低温冷榨过程中油菜籽出油率影响因素仿真分析_黄涛.pdf

基金项目:湖北省粮食局“优质粮食工程”科技创新项目(编号:)作者简介:黄涛,男,武汉轻工大学在读硕士研究生.通信作者:宋少云(),男,武汉轻工大学教授,博士.E m a i l:q q c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()低温冷榨过程中油菜籽出油率影响因素仿真分析S i m u l a t i o ns t u d yo f f a c t o r s i n f l u e n c i n go i l y i e l dd u r i n gc o l dp r e s s i n go f r a p e s e e d黄涛HU ANGT a o宋少云S ONGS h a o y u n张恒ZHANG H e n g尹芳Y I NF a n g(武汉轻工大学机械工程学院,湖北 武汉 )(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,W u h a nL i g h t I n d u s t r yU n i v e r s i t y,W u h a n,H u b e i ,C h i n a)摘要:目的:探究油菜籽在双螺旋榨油机中压榨时出油率的影响因素.方法:对油菜籽的压榨过程进行仿真,并探索榨螺转速和孔隙度两个因素对出油率的影响.结果:油菜籽出油率与孔隙度呈线性关系,孔隙度越大出油率越低;出油率与榨螺转速呈负相关.结论:当孔隙度为,榨螺转速为 r/m i n时,油菜籽出油率最高.关键词:双螺旋榨油机;油菜籽;出油率;孔隙度A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T h i ss t u d ya i m e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h eo i ly i e l do fr a p e s e e dd u r i n gp r e s s i n gi nad o u b l es c r e wo i lp r e s s M e t h o d s:T os i m u l a t et h ep r e s s i n gp r o c e s so fr a p e s e e da n dt oe x p l o r et h ee f f e c t so ft w of a c t o r s,t h es p e e do ft h ep r e s s s c r e wa n d t h ep o r o s i t y,o n t h e o i l y i e l d R e s u l t s:T h e o i ly i e l do f r a p e s e e dw a s l i n e a r l yr e l a t e d t o t h ep o r o s i t y,a n da l a r g e rp o r o s i t y,w a s a s s o c i a t e dw i t ha l o w e ro i l y i e l d M o r e o v e r,t h eo i ly i e l dw a sn e g a t i v e l yr e l a t e dt ot h es p e e do ft h ep r e s ss c r e wC o n c l u s i o n:T h eo i ly i e l d o fr a p e s e e d w a sh i g h e s t w h e nt h ep o r o s i t yw a s w i t ht h es p e e do fp r e s s i n gs c r e wa t r/m i n K e y w o r d s:d o u b l es c r e wo i l p r e s s;r a p e s e e d;o i l y i e l d;p o r o s i t y双螺旋榨油机作为一种重要的油料压榨设备,其压榨性能引起了众多研究者的关注.M i z e r a等研究了双螺旋榨油机中榨螺转速和喂料速度对油脂提取的影响;Am a l i aK a r t i k a等以整粒葵花籽为原料,研究了喂料速度、主轴转速和料液比对出油率的影响.B o g a e r t等通过在螺杆上安装 个压力传感器和个温度探头,研究了主轴转速对压榨性能和膛内油料流动的影响.任小聪等对S S Y Z /双螺杆榨油机进行研究,设计了一种膛内压力测试系统,并对菜籽油的压榨过程进行测试.上述研究均是对特定的榨油机进行试验,其研究结果很难具有普遍指导意义.李芃荃等使用AN S Y S W o r k b e n c h对单螺旋榨油机榨膛 温 度 分 布 情 况 进 行 了 研 究.米 国 强 等使 用F l u e n t对螺旋榨 油机 压榨 段进 行 了流 场仿 真.冯新 东等对双螺旋榨油机的榨油过程进行了仿真研究,采用C OM S O L研究了油饼厚度和榨螺转速对出油率的影响,但是双螺旋压榨仿真缺乏物理试验数据的支撑,其可靠度有待提高.研究拟采用C OM S O L对双螺旋冷榨机中油菜籽的压榨过程进行仿真,与文献 进行对比,在此基础上对仿真模型进行修正.再以孔隙度和主轴转速为试验因素,考察其对出油率的影响,旨在提高油菜籽的出油率.仿真模型的建立与验证油饼的本构模型油料压榨过程中,油料是从不饱和多孔介质到饱和多孔介质,其中伴随着油液的渗出,因此油液在榨膛内的渗出量直接影响出油率.仿真模型采用达西定律中多孔介质渗流模型建立.榨膛内的油料流动用达西速度表示,将达西速度代入连续性方程中:Vkp,()式中:V 达西速度,m/s;k 渗透系数,c m/s;动力黏度,P as;p 流体的孔隙压力,P a.柯西应力和孔隙压力pf存在以下关系:C BpfI,()式中:柯西应力,P a;C 弹性矩阵,CC(E,v);F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|E 杨氏模量,P a;v 泊松比;应变张量;B B i o t W i l l i s系数;pf 孔隙压力,P a;I 单位矩阵.流体和准静态形变满足:F,()式中:F 体力,N.为了获取油饼在压榨过程中本构模型的仿真参数E和v,使用柱塞式压榨试验机进行压榨试验,试验装置主要由一台液压式材料试验机(控制系统S m a r t T e s t)和一个自制的侧限排油柱塞式压榨装置组成.对油菜籽进行烘干后,称取颗粒均匀的 g油菜籽装入侧限压榨装置内,置于材料压缩机下,采用个水平加载速率(分别为,k N/s)进行试验,并使用川北方程进行拟合,得:VVVa b P(b P),()式中:应变;V 原始体积,mm;V 压榨后的体积,mm;P 应力,P a;a、b 常数(不同加载速率对应a、b值见表).种加载速率下油菜籽压榨过程的应力应变关系曲线如图所示.表关系函数常数值T a b l eC o n s t a n tv a l u e so f r e l a t i o n a l f u n c t i o n s加载速率/(k Ns)ab 图不同加载速率的应力应变关系曲线F i g u r eS t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pc u r v e so fd i f f e r e n t l o a d i n gr a t e s基于表的数据,结合郑晓等 的孔隙度经验公式,设定油饼的本构模型基本参数:密度 k g/m,杨氏模量 MP a,泊松比,其中泊松比和杨氏模量通过查阅文献 可得.油饼的双螺旋压榨仿真建模及验证为了提高仿真模型的可靠度,使用任小聪等的双螺旋榨油机,先对榨笼和榨螺进行三维建模,再通过榨笼对榨螺进行布尔差运算得到油饼模型,作差后的油饼三维模型如图所示;再对各零件进行装配,得到如图所示的双螺旋榨油机简化装置.在C o m s o lM u l t i p h y s i c s中导入图所示的三维模型,多 孔 介 质 参 数:渗 透 率 m,孔 隙 度 P.流 体 模 型 参 数:流 体 可 压 缩 性 P a,密度 k g/m,动力黏度 P as.双螺旋榨油机内摩擦系数:榨螺与油饼以及油饼与榨笼之间均为.使用上述参数进行仿真,并将仿真结果与文献 进行对比,结果见表.由表可知,在油菜籽压榨过程中,相对于压力的试验值而言,仿真值的平均计算精度达.事实上,由于影响出油率的因素众多,加上传感器自身也存在测量图油饼模型F i g u r eO i l c a k em o d e l榨螺榨笼油饼图双螺旋榨油机简化总装F i g u r eS i m p l i f i e dv e r s i o n表压力传感器的测定值与仿真值T a b l eM e a s u r e da n ds i m u l a t e dv a l u e so fh i g ht e m p e r a t u r em e l tp r e s s u r es e n s o r测试点离进料口距离/c m试验值/MP a仿真值/MP a 食品装备与智能制造F OO DE QU I PME NT&I NT E L L I G E NT MANU F A C TUR I NG总第 期|年月|误差,对于这种复杂情况进行仿真,的仿真精度已较高.因此可以用该双螺旋压榨仿真模型开展双螺旋榨油机的压榨性能仿真试验.仿真试验设计与结果试验方案设计定义出油率为:mm ,()式中:出油率,;m 出油质量,g;m 油饼总质量,g.根据文献 可知,榨油机榨螺转速和孔隙度对榨油机榨膛内部物料的压榨出油状态有着重要影响,因此选择榨螺转速和孔隙度作为仿真试验的两个因素.由于目前该设备进行压榨油菜籽时一般转速为 r/m i n,因此榨螺转速选择,r/m i n个水平值,孔隙度选择 ,个水平值,进行两因素多水平试验.仿真结果由表可知,经过多次仿真试验,油饼体积和出油体积由仿真后经过编制程序进行积分计算得到,出油率由出油 体 积 除 以 油 饼 体 积 所 得.数 据 表 明,在 转 速 为 r/m i n,孔隙度为 时出油率最高,为 .由图和图可知,在油料压榨过程中,其主要应力集中在两个榨螺之间,并且越靠近压榨末端,应力越大,是由于榨螺之间的间隙进一步减小导致.由达西定律可知,速度压降与油液渗出速度呈正相关.在压榨过程中,油饼的应力状态直接影响油液的渗流速度.由图和图可知,在油菜籽压榨过程中,油液的出油状态呈周期性波动.在出油周期的/阶段,进入榨图油饼应力云图F i g u r eO i l c a k es t r e s sc l o u dd i a g r a m图油液流速图F i g u r eO i l f l o wr a t eg r a p h表试验设计及结果T a b l eE x p e r i m e n t a l d e s i g na n dr e s u l t试验号AB油饼体积/c m出油体积/c m出油率/油的预备状态,之后榨螺旋转 进一步将油饼进行输送及挤压.当榨膛内的油饼压力达到 MP a时,油菜籽开始大量出油,随着油饼的进一步压榨,油饼中的油液减少,出油速度逐渐减小.随着物料的持续喂入,开始新一轮的出油.整个榨油周期中,中间/周期流量较大,前图不同孔隙度下流量与时间的关系F i g u r eF l o wr a t ev e r s u s t i m e f o rd i f f e r e n tp o r o s i t y图不同榨螺转速下流量与时间的关系F i g u r eF l o wr a t ev e r s u s t i m e f o rd i f f e r e