一種油水混合油炸機的結構設計與熱-力耦合仿真

韓小偉 夏小群

摘要：針對傳統油炸鍋炸油容易變質、殘渣難以排除以及油溫過高容易產生有害物質等問題，設計了一款小型水油混合油炸式油炸機，主要進行了油炸機的結構設計、溫控系統設計及關鍵零部件的熱一力耦合仿真。采用AT89C51片機實現了對油層進行溫度控制，使油溫在0～200℃之間按設定溫度可調，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產生有害物質，保證食物更加健康。使用ANAYS Workbench有限元分析單元，在同時設定溫度和栽荷約束的情況下，對油炸鍋和外部框架進行熱力耦合分析。通過一組實例試算可知，油炸機有限元模型上的最大受力點位于油炸鍋鍋體上部，強度足夠，兩個核心部件的設計滿足熱力要求。

關鍵詞：油水混合;油炸機;結構設計;熱力耦合仿真

中圖分類號：TS203

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492 f 2022）02-0137-04

0 引言

傳統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致油炸出來的食物口感變差、殘渣需要人工清理、在進行清理的過程中要將其連同廢油全部倒掉而造成油的嚴重浪費，以及食物殘渣不及時清理造成的高溫油炸炭化等問題[1-3]。

針對上述問題，開發出一款濾渣方便、節約成本并能防止油溫過快升高的油炸機。設計了一款采用水油混合式油炸機。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分層的液體結構來進行油炸的。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。油水在混合后會自動分層，上層的是油，密度小，在加熱后放人食品進行油炸;下層是密度大的水，下沉的食物殘渣由水層接受[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，減少有害物質的生成[5-6]。此外，在油炸過程中，食物殘渣在高溫油層中因為碳化形成的油炸會自動落入水層，油炸積累沉淀到油箱底部[7]。設定殘渣分離器自動排渣頻率，可以定期進行殘渣排出，避免殘渣持續油炸而產生有害物質。同時，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，使炸出的食品細膩、柔軟具有金黃的色澤[8]。

本文設計的油炸機有以下4個特點。（1）食物品質好。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生的食物殘渣會在脫離高溫油層后落入殘渣分離器，并自動從水層中排出，當高溫油層中的水分含量不足時，水層能為高溫油中提供適當的水分，使得炸制成的食物不至于出現被炭化的情況，能夠大大減少致癌物質產生。滿足了食用者對于油炸類食品安全健康的需求。（3）環保。電加熱方式是本次智能油炸機的加熱方式，相比其它幾種加熱方式，能源的損耗較少，節約了能源。（4）節油。本次設計的智能油炸機采用水油混合油炸方式，通過加熱油層中部來炸制食品，控制不同油層的溫度，降低炸油的氧化程度，從而延長炸油的使用壽命[9]。

1 結構設計

該油炸機主要用于家庭、小作坊油炸食品的生產，具備輕巧、方便搬運的特點。其機械結構設計主要考慮外形、體積、重量、承載能力等因素，其主要結構有外部框架、油炸鍋、殘渣分離器、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構，選擇食品級304不銹鋼。殘渣分離器因與水接觸，為了減少生銹、腐蝕等情況的發生，材料選用普通不銹鋼。

1.1 主要零部件的結構設計

為了最終實現對油炸機進行熱一力耦合分析，本文采用Creo進行了油炸機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、殘渣分離器和外部框架的結構和三維模型。

（1）油炸鍋

油炸鍋為炸制過程中食物和油的主體容器，其總體結構分為兩個部分，一部分長方體，一部分為錐形。長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渣通過鍋壁滑人殘渣分離器中，從而進行殘渣的收集和除去。其結構如圖1所示。

（2）殘渣分離器

殘渣分離器的主要功能是為了實現收集和分離殘渣。殘渣在油炸的過程中，通過油層和水層落入到殘渣分離器中。殘渣分離器的入水管和水管相連，落渣管和殘渣分離器的入水管相連。排渣管、掉渣管和進水管處均設有水閥，方便控制殘渣的收集的分離，需要排渣的時候，關閉落渣管的水閥開關，打開進水管和掉渣管的水閥開關，利用水流把殘渣分離器中殘渣沖出。殘渣分離器的主要結構為上下流道為圓柱管，中間儲渣部位為圓錐形，三維模型如圖2所示。

（3）外框架

外部框架需要承受來自油炸鍋、殘渣分離器、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外部框架采用不銹鋼材質，根據油炸機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、水箱和殘渣分離器等部件按照一定的裝配關系裝配起來。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，然后標識主組件及其相關特征，將各個零件按設計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 溫控系統設計

溫控儀結構主要由單片機、液晶顯示屏、風鳴器、溫度傳感器及電阻等組成。溫控系統通過溫度傳感器對油溫進行采樣、監控，操作者根據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，同時液晶顯示屏顯示實時油溫[10]。若當溫度上升至設定極限溫度值時，系統就會開始啟動報警。當溫度長時間沒有得到有效控制時，為了防止裝置損壞，需要進行相應的保護，可以通過跳閘來停止油炸機的工作。該溫度控制系統由主控制系統、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報警模塊和按鍵控制系統組成溫控儀總體電路設計框圖如圖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

油炸機在工作過程中，油炸鍋溫度變化范圍是25 -200℃。溫度的升高會直接影響到材料的力學性能，溫度的升高會使鋼材的強度下降，應變量也會增大。因此，利用ANSYS Workbench軟件進行油炸鍋和外部框架進行應力應變分析和熱耦合場分析。

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，它的安全系數足夠是油炸機品質的保障。利用Fluent在Workbench中的穩態熱穩定性和結構靜力對油炸鍋進行熱一力耦合分析。選用食品級304不銹鋼，添加材料為結構鋼。將Creo環境下的三維模型另存為x-t格式，再導入Workbench軟件[11]。

采用白由劃分網格的方式進行網格劃分，設置溫度為200℃，得到油炸鍋溫度場分布油炸鍋熱通量計算結果。油炸鍋內部受水油壓力作用，兩掛耳受約束作用，還受到殘渣分離器的拉力作用。設置靜力學分析條件時同時施加水油重力和液壓場，將溫度場導人靜力分析項目中，進行運算求解，油炸鍋的熱力耦合應力如圖7所示。由應力圖可知，最大應力為114 MPa，遠小于304不銹鋼的許用應力137 MPa。因此，在當前設計條件下，油炸鍋具有足夠的強度。

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，水油重力以及殘渣分離器的重力作用，同時在與油炸鍋掛耳接觸部位受到熱傳導作用，外部框架是智能油炸機性能保證的主要部件之一，因此需要對其進行熱一力耦合分析。

設置框架方管與掛耳接觸處溫度設置為100℃。外部框架有腳輪支撐，先設置四角固定，又受油炸鍋重力、水油重力和殘渣分離器重力作用，對其施加邊界條件、設置靜力學分析條件[12]。將溫度場導入靜力分析項目中，通過運算求解后得到外部框架的熱力耦合應力分析如圖8所示。由圖可知，外部框架最大應力為303 MPa，遠小于304不銹鋼方管屈服強度410 MPa。因此，在當前設計條件下，外部框架具有足夠的強度。

4 結束語

本文設計了一款采用水油混合方式進行式油炸的油炸機。利用油水互相不融合、密度大小不同、液體白動分層的特征，實現了加熱中部油層，降低油的氧化程度，減少了有害物質的生成;同時，在油炸過程中，通過自動過濾系統，保證了殘渣及時排出，使炸出的食品細膩、柔軟具有金黃的色澤，同時也延長了炸油的使用壽命。采用采用AT89C51片機實現了對油層進行溫度控制，使油溫在0 - 200℃之間按設定溫度可調，油層下面的水溫保持在55℃以下，避免了油溫過高產生有害物質，保證食物更加健康。采用Creo進行了油炸機三維結構的設計，同時將模型導入利用ANSYS Workbench軟件，利用該軟件的中的穩態熱穩定模塊和結構靜力模塊對核心部位——油炸鍋和外部框架，進行熱一力耦合分析。分析結果顯示，在當前設計條件下，油炸鍋和外部框架具有合理的溫度場分布情況和足夠的強度，設計結果合理。

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