低溫冷榨過(guò)程中油菜籽出油率影響因素仿真分析

黃 濤 宋少云 張 恒 尹 芳

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

雙螺旋榨油機(jī)作為一種重要的油料壓榨設(shè)備，其壓榨性能引起了眾多研究者的關(guān)注。Mizera等[1]研究了雙螺旋榨油機(jī)中榨螺轉(zhuǎn)速和喂料速度對(duì)油脂提取的影響；Amalia Kartika等[2]以整?？ㄗ褳樵希芯苛宋沽纤俣?、主軸轉(zhuǎn)速和料液比對(duì)出油率的影響。Bogaert等[3]通過(guò)在螺桿上安裝16個(gè)壓力傳感器和3個(gè)溫度探頭，研究了主軸轉(zhuǎn)速對(duì)壓榨性能和膛內(nèi)油料流動(dòng)的影響。任小聰?shù)萚4]對(duì)SSYZ120/12 雙螺桿榨油機(jī)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種膛內(nèi)壓力測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)菜籽油的壓榨過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。上述研究均是對(duì)特定的榨油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，其研究結(jié)果很難具有普遍指導(dǎo)意義。

李芃荃等[5]使用ANSYS Workbench對(duì)單螺旋榨油機(jī)榨膛溫度分布情況進(jìn)行了研究。米國(guó)強(qiáng)等[6]使用Fluent對(duì)螺旋榨油機(jī)壓榨段進(jìn)行了流場(chǎng)仿真。馮新東等[7]對(duì)雙螺旋榨油機(jī)的榨油過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，采用COMSOL研究了油餅厚度和榨螺轉(zhuǎn)速對(duì)出油率的影響，但是雙螺旋壓榨仿真缺乏物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，其可靠度有待提高。

研究擬采用COMSOL對(duì)雙螺旋冷榨機(jī)中油菜籽的壓榨過(guò)程進(jìn)行仿真，與文獻(xiàn)[4]進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上對(duì)仿真模型進(jìn)行修正。再以孔隙度和主軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，考察其對(duì)出油率的影響，旨在提高油菜籽的出油率。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 油餅的本構(gòu)模型

油料壓榨過(guò)程中，油料是從不飽和多孔介質(zhì)到飽和多孔介質(zhì)，其中伴隨著油液的滲出，因此油液在榨膛內(nèi)的滲出量直接影響出油率。仿真模型采用達(dá)西定律中多孔介質(zhì)滲流模型建立。

榨膛內(nèi)的油料流動(dòng)用達(dá)西速度表示，將達(dá)西速度[8]代入連續(xù)性方程中：

(1)

式中：

V——達(dá)西速度，m/s；

k——滲透系數(shù)，cm/s；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s；

p——流體的孔隙壓力，Pa。

柯西應(yīng)力σ和孔隙壓力pf存在以下關(guān)系：

σ=Cε-αBpfI，

(2)

式中：

σ——柯西應(yīng)力，Pa；

C——彈性矩陣,C=C(E,v)；

E——楊氏模量，Pa；

v——泊松比；

ε——應(yīng)變張量；

αB——Biot-Willis系數(shù)；

pf——孔隙壓力，Pa；

I——單位矩陣。

流體和準(zhǔn)靜態(tài)形變滿足：

-▽·σ=F，

(3)

式中:

F——體力，N。

為了獲取油餅在壓榨過(guò)程中本構(gòu)模型的仿真參數(shù)E和v，使用柱塞式壓榨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓榨試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置主要由一臺(tái)液壓式材料試驗(yàn)機(jī)(控制系統(tǒng)SmartTest)和一個(gè)自制的側(cè)限排油柱塞式壓榨裝置組成[9]。

對(duì)油菜籽進(jìn)行烘干后，稱取顆粒均勻的15 g油菜籽裝入側(cè)限壓榨裝置內(nèi)，置于材料壓縮機(jī)下，采用4個(gè)水平加載速率(分別為0.01，0.02，0.03，0.04 kN/s)進(jìn)行試驗(yàn)，并使用川北方程進(jìn)行擬合，得：

(4)

式中：

ε——應(yīng)變；

V0——原始體積，mm3；

V——壓榨后的體積，mm3；

P——應(yīng)力，Pa[10]；

a、b——常數(shù)(不同加載速率對(duì)應(yīng)a、b值見(jiàn)表1)。

表1 關(guān)系函數(shù)常數(shù)值

4種加載速率下油菜籽壓榨過(guò)程的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 不同加載速率的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

基于表1的數(shù)據(jù)，結(jié)合鄭曉等[11-12]的孔隙度經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)定油餅的本構(gòu)模型基本參數(shù)：密度1 282 kg/m，楊氏模量2×105MPa，泊松比0.26，其中泊松比和楊氏模量通過(guò)查閱文獻(xiàn)[13]可得。

1.2 油餅的雙螺旋壓榨仿真建模及驗(yàn)證

為了提高仿真模型的可靠度，使用任小聰?shù)萚4]的雙螺旋榨油機(jī)，先對(duì)榨籠和榨螺進(jìn)行三維建模，再通過(guò)榨籠對(duì)榨螺進(jìn)行布爾差運(yùn)算得到油餅?zāi)Ｐ?，作差后的油餅三維模型如圖2所示；再對(duì)各零件進(jìn)行裝配，得到如圖3所示的雙螺旋榨油機(jī)簡(jiǎn)化裝置。

圖2 油餅?zāi)Ｐ?/p>

在Comsol Multiphysics中導(dǎo)入圖3所示的三維模型，多孔介質(zhì)參數(shù)：滲透率1.36×10-20m2，孔隙度-265.56P-0.7。流體模型參數(shù)：流體可壓縮性4×10-10Pa-1，密度945 kg/m3，動(dòng)力黏度0.003 Pa·s。雙螺旋榨油機(jī)內(nèi)摩擦系數(shù)：榨螺與油餅以及油餅與榨籠之間均為0.46。

1.榨螺 2.榨籠 3.油餅

使用上述參數(shù)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[4]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，在油菜籽壓榨過(guò)程中，相對(duì)于壓力的試驗(yàn)值而言，仿真值的平均計(jì)算精度達(dá)87.8%。事實(shí)上，由于影響出油率的因素眾多，加上傳感器自身也存在測(cè)量誤差，對(duì)于這種復(fù)雜情況進(jìn)行仿真，87.8%的仿真精度已較高。因此可以用該雙螺旋壓榨仿真模型開(kāi)展雙螺旋榨油機(jī)的壓榨性能仿真試驗(yàn)。

表2 壓力傳感器的測(cè)定值與仿真值

2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

定義出油率為：

(5)

式中：

ρ——出油率，%；

m1——出油質(zhì)量，g；

m——油餅總質(zhì)量，g。

根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]可知，榨油機(jī)榨螺轉(zhuǎn)速和孔隙度對(duì)榨油機(jī)榨膛內(nèi)部物料的壓榨出油狀態(tài)有著重要影響，因此選擇榨螺轉(zhuǎn)速和孔隙度作為仿真試驗(yàn)的兩個(gè)因素。由于目前該設(shè)備進(jìn)行壓榨油菜籽時(shí)一般轉(zhuǎn)速為20 r/min，因此榨螺轉(zhuǎn)速選擇10，20，30，40 r/min 4個(gè)水平值，孔隙度選擇0.15，0.30，0.45 3個(gè)水平值，進(jìn)行兩因素多水平試驗(yàn)。

2.2 仿真結(jié)果

由表3可知，經(jīng)過(guò)多次仿真試驗(yàn)，油餅體積和出油體積由仿真后經(jīng)過(guò)編制程序進(jìn)行積分計(jì)算得到，出油率由出油體積除以油餅體積所得。數(shù)據(jù)表明，在轉(zhuǎn)速為20 r/min，孔隙度為0.45時(shí)出油率最高，為88.12%。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果?

由圖4和圖5可知，在油料壓榨過(guò)程中，其主要應(yīng)力集中在兩個(gè)榨螺之間，并且越靠近壓榨末端，應(yīng)力越大，是由于榨螺之間的間隙進(jìn)一步減小導(dǎo)致。由達(dá)西定律可知，速度壓降與油液滲出速度呈正相關(guān)。在壓榨過(guò)程中，油餅的應(yīng)力狀態(tài)直接影響油液的滲流速度。

圖4 油餅應(yīng)力云圖

圖5 油液流速圖

由圖6和圖7可知，在油菜籽壓榨過(guò)程中，油液的出油狀態(tài)呈周期性波動(dòng)。在出油周期的1/4階段，進(jìn)入榨油的預(yù)備狀態(tài)，之后榨螺旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)一步將油餅進(jìn)行輸送及擠壓。當(dāng)榨膛內(nèi)的油餅壓力達(dá)到35 MPa時(shí)，油菜籽開(kāi)始大量出油，隨著油餅的進(jìn)一步壓榨，油餅中的油液減少，出油速度逐漸減小。隨著物料的持續(xù)喂入，開(kāi)始新一輪的出油。整個(gè)榨油周期中，中間1/2周期流量較大，前后1/4周期流量占比較小。由此可得，出油的總量取決于榨油的中間1/2周期。

圖6 不同孔隙度下流量與時(shí)間的關(guān)系

圖7 不同榨螺轉(zhuǎn)速下流量與時(shí)間的關(guān)系

由圖6可知，在榨螺轉(zhuǎn)速不變的情況下，不同孔隙度對(duì)應(yīng)的流量峰值不同，說(shuō)明油料在壓榨過(guò)程中所受的應(yīng)力不同。當(dāng)孔隙度較小時(shí)，榨螺無(wú)法對(duì)油菜籽餅進(jìn)行進(jìn)一步壓榨，導(dǎo)致出油減小。當(dāng)孔隙度較大時(shí)，在油菜籽經(jīng)過(guò)榨油機(jī)主要出油階段時(shí)還屬于預(yù)壓榨狀態(tài)，油料壓榨不充分，出油量不多。因此，采用該設(shè)備進(jìn)行油菜籽壓榨時(shí)，需要對(duì)油菜籽進(jìn)行合適的預(yù)壓榨處理，從而達(dá)到最佳出油狀態(tài)。

由圖7可知，在孔隙度不變的情況下，榨螺轉(zhuǎn)速越快，油液的出油周期越小，且出油峰值越高。這是因?yàn)檎ヂ蒉D(zhuǎn)速越快，油菜籽被壓密實(shí)的時(shí)間越短，油餅有效滲透率降低，大量出油階段無(wú)充足時(shí)間滲流，從而導(dǎo)致出油不充分。當(dāng)榨螺轉(zhuǎn)速越小時(shí)，油液的出油周期變得更長(zhǎng)，且出油峰值也越低。這是因?yàn)檎ヂ蒉D(zhuǎn)速越慢，油菜籽被壓密實(shí)的時(shí)間越長(zhǎng)，油液會(huì)重復(fù)吸收到細(xì)胞中，也會(huì)導(dǎo)致出油不充分。因此，該設(shè)備進(jìn)行油菜籽壓榨應(yīng)采用一個(gè)合適的主軸轉(zhuǎn)速。

綜上，油料的孔隙度和榨螺轉(zhuǎn)速均對(duì)油菜籽出油有影響，主要包括：① 榨油機(jī)工作狀態(tài)中物料的壓榨狀態(tài)；② 一個(gè)出油周期內(nèi)的出油充分程度。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，相對(duì)于壓力的試驗(yàn)值而言，仿真值的平均仿真精度達(dá)到87.8%，證實(shí)了仿真的可行性。對(duì)于該試驗(yàn)設(shè)備而言，最佳的榨螺轉(zhuǎn)速為20 r/min，孔隙度為0.45，此時(shí)出油率最高，為88.12%。由于雙螺旋榨油機(jī)的壓榨原理大體一致，因此，通過(guò)調(diào)整榨螺轉(zhuǎn)速和油料預(yù)壓榨狀態(tài)均可進(jìn)一步提高榨油機(jī)的出油率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，溫度和油料含水率也是影響出油率和油品質(zhì)量的重要因素，后續(xù)將加入溫度場(chǎng)和多相流場(chǎng)進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真，從而得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。