CN114279125B - 人造肉挤压用冷却系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种人造肉挤压用冷却系统的设计方法，包括步骤：计算冷却模头的设计体积系数；计算物料在物料出口设计剪切率；根据体积系数、剪切率，物料流道的长度和高度，涉及计算得到物料流道的宽度；确定物料在物料流道内的设计物料滞留时间；计算冷却水的流量；对涉及冷却水道排布形式进行流体力学仿真模拟；将仿真模拟计算结果与设计参数对比，并选择误差最小的冷却水道排布形式；根据真模拟计算结果计算模温机模块的制冷功率。还提出由上述设计方法得到的人造肉挤压用冷却系统，可以抑制挤压出料的膨胀效果，并使物料在出模具前形成稳定的平流，从而达到理想的拉丝效果。
Description
技术领域
本申请涉及人造肉制造设备技术领域,尤其是涉及一种人造肉挤压用冷却系统及其设计方法。
背景技术
植物基人造肉，尤其是高湿人造肉(HMMA)是有效降低由传统畜牧业，肉类加工等造成的大量能源损耗，环境污染及大宗原料浪费的新兴产业。利用挤压生产的高湿人造肉可以在保证人类所需必要各类氨基酸的同时，可提供最接近真实肉类的口感及咀嚼感。为保证挤压高湿人造肉的理想质构特性，理想的拉丝效果是关键的技术核心。在现有技术中公开了冷却模具的不同设计，他们在以上技术点中都存在缺陷，导致冷却效果不理想，温度场无法形成泊肃叶分布，最终无法形成理想的拉丝效果及质构特性。
发明内容
基于此，有必要针对现有冷却系统无法使人造肉形成理想的拉丝效果及质构特性的问题，提出一种具有人造肉挤压用冷却系统的设计方法。
一种人造肉挤压用冷却系统的设计方法，所述冷却系统包括冷却模头、模温机模块，所述冷却模头包括物料流道、冷却水流道，所述物料流道包括物料入口和物料出口，所述物料入口用于接收挤压后的物料，所述物料出口用于排出物料，所述模温机模块用以向冷却水流道输送冷却水，所述方法包括如下步骤：
步骤1:利用式1计算得到冷却模头的设计体积系数K：
其中，Qdie为经过所述物料流道的设计物料流量，ΔP为物料经过所述物料流道后的设计压力降，μ为物料在物料出口处的设计粘度；
步骤2:利用式2计算得到物料在物料出口设计剪切率γ：
其中，T为物料在物料出口的设计出料温度，μ为物料在物料出口处的设计粘度；
步骤3:将式3代入式2，得到关于W和H的方程，并再和式4建立方程组以计算得到物料流道的宽度W：
其中，L为物料流道长度，H为物料流道高度；
步骤4:确定物料在物料流道内的设计物料滞留时间；
步骤5:利用式5计算得到冷却水流道内冷却水流量Qcoolant；
其中，D为冷却水流道内径，U为冷却水流速；
步骤6:根据物料流道长度L、物料流道高度H、物料流道的宽度W和冷却水流道内冷却水流量，结合至少一种冷却水流道排布方式，分别利用流体力学仿真软件模拟计算得到至少一组模拟结果，所述模拟结果包括物料滞留时间、出料温度、压力降、冷却水在冷却水流道出口处温度、冷却水在冷却水流道入口处温度、冷却水质量流量、冷却水的比热；
步骤7:将每组模拟结果中的物料滞留时间、出料温度、压力降分别与设计物料滞留时间、设计出料温度、设计压力降对比，并将误差最小且在误差设定范围内的一组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案；
步骤8:根据模拟结果，利用式6计算模温机模块所需的制冷功率Wcooling：
Wcooling＝cp*(Toutet-Tntet)*Mcooling， 式6
其中，其中，cp为冷却水的比热；Toutlet为冷却水在冷却水流道出口处温度，Tinlet为冷却水在冷却水流道入口处温度，Mcooling为冷却水质量流量。
上述设计方法，基于泊肃叶方程，设计冷却模头的尺寸后，将这些尺寸和设计的冷却流道排布形式利用流体力学仿真软件模拟计算，并根据模拟技术结构计算模温机模块所需的制冷功率，这样可以保证物料在冷却模头中的降温效果，并实现温度场的泊肃叶分布，保证冷却模头能使物料出模具前形成稳定的平流，从而达到理想的拉丝效果。
在其中一个实施例中，所述物料的设计粘度μ的范围为460Pas-470Pas。
在其中一个实施例中，所述步骤5包括：
步骤5.1：根据式7计算冷却水流速U：
其中，Re为冷却水的设计雷诺数，ρ为冷却水密度，μ1为冷却水的运动粘度；
步骤5.2：将步骤5.1的计算结果代入式6。
在其中一个实施例中，所述设计雷诺数不低于5000。
在其中一个实施例中，所述设计物料流量Qdie为100kg/小时，所述物料密度为1500g/G,所述设计压力降为18Bar，所述设计粘度为470Pas，所述设计出料温度为90℃，所述物料流道的长度为2000mm，所述物料流道的高度为10mm，所述物料流道的宽度为150mm；所述设计物料滞留时间为110s-120s，所述冷却水的设计雷诺数为60000,所述冷却水流道的内径为16mm，所述冷却水的粘度为0.001Pas。
在其中一个实施例中，所述物料由以下成分组成：按照质量比，包括38％豌豆分离蛋白，2.5％谷阮粉，2.5％马铃薯淀粉，2％豌豆粕及55％水。
在其中一个实施例中，所述误差设定范围包括：模拟结果中的出料温度与设计出料温度的误差在0.2％内，模拟结果中的压力降与设计压力降在1％内，模拟结果中的物料滞留时间与设计物料滞留时间误差在4％内。
在其中一个实施例中，所述冷却模头包括模具本体，所述模具本体中设有所述物料流道和所述冷却水流道，所述物料流道沿模具本体的长度方向延伸，所述物料流道在所述长度方向上的两端分别具有物料入口和物料出口；所述冷却水流道设置在所述物料流道的外围，且沿所述长度方向，所述冷却水流道呈绕所述物料流道的螺旋型的单向流道，所述冷却水流道的冷却水入口靠近所述物料出口，所述冷却水流道的冷却水出口靠近所述物料入口。
在其中一个实施例中，所述冷却水流道包括沿模具本体的宽度方向延伸的多个第一通道和多个第二通道，在所述模具本体的高度方向上，所述第一通道和所述第二通道分别位于所述物料流道的两侧；且沿所述长度方向，所述第一通道和所述第二通道交替排列，相邻的所述第一通道和所述第二通道通过第三通道首尾串联连通。
一种人造肉挤压用冷却系统，由所述的方法设计得到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例食品挤压系统的结构示意图。
图2为本申请一实施例人造肉挤压用冷却系统的设计方法的流程图。
图3为本申请一实施例食品挤压系统中冷却模头沿长度方向的截面示意图，包括多个沿长度方向拼接的冷却模头。
图4为图3中沿A-A平面截取的剖面图。
图5为图4中B-B平面截取的剖面图。
图6为图4中C-C平面截取的剖面图。
图7为图4中D-D平面截取的剖面图。
图8为冷却模头中第一通道、第二通道首尾串联连通的简化示意图。
图9为利用流体力学仿真软件对图4至图8所示的冷却模头进行模拟时物料滞留时间分布图。
图10为利用流体力学仿真软件对图4至图8所示的冷却模头进行模拟时的温度变化趋势图。
图11为利用流体力学仿真软件对图4至图8所示的冷却模头进行模拟时的压力变化图。
图12为利用本申请的设计方法对图4至图8所示的冷却模头进行模拟时的冷却水流动状态模拟图。
图中的相关元件对应编号如下：
100、食品挤压系统；10、挤压机；110、挤压腔；114、出口；120、动力装置；20、冷却模头；210、模具本体；211、第一侧面；212、第二侧面；213、顶面；214、底面；220、物料流道；221、物料入口；222、物料出口；230、冷却水流道；231、冷却水入口；232、冷却水出口；233、第一通道；234、第二通道；235、第三通道；240、密封塞；30、调质器。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请的实施例提出一种人造肉挤压用冷却系统，旨在解决如何使人造肉形成理想的拉丝效果及质构特性的问题。
为方便理解，下面先结合一实施例对本申请的人造肉挤压用冷却系统所参与构成的、可制备人造肉的食品挤压系统100做简要说明。如图1、图3和图4所示，本申请一实施例的食品挤压系统包括挤压机10、冷却模头20、调质器30、模温机模块40。挤压机10包括挤压腔110、动力装置120。调质器30用以对物料进行调质，利于后续对物料的挤压，调质器30将调质后的物料导入挤压机10的挤压腔110中。冷却模头20、模温机模块40形成本申请的人造肉挤压用冷却系统。冷却模头20与挤压机10的出口114连通。冷却模头20中设有供挤压后的物料通过的物料流道220及对物料进行冷却的冷却水流道230。挤压后的物料进入冷却模头20中，并经过冷却模头20的冷却从而形成拉丝效果。模温机模块40用以向冷却模头20中提供冷却水。必须说明，本申请中使用的术语冷却水仅为描述简洁之目的，其是各种可能的冷却介质的统称，包含了各种可能的冷却介质。
冷却模头20、模温机模块40是形成理想拉丝效果的核心部件。申请人研究发现，当冷却模头20中物料温度场能够形成泊肃叶分布时，冷却模头20会具有较好的冷却效果，能够获得理想拉丝效果。
基于上述考虑，申请人进过深入研究，基于泊肃叶方程设计冷却模头20，以抑制挤压出料的膨胀效果，并使物料在出模具前形成稳定的平流，从而达到理想的拉丝效果。同时，模温机模块并根据冷却水设计所需雷诺数配备合理的泵浦，从而设定冷却水流量及温度控制，实现物料在冷却模头中的降温效果，并实现温度场的泊肃叶分布。
人造肉挤压用冷却系统的设计方法的原理如图2所示，计包括步骤：算冷却模头的设计体积系数；计算物料在物料出口设计剪切率；根据体积系数、剪切率，物料流道的长度和高度，涉及计算得到物料流道的宽度；确定物料在物料流道内的设计物料滞留时间；计算冷却水的流量；对涉及冷却水道排布形式进行流体力学仿真模拟；将仿真模拟计算结果与设计参数对比，并选择误差最小的冷却水道排布形式；根据真模拟计算结果计算模温机模块的制冷功率。
下面详细描述人造肉挤压用冷却系统的设计方法的实施步骤。
步骤1：利用式1计算得到冷却模头的设计体积系数K。
具体的，根据已知泊肃叶方程在圆管中的应用变形公式：
设计本申请的冷却模头的体积系数K的计算公式，如式1：
其中，Qdie为经过所述物料流道的设计物料流量，ΔP为物料经过所述物料流道后的设计压力降，μ为物料在物料出口处的设计粘度。即将上述变形公式中除Qdie，ΔP，μ外的其他变量的结合概括称为体积系数K，体积系数K包含了物料流道的宽度和高度。设计物料流量即为冷却模头的设计预期产能。设计粘度则为设计的预期粘度。根据常用物料特点，设计粘度μ的范围为460Pas-470Pas。ΔP为预期的物料在物料流道的物料入口和物料出口处的压力下降值。
步骤2：利用式2计算得到物料在物料出口设计剪切率γ。
其中，T为物料在所述物料出口的设计出料温度。
步骤3:将式3代入式2，得到关于W和H的方程，并再和式4建立一元二次方程组并计算得到物料流道的宽度W：
其中，L为物料流道长度，H为物料流道高度。
物料流道长度L和高度H可理解为设计冷却系统时的已知参数。它们可根据机加工工艺流程、空间等因素而设计。
上述的式3是设计剪切率γ与设计物料流量Qdie、物料流道宽度W、物料流道高度H的关系式。式4则是体积系数K与物料流道宽度W、物料流道高度H、物料流道长度的关系式。
式3代入式2，即将式2中的γ用代替，得到关于W和H的方程。该方程在于再和式4建立方程组，由于H已知，对该方程组求解可得到物料流道宽度W。
步骤4:确定物料在物料流道内的设计物料滞留时间。本步骤中，基于试验及经验数据，为了使物料在速度场及温度场达稳态，确定物料在物料流道内的设计滞留时间。物料滞留时间指同一部分的物料自物料流道的物料入口流入至物料出口所需要的时间。
步骤5:利用式5计算得到冷却水流道内冷却水流量Qcoolant；
其中，D为冷却水流道内径，Qcoolant为却介质流道内冷却水流量。
步骤6:根据物料流道长度L、物料流道高度H、物料流道的宽度W和冷却水流道内冷却水流量，结合至少一种冷却水流道排布方式，分别利用流体力学仿真软件模拟计算得到至少一组模拟结果，所述模拟结果包括物料滞留时间、出料温度、压力降、冷却水在冷却水流道出口处温度、冷却水在冷却水流道入口处温度、冷却水质量流量、冷却水的比热。
本步骤中，上述计算得到的出料装置流道核心尺寸及冷却水道冷却水流量，将不同冷却水道排布形式的算例分别导入流体力学仿真软件(例如ANSYS FLUENT)，模拟计算得到多组模拟结果。每组的模拟结果至少包括物料滞留时间、出料温度、压力降。可以理解地，当只有一种冷却水流道排布方式时，得到一组模拟结果。
步骤7:将每组模拟结果中的物料滞留时间、出料温度、压力降分别与设计物料滞留时间、设计出料温度、设计压力降对比，并将误差最小且在误差设定范围内的一组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案。
本步骤中，各组模拟结果均与设计参数对比并将误差最小且在误差设定范围内的一组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案。例如，有三组模拟结果，三组模拟结果与设计参数的误差均在误差设定范围内，则取误差最小的一组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案。又例如，有三组模拟结果，其中前两组与设计参数的误差超出误差设定范围，第三组模拟结果与设计参数的误差在误差设定范围内，则取第三组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案。
一些实施例中，误差设定范围包括：模拟的出料温度与设计出料温度的误差在0.2％内，模拟的压力降与设计压力降在1％内，模拟的物料滞留时间与设计物料滞留时间误差在4％内。
可以理解地，冷却模头的最终设计方案包括冷却水流道排布方式，此外还包括冷却模头的长、宽、高尺寸、物料流道的内径等参数。
步骤8:根据模拟结果，利用式6计算模温机模块所需的制冷功率Wcooling：
Wcooling＝p*(Touttet-Tntet)*Mcooling， 式6
其中，cp为冷却水的比热；Toutlet为冷却水在冷却水流道出口处温度，Tinlet为冷却水在冷却水流道入口处温度，Mcooling为冷却水质量流量。
本步骤中，可计算出模温机模块所需要的制冷功率Wcooling。结合前文，模温机模块所要提供的冷却水流道内冷却水流量也已经计算得到，故模温机模块的制冷功率、流量供给能力均已经确定。
通过上述的步骤1至步骤8，可以确定冷却水流道排布方式符合要求的冷却模头的尺寸参数；及确定模温机模块的制冷功率、流量供给能力。从而利用上述的方案，可以设计得到一种符合要求的人造肉挤压用冷却系统的设计方案。
本申请的一些实施例中，步骤5包括：
步骤5.1：根据式7计算冷却水流速U：
其中，Re为冷却水的设计雷诺数，ρ为冷却水密度，μ1为冷却水的运动粘度。设计雷诺数可以理解为形成较为明显湍流现象的保险值，通常设计雷诺数下限在5000。冷却水流道内径D根据机加工工艺要求及模温机泵浦配到管路标准设计。
步骤5.2：将步骤5.1的计算结果代入式6。
下面结合一实施例说明本申请的设计方法的应用过程及其效果。
以下以某植物基人造肉配方作具体说明，此配方按照质量比：包含38％豌豆分离蛋白，2.5％谷阮粉，2.5％马铃薯淀粉，2％豌豆粕及55％水。
以图3至图8的冷却模头所涉及的冷却水流道排布形式为例进行设计。下面先对该冷却模头做简要说明。
结合图3至图8所示，本申请的一些实施例中，冷却模头20包括模具本体210，模具本体210中设有物料流道220和冷却水流道230，其中物料流道220沿模具本体210的长度方向延伸，物料流道220在长度方向上的两端分别具有物料入口221和物料出口222。物料入口221用于与挤压腔110的出口114连通。本申请的实施例中，为方便说明，使用长度、宽度和高度等术语来限定模具本体210三维空间内的延伸方向。具体到图1中，模具本体210的长度方向与挤压腔110中螺杆113的轴向一致，大致沿水平方向。模具本体210的宽度方向则为垂直图面的方向。模具本体210的高度方向则沿竖直方向。
为了可能的保证传热均匀性，以对物料尽量均匀冷却。如图3至图8所示，冷却水流道230设置在物料流道220的外围，且沿模具本体210的长度方向，冷却水流道230呈绕料流道220螺旋前进的单向流道，其中冷却水流道230的冷却水入口231靠近物料流道220的物料出口222，冷却水流道230的冷却水出口232靠近物料流道220的物料入口221。冷却水例从冷却水入口231流入，然后单向流动并从冷却水出口232流出，这样可以保证冷却水先进先出，从而能够对物料均匀冷却的同时减少能耗浪费。具体的，冷却水环绕物料流道220螺旋前进，使得在物料通道的周向上不存在冷却死角，从而实现均匀冷却。冷却水先进先出，使得冷却水的冷却能力得到充分利用，从而降低了能耗。冷却水自物料流道220的物料出口222朝向物料流道220的物料入口221流动，而冷却水在冷却水入口231处为平流，使得物料在物料出口222处形成平流。而冷却水在冷却水入口231以外的其他位置为湍流，能够有效地对物料进行冷却。
必须说明，本申请中使用的术语冷却水仅为描述简洁之目的，其是各种可能的冷却介质的统称，包含了各种可能的冷却介质。
为了方便设置上述的螺旋前进的单向流道，一些实施例中，结合图3至图8所示，冷却水流道230包括沿模具本体210的宽度方向延伸的多个第一通道233和多个第二通道234。物料在第一通道233和第二通道234内的流向均沿模具本体210的宽度方向。在模具本体210的高度方向上，第一通道233和第二通道234分别位于物料流道220的两侧。即第一通道233和第二通道234位于物料流道22的上下两侧。沿模具本体210的长度方向，第一通道233和第二通道234交替排列，相邻的第一通道233和第二通道234通过第三通道235依次首尾串联连通。
这里的首尾串联连通指：上游的第一通道233的尾端与下游的相邻第二通道234的首端利用一个第三通道235连通；下游的第二通道234的尾端则与再下游的第一通道233的头部利用另一个第三通道235连通。如此循环，多个第一通道233和多个第二通道234依次首尾串联连通，形成沿模具本体210长度方向的螺旋型的单向流道。需要说明的是，模具本体210的长度方向两端的第一个通道具体为第一通道233或第二通道234并无限制。因此，冷却水流道230的冷却水入口231可以与第一通道233连通，也可以是与第二通道234连通。类似地，冷却水流道230的冷却水出口232可以与第一通道233连通，也可以是与第二通道234连通。
示意性的，模具本体210大致呈长方体状，其包括均平行于长度方向的第一侧面211、第二侧面212及顶面213和底面214，顶面213和底面214均连接第一侧面211和第二侧面212。
第一通道233开口于第一侧面211。第一通道233靠近模具本体210的顶面213。第一通道233朝向第二侧面212延伸但未贯通第二侧面212。第一通道233在第一侧面211上的开口通过密封塞240封堵。第一通道233的靠近第一侧面211处称之为第一通道233的首端，第一通道233的靠近第二侧面212处称为第一通道233的尾端。
第二通道234开口于第二侧面212。第二通道234靠近模具本体210的底面214。第二通道234朝向第一侧面211延伸但未贯通第一侧面211。第二通道234在第二侧面212上的开口通过密封塞240封堵。第二通道234的靠近第一侧面211处称之为第二通道234的尾端，第一通道233的靠近第二侧面212处称为第二通道234的首端。
如图7所示，第三通道235斜向设置，其从物料流道22的一侧经过以连通前后相邻的第一通道233和第二通道234。第三通道235在顶面213的开口通过密封塞240封堵。具体地，结合参考图1和图7，第三通道235设置有两排，其中第一排的第三通道235开口于模具本体210的顶面213且开口处靠近模具本体210的第一侧面211，第二排的第三通道235则开口于模具本体210的底面214且开口处靠近模具本体210的第二侧面212。顶面213的第三通道235将第一通道233的靠近第二侧面212的尾端与下游相邻的第二通道234的靠近第二侧面212的首端连通；底面214的第三通道235将下游相邻的第二通道的靠近第一侧面211的尾端与再下游的第一通道233的靠近第一侧面211的首端连通。
参考图8的示意图，下面以沿模具本体210长度方向的其中连续排列三个通道的连通为例进行说明，三个通道依次为第一通道233(A)、第二通道234和第一通道233(B)。
第一通道233(A)的首端被封闭，第一通道233(A)的尾端通过第一排的第三通道235中的一个第三通道235连通至第二通道234的首端；第二通道234的尾端则通过第二排的第三通道235中的一个第三通道235与第一通道233(B)的首端连通。依次类推，相邻的第一通道233和第二通道234通过第三通道235依次首尾串联连通且形成螺旋前进的单向流道。
通过上述方式，通过开设斜向的第三通道235依次串联连通直线型的第一通道233和第二通道234，即可形成螺旋前进的单向流道。螺旋前进的单向流道的构成中大部分为直线型通道，设计制造较为容易。
下面介绍如何实施本申请的设计方法。
一、根据本发明所配备的挤压设备预期产能100kg/小时(即设计物料流量)，出料装置内物料密度1225g/L，物料经过所述物料流道后的设计压力降18Bar及物料在物料出口处的设计粘度470Pas，利用式一计算得到K＝5.88mm2。
二、确定涉及出料温度为90℃即363K，计算得到设计物料出口处的剪切率。
三、根据机加工工艺及流程工艺，设计出料装置总长度L＝2000mm，根据加工工艺及物料传热能力，设计出料装置的流道高度H＝10mm.
根据前文的步骤3，利用式2、式3、式4计算得到W约为150mm。
四、基于试验及经验数据，为了使物料在速度场及温度场达稳态，确定物料流道内的设计物料滞留时间为110-120s。
五、根据冷却水流道道内冷却水需要达到湍流的设计要求，设计冷却水道内冷却水的雷诺数为60000。根据机加工工艺要求及模温机泵浦配到管路标准设计冷却水道内径为16mm，取冷却水粘度为0.001Pas。
计算得到冷却水道的冷却水流量Qcoolant＝45L/min，
六、根据物料流道的长、宽、高尺寸、冷却水流量，将上述图3至图8的冷却水道排布形式导入流体力学仿真软件ANSYSFLUENT19.0，进行多次模拟计算，本实施例中，仅针对一特定的冷却水排布形式进行设计及仿真模拟。
结果如图9至图12以及表1所示，其中图9和表1为追踪颗粒在出料装置流道内的滞留时间分布变化，具体做法为：在出料装置流道入口横截面注入一定数目追踪颗粒(仿真软件中采用的灰质颗粒)，并在出口处的横截面捕捉瞬时颗粒浓度；图10为物料温度变化趋势图，图11为物料温度变化趋势图，图12为冷却水流动状态模拟图。
表1
七、计算模温机模块需要的制冷功率Wcooling。
Wcooling＝cp*(Toutlet-Tinlet)*Qcoolant*ρcoolant＝8.8kw
这里cp为Tinlet＝90℃，Toutlet＝92.8℃，Qcoolant＝45L/min，ρcoolant＝1Kg/L。
效果验证说明：
基于图8和表1，将仿真计算得到的物料的滞留时间与设计滞留时间进行对比，发现多次模拟结果的平均物料滞留时间为113.5s，误差为4％，符合设计要求。
基于图9，将仿真计算得到的出料温度与设计出料温度对比，误差为0.2℃，误差控制在0.2％以内，符合设计要求。
基于图10，将仿真计算得到的物料的压力降与设计压力降对比，误差为0.2Bar，误差控制在1％以内，符合设计要求。
如图11所示，通过在冷却水流道的出口横截面注入一定数目追踪颗粒，并在3.06s内显示所有追踪颗粒在冷却水道内的分布。可以看到，除去靠近冷却入口处的冷却水为平流状态，绝大部分冷却水达到湍流状态，符合设计要求。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种人造肉挤压用冷却系统的设计方法，所述冷却系统包括冷却模头、模温机模块，所述冷却模头包括物料流道、冷却水流道，所述物料流道包括物料入口和物料出口，所述物料入口用于接收挤压后的物料，所述物料出口用于排出物料，所述模温机模块用以向冷却水流道输送冷却水，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1:利用式1计算得到冷却模头的设计体积系数K：
其中，Qdie为经过所述物料流道的设计物料流量，ΔP为物料经过所述物料流道后的设计压力降，μ为物料在物料出口处的设计粘度；
步骤2:利用式2计算得到物料在物料出口设计剪切率γ：
其中，T为物料在物料出口的设计出料温度，μ为物料在物料出口处的设计粘度；
步骤3:将式3代入式2，得到关于W和H的方程，并再和式4建立方程组以计算得到物料流道的宽度W：
其中，L为物料流道长度，H为物料流道高度；
步骤4:确定物料在物料流道内的设计物料滞留时间；
步骤5:利用式5计算得到冷却水流道内冷却水流量Qcoolant；
其中，D为冷却水流道内径，U为冷却水流速；
步骤6:根据物料流道长度L、物料流道高度H、物料流道的宽度W和冷却水流道内冷却水流量，结合至少一种冷却水流道排布方式，分别利用流体力学仿真软件模拟计算得到至少一组模拟结果，所述模拟结果包括物料滞留时间、出料温度、压力降、冷却水在冷却水流道出口处温度、冷却水在冷却水流道入口处温度、冷却水质量流量、冷却水的比热；
步骤7:将每组模拟结果中的物料滞留时间、出料温度、压力降分别与设计物料滞留时间、设计出料温度、设计压力降对比，并将误差最小且在误差设定范围内的一组模拟结果所对应的冷却水流道排布方式作为最终设计方案；
步骤8:根据模拟结果，利用式6计算模温机模块所需的制冷功率Wcooling：
Wcooling＝cp*(Toutlet-Tinlet)*Mcooling，式6
其中，其中，cp为冷却水的比热；Toutlet为冷却水在冷却水流道出口处温度，Tinlet为冷却水在冷却水流道入口处温度，Mcooling为冷却水质量流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料的设计粘度μ的范围为460Pas-470Pas。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤5.1：根据式7计算冷却水流速U：
其中，Re为冷却水的设计雷诺数，ρ为冷却水密度，μ1为冷却水的运动粘度；
步骤5.2：将步骤5.1的计算结果代入式6。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设计雷诺数不低于5000。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计物料流量Qdie为100kg/小时，所述物料密度为1500g/G,所述设计压力降为18Bar，所述设计粘度为470Pas，所述设计出料温度为90℃，所述物料流道的长度为2000mm，所述物料流道的高度为10mm，所述物料流道的宽度为150mm；所述设计物料滞留时间为110s-120s，所述冷却水的设计雷诺数为60000,所述冷却水流道的内径为16mm，所述冷却水的粘度为0.001Pas。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述物料由以下成分组成：按照质量比，包括38％豌豆分离蛋白，2.5％谷阮粉，2.5％马铃薯淀粉，2％豌豆粕及55％水。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述误差设定范围包括：模拟结果中的出料温度与设计出料温度的误差在0.2％内，模拟结果中的压力降与设计压力降在1％内，模拟结果中的物料滞留时间与设计物料滞留时间误差在4％内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却模头包括模具本体，所述模具本体中设有所述物料流道和所述冷却水流道，所述物料流道沿模具本体的长度方向延伸，所述物料流道在所述长度方向上的两端分别具有物料入口和物料出口；所述冷却水流道设置在所述物料流道的外围，且沿所述长度方向，所述冷却水流道呈绕所述物料流道的螺旋型的单向流道，所述冷却水流道的冷却水入口靠近所述物料出口，所述冷却水流道的冷却水出口靠近所述物料入口。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷却水流道包括沿模具本体的宽度方向延伸的多个第一通道和多个第二通道，在所述模具本体的高度方向上，所述第一通道和所述第二通道分别位于所述物料流道的两侧；且沿所述长度方向，所述第一通道和所述第二通道交替排列，相邻的所述第一通道和所述第二通道通过第三通道首尾串联连通。
10.一种人造肉挤压用冷却系统，其特征在于，由权利要求1所述的方法设计得到。
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