一种水油混合式食品油炸机机械结构设计

曾毅翀，张含叶，郑厚斌，卢 宏，刘 对

（九江学院机械与材料工程学院，九江332005）

0 引言

当今社会，国家经济日益发达，老百姓的生活水平也日益得到改善，人们对食物的要求也由填饱肚子趋于健康饮食。在众多的美食中，油炸食品因其香气诱人、口感爽脆而备受人们的喜爱，但是油炸食品存在安全隐患[1]。食品在高温炸油环境中会生成油脂聚合物，这种物质会影响人体健康，此外油炸过程中脱落下来的食物残渣在高温油的反复作用下会生成大量的有害物质，危害人体健康。

油炸机是食品油炸的关键加工设备，食品油炸机有传统连续油炸机、水滤式油炸机和淋油式油炸机[2]。目前市场上常用的油炸机是水滤式油炸机，水滤式油炸机是利用油水不相溶、油水密度差的原理，使用时将油和水混合倒入油炸锅中。因为油的密度比水的密度小，所以油浮在水面上[3-5]。水滤式油炸机的主要问题是被反复煎炸所造成的油渣沉淀在油炸锅底部，不能方便地排出来，容易出现油质变坏，从而危害人体健康[6]。

基于上述原因，本文设计一种水油混合式油炸机，主要目的在于解决水滤式油炸机的排油渣问题，其次是改善炸油的加热方式。采用电热管对油层上部进行加热。油层下部和水的接触过渡区设置了空冷管，其作用是给下层炸油和水散热，保证电加热管上部的油层处于160℃～220℃之间，油水分界面温度保持在60℃以下。

1 油炸机的工作原理

油炸机的工作原理：在油炸的过程中，油炸机的截止阀9保持常开状态，截止阀13和15保持常闭状态，食物产生的残渣全部自动沉入油渣分离器10中。每炸制3～4 h清除一次油渣，在排渣过程中，首先需要关闭截止阀9，隔离油炸锅和油渣分离器，不影响油炸过程的进行。然后打开截止阀13和15，排空油渣分离器中的油渣。排完油渣后关闭截止阀13，干静的水重新充满油渣分离器，使炸油达到生态清洁效果。

分离沉降结构中的滤网5采用凹面圆孔结构，有利于油渣的沉降。油炸箱的底部采用面夹角为18°～25°的漏斗形结构，有利于油渣沉淀时的滑落，油炸锅底部与油渣分离器10相连，如图1所示。

图1 油炸机机械结构

2 油炸机的机械结构设计

油炸机的机械结构主要由外部框架3、油炸锅2、油渣分离器10和水箱16等组成。

2.1 外部框架

外部框架的主要作用是承载油锅、水箱和油渣分离器的重量。根据人们的身高条件和使用习惯，确定油炸机外部框架的尺寸为：长 ×宽 ×高=660 mm×760 mm×860 mm在满足使用要求的情况下，与槽钢和角钢相比，方管可以大大减轻结构的质量。综合考虑几种材料的性能后，最终决定使用截面为30mm×30 mm的方管。

2.2 油炸锅

油炸锅的尺寸由外部框架的结构尺寸确定。如图2所示，油炸锅由上下两部分组成，其中上部分为长方体，下部分为圆锥。长方体部分尺寸为：长×宽×高=500 mm×500 mm×220 mm，下部圆锥部分高100mm.

图2 油炸锅的三维模型

油炸锅材料选用食品级304不锈钢，采用3 mm钣金。

2.3 油渣分离器

油炸分离器结构是油炸机的核心部件，主要功能是及时排出油渣，保持炸油的清洁。

油渣分离器结构包括油渣分离器和与之相连的三根管，这三根管分别为落渣管、进水管和排渣管，如图3所示。其中，落渣管的上端与油炸锅相连，在油炸过程中食物的残渣会沉淀到油炸锅的漏斗形底部，经过落渣管，落到油渣分离器中。进水管的左端与水箱相连，在油渣分离器排渣过程中向油渣分离器内补充水源，冲洗油渣分离器底部的油渣，使之进入到排渣管中。排渣管安装在油渣分离器的底部，使油渣顺着排渣管排到外部。

图3 油渣分离器示意图

油渣分离器的材料采用食品级304不锈钢，采用2mm钣金。如图2所示，油渣分离器由上下两部分组成，其中上部分为长方体，下部分为圆锥。长方体部分尺寸为：长×宽×高=200 mm×200 mm×120 mm，下部圆锥部分高80mm.

2.4 水箱

水箱下方有两根方管支撑着水箱，水箱及水的重量由两根方管承受。水箱尺寸为：长×宽×高=600 mm×150mm×300mm，水箱材料选用304不锈钢，采用2mm钣金。

3 主要零件校核

外部框架的主要作用是承载油锅、水箱、和油渣分离器的重量，其中油炸锅与方管直接接触的地方方管承载力最大。因此在材料选择之后，还需要对外部框架进行强度校核。

下面以承载油炸锅的方管为例，对其承载能力进行校核。

油炸锅中水的体积：

油炸锅中油的体积：

则油炸锅中油和水的总质量为：

利用三维软件Solidworks建立油炸锅的模型（如图2所示），由于其材料为304不锈钢，在软件内根据模型先自动测量油炸锅的体积，然后设置其密度，最后获得油炸锅的质量m2=3.8 kg，因此油炸锅和油水的总质量为：

油炸锅和方管是面接触，油炸锅由四根方管支撑。

为了计算方便，假设集中力P作用在每根方管的中心。

P=m·g/4=54.89×9.8/4=134.48 N，跨度 L=500mm=0.5m，集中力到一侧支座的距离a=L/2=0.25 m，集中力到另一侧支座的距离a=L/2=0.25 m，则方管承载的弯矩为：

查手册知，常温下304不锈钢方管的许用应力为137 MPa，因此外部框架采用3 mm的方管满足要求。

最后加工出来的油炸机如图4所示。

图4 油炸机实物图

4 结论

本文首先介绍了油炸机的工作原理，接着对油炸机的机械结构进行设计，其机械结构主要由外部框架、油炸锅、油渣分离器和水箱组成，然后对其主要零部件进行校核，结果表明满足要求。最后，根据设计的理论加工出油炸机实物，在使用过程中发现该装置可以把油炸过程中的残渣沉淀到水中，并及时排出油炸机，使油始终保持清新，延长了油的使用寿命，降低了使用成本。