油脂压榨机榨膛流场域浓度仿真分析

引言

植物油主要是植物性原料通过机械压榨或溶剂萃取等方法制造而成的。压榨法制油是通过机械外力作用将油脂从植物中分离出来的制油方法,压榨过程大致分为三个阶段—输送阶段、主压榨阶段及最终压榨阶段,其中除了生物学现象,还有榨膛内多物理场的变化。目前,对螺旋压榨机的仿真模拟研究多集中在榨螺受力分析上,对榨膛流场域的研究较少。内部油料与榨螺之间相互挤压的过程属于流固耦合问题,需要运用流体力学知识解决,而流体力学本身比较复杂,一般借助计算流体力学方法进行仿真研究。本文利用F1uent软件,研究油料压榨过程中腔体内部的流固耦合,对榨膛内流场浓度的变化情况进行分析。

1螺杆模型和参数设定

本文采用图1所示的螺旋螺杆模型,总长1285mm,最大螺杆外径178mm。

图1螺杆模型

为了便于计算以及避免碰壁现象[5],流场的圆柱体直径取200mm,长度和螺杆总长相同,建立如图2所示的流场域。研究中假设油均为流体介质且为连续的、黏性不可压缩的非牛顿流体,流动视为层流,并且认为油料与榨膛内壁接触不产生滑移,压榨中油料充满榨膛。

图2螺杆流场域

选用四面体单元对流场进行网格划分,结果如图3所示。螺杆为钢材,建模时考虑重力,重力加速度为9.8m/s2。采用欧拉多相流模型,将物料设置为第一相,油设置为第二相。设置油的导热系数0.0242w/(m·K),密度900kg/m3,比热容1006.43J/(kg·K),黏度0.01Pa·s。

将左侧流道入口设为压力进口端,压力的范围为6~8MPa:右侧端口设为压力出口端,为大气压:榨膛内温度范围为60~80℃:外壁面设为第三类边界条件,设置换热系数为5w/(m2·K),螺杆以40r/min匀速转动,采用sIMPLEC算法,设置最大迭代步数为2000,对流场进行求解计算。

图3流场域网格

2仿真分析

随着螺杆转动带动油中粒子的运动,流场中油的体积分数也会发生变化,如图4所示,可以在纵截面上看到花生油体积分数的分布,进口端的体积分数小于出口端的体积分数,主要是因为油料一开始进入到输送段,受螺旋转动的影响向前输送,油的体积分数相对较小,随后进入到一级压榨阶段,油料受到的螺杆与榨膛挤压作用变大,此时油的体积分数开始逐渐变大,再顺序进入到二到五级压榨段,压榨效果越来越明显,体现了充分压榨的过程。

图4螺杆纵截面的浓度分布

为了充分展示压榨过程,设定压力值不变,观察温度改变对油的体积分数产生的影响,如图5所示。

设定温度不变,观察压力改变对油的体积分数产生的影响,如图6所示。

从图5可以看出,随着温度的升高,油的体积分数是逐渐变大的,因此温度的变化会对油的体积分数产生影响,在一定范围内,温度越高,体积分数就越大。从图6可以看出,随着压力的升高,体积分数也是逐渐变大的,因此压力的作用也会对油的体积分数产生影响,在一定范围内,压力越大,体积分数越大。

3结语

本文采用计算流体力学原理,研究了螺杆压榨机榨膛内流体浓度的变化情况,通过流固耦合分析,得到榨膛内纵横界面流体浓度变化,并考虑温度和压力的变化。结果表明,体积分数随着压榨进程发生变化,基本呈现递增状态:在一定范围内,压力不变时,温度越高,体积分数越大:温度不变时,压力越大,体积分数也越大。