核桃破殼后殼仁混合物空氣動(dòng)力特性測(cè)定

馬佳樂，牛浩，張宏，劉揚(yáng) ，蘭海鵬 ，王法安，張永成*

（1塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

核桃營養(yǎng)物質(zhì)豐富，其含油率和不飽和脂肪酸高達(dá)60%和54%[1]，具有較好的醫(yī)療保健功效。從全球范圍來看，核桃是世界重要堅(jiān)果[2]，其產(chǎn)量僅次于杏仁，位居第二[3]，我國是核桃的原產(chǎn)地和主產(chǎn)地之一，核桃栽培歷史悠久，栽培面積和產(chǎn)量高居世界首位，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的25%左右[4]。新疆是我國重要的核桃產(chǎn)區(qū)之一，不僅核桃種植資源和產(chǎn)量十分豐富，而且個(gè)頭大、皮質(zhì)薄、品質(zhì)好，因而深受國內(nèi)外消費(fèi)者的喜愛[5]。近年來，種植面積和產(chǎn)量逐年增加[7-10]，如表1所示，已發(fā)展成為促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)林樹種。但長期以來，新疆的核桃深加工水平較低，基本上是以未加工的原材料進(jìn)行銷售，核桃的商品價(jià)值未能得到較好的發(fā)揮[6]。殼仁分離是核桃精加工和提高附加值的重要工序，是提高產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，已然成為核桃商品化過程中所面臨的一個(gè)亟待解決的問題。

表1 新疆核桃種植面積和產(chǎn)量

核桃通過破殼機(jī)破殼后，獲得的殼仁混合物主要有1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2殼、1/4殼、1/8殼、碎殼和碎仁、分心木等，必須及時(shí)進(jìn)行殼仁分離，去除雜質(zhì)。常規(guī)的清選方法是利用破殼后殼仁混合物的幾何尺寸、空氣動(dòng)力特性及密度等物理機(jī)械性能進(jìn)行清選，如氣流清選、篩選、氣流和篩子組合清選、密度分選等[11]。其中，氣流清選、風(fēng)篩組合分選結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，是最常用的分選方法，主要利用不同混合物組分之間空氣動(dòng)力學(xué)特性而達(dá)到分選的目的[12]。因此，探尋破殼后核桃殼仁混合物各組分的空氣動(dòng)力特性，掌握核桃氣流殼仁分離機(jī)理，對(duì)研制核桃殼仁分離設(shè)備，促進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有十分重要的意義。

對(duì)農(nóng)業(yè)物料空氣動(dòng)力特性的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，高連興等[12]、張繼成等[13]通過試驗(yàn)分別測(cè)定了大豆脫出物的漂浮速度和懸浮速度。馬征等[14]、陳翠英等[15]和陳立等[16]分別測(cè)定了油菜脫出物殼仁混合物的漂浮速度和懸浮速度，為油菜脫出物的氣流清選提供了參考。馬秋成[17]等對(duì)加工后的蓮子殼仁混合物組分進(jìn)行了空氣動(dòng)力特性理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，為蓮子氣力式殼仁分離獲取了最佳氣流速度范圍。侯華銘等[18]設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)物料懸浮速度測(cè)定裝置，測(cè)定了收獲期蕎麥、燕麥、谷子脫出物的懸浮速度。李光新[19]對(duì)新疆不同品種空、實(shí)仁核桃空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了理論研究。GORIAL B Y等[20]和GUPTA R K等[21]分別對(duì)谷物以及秸稈和葵花籽的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但針對(duì)新疆核桃破殼后殼仁混合物各組分進(jìn)行空氣動(dòng)力特性的研究，目前少見報(bào)道。

本文擬通過搭建的懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)定新疆溫185核桃破殼后殼仁混合物的空氣動(dòng)力特性，以期為新疆核桃殼仁分離設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用新疆主要種植核桃品種之一的溫185，產(chǎn)地為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師九團(tuán)。在實(shí)際作業(yè)過程中，核桃破殼后形成的殼仁混合物主要組分有1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2殼、1/4殼、1/8殼、碎殼和碎仁等8種成分，如圖1所示。為測(cè)定不同尺寸核桃破殼后殼仁混合物的懸浮速度差異，結(jié)合溫185核桃在橫向、縫向、縱向上尺寸集中分布的比例[22]，制樣前按表2將核桃分為三個(gè)等級(jí)，之后在各等級(jí)中隨機(jī)選取溫185進(jìn)行手工制樣，分別獲取1/2仁、1/4仁、1/8仁和1/2殼、1/4殼、1/8殼以及分心木，在生產(chǎn)中，碎殼和碎仁通過篩選后直接用于制取核桃油，因此試驗(yàn)過程中不予考慮[23]。

圖1 破殼后殼仁混合物組分

表2 核桃分類標(biāo)準(zhǔn)

物料懸浮速度不僅與其形狀有關(guān)，而且與含水率有關(guān)[24]，實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)樣品組分進(jìn)行含水率測(cè)定，分別測(cè)定核仁、殼的含水率。測(cè)試時(shí)，選取每種組分中其中一種成分各500 g，在105℃的烘箱中恒溫干燥4 h后取出，待物料和鋁盒恢復(fù)至常溫后稱取物料質(zhì)量并記錄含水率，重復(fù)三次。利用式（1）計(jì)算含水率，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 殼仁混合物物料含水率測(cè)試結(jié)果

公式（1）中，Md：干基含水率%；mω：物料所含水的質(zhì)量，g；me：物料中所含干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為測(cè)定懸浮速度的大小，研制了懸浮速度試驗(yàn)裝置，該裝置主要由機(jī)架、風(fēng)機(jī)、變頻器、上、下穩(wěn)流管、錐形觀察管、放料口（畢托管測(cè)速口）、攔料篩網(wǎng)組成（如圖2）。其中，風(fēng)機(jī)為上海卓耀機(jī)電有限公司生產(chǎn)的DF-7型離心風(fēng)機(jī)，變頻器為深圳市偉創(chuàng)電氣有限公司生產(chǎn)的AC60E-T3-3 R7G型變頻器，該試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)如表4，為了便于觀察和記錄，錐形觀察管用有機(jī)玻璃制作。殼仁混合物懸浮速度試驗(yàn)在塔里木大學(xué)工科樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試時(shí)，通過畢托管測(cè)定錐形觀察管下端的氣流速度，并利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速進(jìn)而改變氣流壓力，在密閉管路中沒有溢流時(shí)，通過各斷面的流量相等[25]，則可求出錐形觀察管中H0處的速度Vi。

圖2 懸浮速度測(cè)試裝置

表4 懸浮速度測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)原理及方法

如果將物料置于垂直向上的勻速氣流場(chǎng)中，若勻速氣流的速度為v0，物料受到氣流的作用力設(shè)為P，此時(shí)物料受到自身重力G和氣流的作用力P的共同作用，若P小于G，物料將在浮重作用下下落；當(dāng)P大于G時(shí)，則物料將上升，當(dāng)P等于G時(shí)，物料基本保持在一個(gè)水平面附近呈上下波動(dòng)狀態(tài)，把此時(shí)氣流速度稱作物料的懸浮速度[26]。試驗(yàn)時(shí)由于核桃破殼后殼仁組分的形狀不是規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)球體，在氣流的作用下會(huì)呈現(xiàn)一定的浮動(dòng)范圍，使所測(cè)懸浮速度vp也是一個(gè)范圍。

試驗(yàn)開始時(shí)，將準(zhǔn)備好的試樣由放料口放入上穩(wěn)流管內(nèi)的隔料篩網(wǎng)上，關(guān)閉放料口，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速使物料在氣流的作用下上升，使物料在錐形管內(nèi)基本處于懸浮狀態(tài)，觀察錐形觀察管并記錄下物料在錐形管中上下浮動(dòng)的位置H1和H2。計(jì)算上下浮動(dòng)的中心位置對(duì)應(yīng)刻度H0。由圖2可知錐形有機(jī)玻璃觀察管軸向各處斷面直徑不等，為確定錐形觀察管刻度為H0處斷面直徑為φi，設(shè)錐形觀察管刻度為H0處斷面面積為Ai，小端直徑為φ0、面積為A0。由于試驗(yàn)氣流壓力不高，可將氣流視為不可壓縮流體，則有：V0A0=ViAi，即，根據(jù)圖2可以計(jì)算出斷面處的直徑為：

公式（2）和（3）中，V0：末端氣流速度，m/s；

Vi：中心位置對(duì)應(yīng)的氣流速度，m/s；

φ0：錐形觀察管末端處直徑，m；

φi：刻度為H0處斷面直徑，m；

H0：物料上下浮動(dòng)的中心位置對(duì)應(yīng)刻度，H0=H1+H2，m；

α：錐形觀察管錐角（該裝置錐角為3°），（°）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

破殼后核桃殼仁混合物組分形狀不規(guī)則，尺寸差異較大，從樣品中隨機(jī)抽取5份試樣，重復(fù)進(jìn)行5次測(cè)定，并按照公式（2）、（3）計(jì)算，并取均值，計(jì)算后懸浮速度值如表所示。

從表5、表6、表7可以看出，溫185核桃殼仁混合物組分1/2仁、1/4仁、1/8仁和1/2殼、1/4殼、1/8殼、分心木的懸浮速度分別為18.1～19.3 m/s、16.1～18.9 m/s、14.6～16.9 m/s、12.4～15.0 m/s、8.7～11.0 m/s、7.7～10.2 m/s、3.3～3.9 m/s，分心木的懸浮速度較其他殼仁組分差異明顯，可獲得較好的分選效果，殼仁混合物中不同等級(jí)溫185核桃同一殼仁組分隨等級(jí)變化懸浮速度呈現(xiàn)出一定差異，但差異不大，同一等級(jí)溫185核桃各殼仁混合物組分之間的懸浮速度存在較大差異，說明核桃破殼后采用氣流清選進(jìn)行殼仁混合物分選是可行的，但1/2殼和1/8仁懸浮速度存在部分重疊區(qū)域，單一的氣流清選很難將二者分離，如配合篩分法將殼仁混合物分類后進(jìn)行分離，將獲得更好的殼仁清選效果。

表5 三級(jí)核桃 單位：m/s

表6 二級(jí)核桃 單位：m/s

表7 一級(jí)核桃 單位：m/s

3 結(jié)論

（1）試制了懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)，并通過試驗(yàn)測(cè)定了溫185核桃破殼后各殼仁混合物即1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2殼、1/4殼、1/8殼、分心木的懸浮速范圍，分別為18.1～19.3 m/s、16.1～18.9 m/s、14.6～16.9 m/s、12.4～15.0 m/s、8.7～11.0 m/s、7.7～10.2 m/s、3.3～3.9 m/s。

（2）破殼后核桃殼仁混合物主要組分之間懸浮速度有較大差異，可采用氣流分選法實(shí)現(xiàn)核桃破殼后主要組分的殼仁分離。

（3）殼仁組分中，1/2殼和1/8仁懸浮速度存在一定程度重疊，采用單一的氣流清選無法將其徹底分離，還需采用其他方式進(jìn)行分選。