核桃破壳后壳仁混合物空气动力特性测定

马佳乐，牛浩，张宏，刘扬 ，兰海鹏 ，王法安，张永成*

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189）

核桃营养物质丰富，其含油率和不饱和脂肪酸高达60%和54%[1]，具有较好的医疗保健功效。从全球范围来看，核桃是世界重要坚果[2]，其产量仅次于杏仁，位居第二[3]，我国是核桃的原产地和主产地之一，核桃栽培历史悠久，栽培面积和产量高居世界首位，产量占全球总产量的25%左右[4]。新疆是我国重要的核桃产区之一，不仅核桃种植资源和产量十分丰富，而且个头大、皮质薄、品质好，因而深受国内外消费者的喜爱[5]。近年来，种植面积和产量逐年增加[7-10]，如表1所示，已发展成为促进地区经济发展的重要经济林树种。但长期以来，新疆的核桃深加工水平较低，基本上是以未加工的原材料进行销售，核桃的商品价值未能得到较好的发挥[6]。壳仁分离是核桃精加工和提高附加值的重要工序，是提高产业化的重要环节，已然成为核桃商品化过程中所面临的一个亟待解决的问题。

表1 新疆核桃种植面积和产量

核桃通过破壳机破壳后，获得的壳仁混合物主要有1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2壳、1/4壳、1/8壳、碎壳和碎仁、分心木等，必须及时进行壳仁分离，去除杂质。常规的清选方法是利用破壳后壳仁混合物的几何尺寸、空气动力特性及密度等物理机械性能进行清选，如气流清选、筛选、气流和筛子组合清选、密度分选等[11]。其中，气流清选、风筛组合分选结构简单，易于操作，是最常用的分选方法，主要利用不同混合物组分之间空气动力学特性而达到分选的目的[12]。因此，探寻破壳后核桃壳仁混合物各组分的空气动力特性，掌握核桃气流壳仁分离机理，对研制核桃壳仁分离设备，促进核桃产业化发展具有十分重要的意义。

对农业物料空气动力特性的研究，国内外学者进行了大量研究，高连兴等[12]、张继成等[13]通过试验分别测定了大豆脱出物的漂浮速度和悬浮速度。马征等[14]、陈翠英等[15]和陈立等[16]分别测定了油菜脱出物壳仁混合物的漂浮速度和悬浮速度，为油菜脱出物的气流清选提供了参考。马秋成[17]等对加工后的莲子壳仁混合物组分进行了空气动力特性理论分析和试验验证，为莲子气力式壳仁分离获取了最佳气流速度范围。侯华铭等[18]设计了一种农业物料悬浮速度测定装置，测定了收获期荞麦、燕麦、谷子脱出物的悬浮速度。李光新[19]对新疆不同品种空、实仁核桃空气动力特性进行了理论研究。GORIAL B Y等[20]和GUPTA R K等[21]分别对谷物以及秸秆和葵花籽的空气动力特性进行了试验研究，但针对新疆核桃破壳后壳仁混合物各组分进行空气动力特性的研究，目前少见报道。

本文拟通过搭建的悬浮速度试验台，测定新疆温185核桃破壳后壳仁混合物的空气动力特性，以期为新疆核桃壳仁分离设备的设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用新疆主要种植核桃品种之一的温185，产地为新疆生产建设兵团第一师九团。在实际作业过程中，核桃破壳后形成的壳仁混合物主要组分有1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2壳、1/4壳、1/8壳、碎壳和碎仁等8种成分，如图1所示。为测定不同尺寸核桃破壳后壳仁混合物的悬浮速度差异，结合温185核桃在横向、缝向、纵向上尺寸集中分布的比例[22]，制样前按表2将核桃分为三个等级，之后在各等级中随机选取温185进行手工制样，分别获取1/2仁、1/4仁、1/8仁和1/2壳、1/4壳、1/8壳以及分心木，在生产中，碎壳和碎仁通过筛选后直接用于制取核桃油，因此试验过程中不予考虑[23]。

图1 破壳后壳仁混合物组分

表2 核桃分类标准

物料悬浮速度不仅与其形状有关，而且与含水率有关[24]，实验前，先对样品组分进行含水率测定，分别测定核仁、壳的含水率。测试时，选取每种组分中其中一种成分各500 g，在105℃的烘箱中恒温干燥4 h后取出，待物料和铝盒恢复至常温后称取物料质量并记录含水率，重复三次。利用式（1）计算含水率，测定结果如表3所示。

表3 壳仁混合物物料含水率测试结果

公式（1）中，Md：干基含水率%；mω：物料所含水的质量，g；me：物料中所含干物质的质量，g。

1.2 试验设备

为测定悬浮速度的大小，研制了悬浮速度试验装置，该装置主要由机架、风机、变频器、上、下稳流管、锥形观察管、放料口（毕托管测速口）、拦料筛网组成（如图2）。其中，风机为上海卓耀机电有限公司生产的DF-7型离心风机，变频器为深圳市伟创电气有限公司生产的AC60E-T3-3 R7G型变频器，该试验台的主要参数如表4，为了便于观察和记录，锥形观察管用有机玻璃制作。壳仁混合物悬浮速度试验在塔里木大学工科楼实验室进行。测试时，通过毕托管测定锥形观察管下端的气流速度，并利用变频器调节风机风速进而改变气流压力，在密闭管路中没有溢流时，通过各断面的流量相等[25]，则可求出锥形观察管中H0处的速度Vi。

图2 悬浮速度测试装置

表4 悬浮速度测试试验台参数

1.3 试验原理及方法

如果将物料置于垂直向上的匀速气流场中，若匀速气流的速度为v0，物料受到气流的作用力设为P，此时物料受到自身重力G和气流的作用力P的共同作用，若P小于G，物料将在浮重作用下下落；当P大于G时，则物料将上升，当P等于G时，物料基本保持在一个水平面附近呈上下波动状态，把此时气流速度称作物料的悬浮速度[26]。试验时由于核桃破壳后壳仁组分的形状不是规则的标准球体，在气流的作用下会呈现一定的浮动范围，使所测悬浮速度vp也是一个范围。

试验开始时，将准备好的试样由放料口放入上稳流管内的隔料筛网上，关闭放料口，启动风机，通过调节变频器频率调节离心风机风速使物料在气流的作用下上升，使物料在锥形管内基本处于悬浮状态，观察锥形观察管并记录下物料在锥形管中上下浮动的位置H1和H2。计算上下浮动的中心位置对应刻度H0。由图2可知锥形有机玻璃观察管轴向各处断面直径不等，为确定锥形观察管刻度为H0处断面直径为φi，设锥形观察管刻度为H0处断面面积为Ai，小端直径为φ0、面积为A0。由于试验气流压力不高，可将气流视为不可压缩流体，则有：V0A0=ViAi，即，根据图2可以计算出断面处的直径为：

公式（2）和（3）中，V0：末端气流速度，m/s；

Vi：中心位置对应的气流速度，m/s；

φ0：锥形观察管末端处直径，m；

φi：刻度为H0处断面直径，m；

H0：物料上下浮动的中心位置对应刻度，H0=H1+H2，m；

α：锥形观察管锥角（该装置锥角为3°），（°）。

2 试验结果与分析

破壳后核桃壳仁混合物组分形状不规则，尺寸差异较大，从样品中随机抽取5份试样，重复进行5次测定，并按照公式（2）、（3）计算，并取均值，计算后悬浮速度值如表所示。

从表5、表6、表7可以看出，温185核桃壳仁混合物组分1/2仁、1/4仁、1/8仁和1/2壳、1/4壳、1/8壳、分心木的悬浮速度分别为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，分心木的悬浮速度较其他壳仁组分差异明显，可获得较好的分选效果，壳仁混合物中不同等级温185核桃同一壳仁组分随等级变化悬浮速度呈现出一定差异，但差异不大，同一等级温185核桃各壳仁混合物组分之间的悬浮速度存在较大差异，说明核桃破壳后采用气流清选进行壳仁混合物分选是可行的，但1/2壳和1/8仁悬浮速度存在部分重叠区域，单一的气流清选很难将二者分离，如配合筛分法将壳仁混合物分类后进行分离，将获得更好的壳仁清选效果。

表5 三级核桃 单位：m/s

表6 二级核桃 单位：m/s

表7 一级核桃 单位：m/s

3 结论

（1）试制了悬浮速度试验台，并通过试验测定了温185核桃破壳后各壳仁混合物即1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/2壳、1/4壳、1/8壳、分心木的悬浮速范围，分别为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）破壳后核桃壳仁混合物主要组分之间悬浮速度有较大差异，可采用气流分选法实现核桃破壳后主要组分的壳仁分离。

（3）壳仁组分中，1/2壳和1/8仁悬浮速度存在一定程度重叠，采用单一的气流清选无法将其彻底分离，还需采用其他方式进行分选。