huì)增大。因此，利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行油炸鍋和外部框架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析和熱耦合場(chǎng)分析。

3.1 油炸鍋熱一力耦合分析

油炸鍋是與熱油直接接觸的部件，它的安全系數(shù)足夠是油炸機(jī)品質(zhì)的保障。利用Fluent在Workbench中的穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靜力對(duì)油炸鍋進(jìn)行熱一力耦合分析。選用食品級(jí)304不銹鋼，添加材料為結(jié)構(gòu)鋼。將Creo環(huán)境下的三維模型另存為x-t格式，再導(dǎo)入Workbench軟件[11]。

采用白由劃分網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置溫度為200℃，得到油炸鍋溫度場(chǎng)分布油炸鍋熱通量計(jì)算結(jié)果。油炸鍋內(nèi)部受水油壓力作用，兩掛耳受約束作用，還受到殘?jiān)蛛x器的拉力作用。設(shè)置靜力學(xué)分析條件時(shí)同時(shí)施加水油重力和液壓場(chǎng)，將溫度場(chǎng)導(dǎo)人靜力分析項(xiàng)目中，進(jìn)行運(yùn)算求解，油炸鍋的熱力耦合應(yīng)力如圖7所示。由應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力為114 MPa，遠(yuǎn)小于304不銹鋼的許用應(yīng)力137 MPa。因此，在當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下，油炸鍋具有足夠的強(qiáng)度。

3.2 外部框架熱一力耦合分析

外部框架承受了油炸鍋的重力，水油重力以及殘?jiān)蛛x器的重力作用，同時(shí)在與油炸鍋掛耳接觸部位受到熱傳導(dǎo)作用，外部框架是智能油炸機(jī)性能保證的主要部件之一，因此需要對(duì)其進(jìn)行熱一力耦合分析。

設(shè)置框架方管與掛耳接觸處溫度設(shè)置為100℃。外部框架有腳輪支撐，先設(shè)置四角固定，又受油炸鍋重力、水油重力和殘?jiān)蛛x器重力作用，對(duì)其施加邊界條件、設(shè)置靜力學(xué)分析條件[12]。將溫度場(chǎng)導(dǎo)入靜力分析項(xiàng)目中，通過運(yùn)算求解后得到外部框架的熱力耦合應(yīng)力分析如圖8所示。由圖可知，外部框架最大應(yīng)力為303 MPa，遠(yuǎn)小于304不銹鋼方管屈服強(qiáng)度410 MPa。因此，在當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下，外部框架具有足夠的強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款采用水油混合方式進(jìn)行式油炸的油炸機(jī)。利用油水互相不融合、密度大小不同、液體白動(dòng)分層的特征，實(shí)現(xiàn)了加熱中部油層，降低油的氧化程度，減少了有害物質(zhì)的生成;同時(shí)，在油炸過程中，通過自動(dòng)過濾系統(tǒng)，保證了殘?jiān)皶r(shí)排出，使炸出的食品細(xì)膩、柔軟具有金黃的色澤，同時(shí)也延長(zhǎng)了炸油的使用壽命。采用采用AT89C51片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油層進(jìn)行溫度控制，使油溫在0 - 200℃之間按設(shè)定溫度可調(diào)，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產(chǎn)生有害物質(zhì)，保證食物更加健康。采用Creo進(jìn)行了油炸機(jī)三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)將模型導(dǎo)入利用ANSYS Workbench軟件，利用該軟件的中的穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定模塊和結(jié)構(gòu)靜力模塊對(duì)核心部位——油炸鍋和外部框架，進(jìn)行熱一力耦合分析。分析結(jié)果顯示，在當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下，油炸鍋和外部框架具有合理的溫度場(chǎng)分布情況和足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)結(jié)果合理。

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