核桃殼仁氣流分離裝置分離腔流場(chǎng)均勻性比較研究

朱占江，劉 奎，劉 佳，楊莉玲，祝兆帥，買合木江·巴吐爾，楊忠強(qiáng)

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院）

目前，新疆核桃種植面積為39.75萬(wàn)hm2，產(chǎn)量83.67萬(wàn)t[1]，產(chǎn)量位居全國(guó)第二。全區(qū)有20多個(gè)縣市集中栽培核桃，800余萬(wàn)人以核桃生產(chǎn)種植為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)新疆農(nóng)業(yè)的整體增效和農(nóng)民增收，尤其是對(duì)貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富具有重要的意義。核桃破殼后如何把核桃仁從殼仁混合物料中分離獲得干凈的核桃仁是實(shí)現(xiàn)核桃深加工的基礎(chǔ)，是提高核桃商品化率充分實(shí)現(xiàn)核桃經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要前提，而分離腔為核桃殼仁分離裝置關(guān)鍵組成部分，對(duì)殼仁分離起到至關(guān)重要的作用，開展對(duì)其的研究十分必要。

1 核桃殼仁分離裝置及分離腔介紹

該裝置主要由提升機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、分離腔、吸風(fēng)輸送管道、主風(fēng)管道、沉降箱組成。分離腔主要由分離腔體、限料調(diào)風(fēng)板、進(jìn)料口組成，如圖1、2。設(shè)備配套風(fēng)機(jī)22 kW，并聯(lián)6個(gè)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的分選機(jī)構(gòu)，分別完成4個(gè)等級(jí)核桃殼仁混合物料以及核桃分心木的分離收集。核桃破殼后殼仁混合物料經(jīng)分級(jí)，同一等級(jí)的核桃殼仁混合物進(jìn)入提升機(jī)，物料再經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)均勻喂入分離腔，通過(guò)風(fēng)力作用，實(shí)現(xiàn)殼仁混合物料的分離。其分離原理依據(jù)核桃殼仁混合物料懸浮速度的差異，輕的核桃殼在負(fù)壓的狀態(tài)下，由于風(fēng)速大于殼的懸浮速度克服殼自身重力，而向上運(yùn)動(dòng)被分離出去，重的核桃仁在經(jīng)過(guò)分離腔下沉收集，完成殼仁混合物料的分離。

圖1 核桃殼仁氣流分離裝置結(jié)構(gòu)示意

2 流場(chǎng)分析說(shuō)明

分離腔寬度b固定，長(zhǎng)度a、厚度c選取不同變量進(jìn)行流場(chǎng)分析，由于分離腔進(jìn)風(fēng)口有兩處，分別位于進(jìn)料口處與分離腔體下部斷面處，而從下部斷面進(jìn)風(fēng)以垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上行，分布較均勻，這里只分析從進(jìn)料口處進(jìn)去的風(fēng)經(jīng)方向變化后的均勻性。

圖2 分離腔結(jié)構(gòu)

3 不同幾何尺寸核桃殼仁分離腔流場(chǎng)均勻性比較分析

3.1 不同厚度分離腔流場(chǎng)均勻性比較分析

分離腔厚度選三個(gè)值：150 mm、120 mm、90 mm，分離腔長(zhǎng)度a=1 200 mm，而分離腔寬度與振動(dòng)給料機(jī)寬度相同b=450 mm，進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析。分離腔可分為三段，進(jìn)料口位置以下的區(qū)域氣流速度非常低不足以克服核桃仁的重力，在這個(gè)區(qū)域只起到沉降核桃仁的作用，而真正起到分離作用的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)料口正對(duì)部分及進(jìn)料口上部一段距離。分離區(qū)高度約400 mm左右，此區(qū)域風(fēng)速大于核桃殼懸浮速度而小于核桃仁懸浮速度，起到分離殼仁的作用。物料由振動(dòng)給料機(jī)出料口均勻流出后，經(jīng)過(guò)此分離區(qū)域與氣流交匯，氣流朝右上方運(yùn)動(dòng)，核桃殼和仁在氣流作用下進(jìn)行分選，分離區(qū)域以上可以看做物料快速輸送區(qū)，這個(gè)區(qū)域物料殼仁已經(jīng)分開，輕的核桃殼經(jīng)此區(qū)域進(jìn)入吸風(fēng)輸送管。

分離腔內(nèi)氣流的均勻性是影響設(shè)備分選效果以及設(shè)備能耗的主要問(wèn)題，不均性越大，流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生渦流的機(jī)會(huì)更多，能耗增加越明顯，對(duì)殼仁分離造成的不利影響更大。通過(guò)對(duì)不同厚度分離腔流場(chǎng)模擬，可以看到分離腔厚度從150mm減小至90mm后，分離腔進(jìn)料口一側(cè)內(nèi)零速度區(qū)域逐漸減小，說(shuō)明分離腔內(nèi)氣流不均勻性隨著分離腔厚度的減小得到了改善，從而降低了物料在零速度區(qū)域內(nèi)受重力不斷的沉降，受到鄰近非零速速區(qū)域氣流干擾又而不斷上升的概率，縮短了分離時(shí)間，降低了設(shè)備能耗。同時(shí)分離腔厚度減小，縮小了設(shè)備的體積，使其分離腔內(nèi)前側(cè)板臨近區(qū)域風(fēng)速增加，空間得到有效利用。分離腔厚度也不可無(wú)限縮小，將影響分離效率，試驗(yàn)結(jié)果表明在厚度c=90 mm時(shí)，可以滿足生產(chǎn)率300～400 kg/h及分離效果的設(shè)計(jì)要求，所以分離腔厚度定為90 mm。

圖3 不同厚度分離腔內(nèi)流場(chǎng)圖對(duì)比

3.2 不同長(zhǎng)度分離腔流場(chǎng)均勻性比較分析

同樣結(jié)構(gòu)的分離腔，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成能量損失越大，合理的優(yōu)化分離腔長(zhǎng)度對(duì)于提高有效分離段氣流速度、減小能量損失具有重要意義。選取分離腔長(zhǎng)度a=1 800 mm、1 500 mm、1 200 mm，分離腔寬度b=450 mm、厚度c=90 mm進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析（a=1 200 mm流場(chǎng)模擬見圖3：b=90 mm流場(chǎng)圖），從圖中流場(chǎng)分析可以看出，當(dāng)分離腔長(zhǎng)度減小，內(nèi)部風(fēng)速有所變化，而對(duì)整個(gè)分離腔流場(chǎng)均勻性影響較小，為提供殼仁混合物料在分離過(guò)程中，有足夠的分散均布空間，分離腔長(zhǎng)度不宜過(guò)小，項(xiàng)目組選取分離腔矩形管長(zhǎng)度為1 200 mm。

圖4 不同長(zhǎng)度分離腔內(nèi)流場(chǎng)圖對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

開展核桃殼仁分離腔流場(chǎng)均勻性研究，可為優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，提升分離腔內(nèi)部腔體空間的利用效率，節(jié)約設(shè)備研發(fā)成本及制作成本。同時(shí)為后續(xù)核桃殼仁氣流分離氣固兩相場(chǎng)研究提供一定的基礎(chǔ)。