核桃壳仁气流分离装置分离腔流场均匀性比较研究

朱占江，刘 奎，刘 佳，杨莉玲，祝兆帅，买合木江·巴吐尔，杨忠强

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.南京农业大学工学院）

目前，新疆核桃种植面积为39.75万hm2，产量83.67万t[1]，产量位居全国第二。全区有20多个县市集中栽培核桃，800余万人以核桃生产种植为主要经济来源。核桃产业发展对新疆农业的整体增效和农民增收，尤其是对贫困地区农民脱贫致富具有重要的意义。核桃破壳后如何把核桃仁从壳仁混合物料中分离获得干净的核桃仁是实现核桃深加工的基础，是提高核桃商品化率充分实现核桃经济价值的重要前提，而分离腔为核桃壳仁分离装置关键组成部分，对壳仁分离起到至关重要的作用，开展对其的研究十分必要。

1 核桃壳仁分离装置及分离腔介绍

该装置主要由提升机、振动给料机、分离腔、吸风输送管道、主风管道、沉降箱组成。分离腔主要由分离腔体、限料调风板、进料口组成，如图1、2。设备配套风机22 kW，并联6个可以独立调节的分选机构，分别完成4个等级核桃壳仁混合物料以及核桃分心木的分离收集。核桃破壳后壳仁混合物料经分级，同一等级的核桃壳仁混合物进入提升机，物料再经振动给料机均匀喂入分离腔，通过风力作用，实现壳仁混合物料的分离。其分离原理依据核桃壳仁混合物料悬浮速度的差异，轻的核桃壳在负压的状态下，由于风速大于壳的悬浮速度克服壳自身重力，而向上运动被分离出去，重的核桃仁在经过分离腔下沉收集，完成壳仁混合物料的分离。

图1 核桃壳仁气流分离装置结构示意

2 流场分析说明

分离腔宽度b固定，长度a、厚度c选取不同变量进行流场分析，由于分离腔进风口有两处，分别位于进料口处与分离腔体下部断面处，而从下部断面进风以垂直运动状态上行，分布较均匀，这里只分析从进料口处进去的风经方向变化后的均匀性。

图2 分离腔结构

3 不同几何尺寸核桃壳仁分离腔流场均匀性比较分析

3.1 不同厚度分离腔流场均匀性比较分析

分离腔厚度选三个值：150 mm、120 mm、90 mm，分离腔长度a=1 200 mm，而分离腔宽度与振动给料机宽度相同b=450 mm，进行流场模拟分析。分离腔可分为三段，进料口位置以下的区域气流速度非常低不足以克服核桃仁的重力，在这个区域只起到沉降核桃仁的作用，而真正起到分离作用的区域为进料口正对部分及进料口上部一段距离。分离区高度约400 mm左右，此区域风速大于核桃壳悬浮速度而小于核桃仁悬浮速度，起到分离壳仁的作用。物料由振动给料机出料口均匀流出后，经过此分离区域与气流交汇，气流朝右上方运动，核桃壳和仁在气流作用下进行分选，分离区域以上可以看做物料快速输送区，这个区域物料壳仁已经分开，轻的核桃壳经此区域进入吸风输送管。

分离腔内气流的均匀性是影响设备分选效果以及设备能耗的主要问题，不均性越大，流场内产生涡流的机会更多，能耗增加越明显，对壳仁分离造成的不利影响更大。通过对不同厚度分离腔流场模拟，可以看到分离腔厚度从150mm减小至90mm后，分离腔进料口一侧内零速度区域逐渐减小，说明分离腔内气流不均匀性随着分离腔厚度的减小得到了改善，从而降低了物料在零速度区域内受重力不断的沉降，受到邻近非零速速区域气流干扰又而不断上升的概率，缩短了分离时间，降低了设备能耗。同时分离腔厚度减小，缩小了设备的体积，使其分离腔内前侧板临近区域风速增加，空间得到有效利用。分离腔厚度也不可无限缩小，将影响分离效率，试验结果表明在厚度c=90 mm时，可以满足生产率300～400 kg/h及分离效果的设计要求，所以分离腔厚度定为90 mm。

图3 不同厚度分离腔内流场图对比

3.2 不同长度分离腔流场均匀性比较分析

同样结构的分离腔，长度越长，流场在运动过程中造成能量损失越大，合理的优化分离腔长度对于提高有效分离段气流速度、减小能量损失具有重要意义。选取分离腔长度a=1 800 mm、1 500 mm、1 200 mm，分离腔宽度b=450 mm、厚度c=90 mm进行流场模拟分析（a=1 200 mm流场模拟见图3：b=90 mm流场图），从图中流场分析可以看出，当分离腔长度减小，内部风速有所变化，而对整个分离腔流场均匀性影响较小，为提供壳仁混合物料在分离过程中，有足够的分散均布空间，分离腔长度不宜过小，项目组选取分离腔矩形管长度为1 200 mm。

图4 不同长度分离腔内流场图对比

4 结语

开展核桃壳仁分离腔流场均匀性研究，可为优化设备结构提供依据，提升分离腔内部腔体空间的利用效率，节约设备研发成本及制作成本。同时为后续核桃壳仁气流分离气固两相场研究提供一定的基础。