核桃破殼后殼仁混合物空氣動力特性測定

馬佳樂，牛浩，張宏，劉揚 ，蘭海鵬 ，王法安，張永成*

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189）

核桃營養物質豐富，其含油率和不飽和脂肪酸高達60%和54%[1]，具有較好的醫療保健功效。從全球范圍來看，核桃是世界重要堅果[2]，其產量僅次于杏仁，位居第二[3]，我國是核桃的原產地和主產地之一，核桃栽培歷史悠久，栽培面積和產量高居世界首位，產量占全球總產量的25%左右[4]。新疆是我國重要的核桃產區之一，不僅核桃種植資源和產量十分豐富，而且個頭大、皮質薄、品質好，因而深受國內外消費者的喜愛[5]。近年來，種植面積和產量逐年增加[7-10]，如表1所示，已發展成為促進地區經濟發展的重要經濟林樹種。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行銷售，核桃的商品價值未能得到較好的發揮[6]。殼仁分離是核桃精加工和提高附加值的重要工序，是提高產業化的重要環節，已然成為核桃商品化過程中所面臨的一個亟待解決的問題。

表1 新疆核桃種植面積和產量

核桃通過破殼機破殼后，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，必須及時進行殼仁分離，去除雜質。常規的清選方法是利用破殼后殼仁混合物的幾何尺寸、空氣動力特性及密度等物理機械性能進行清選，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、風篩組合分選結構簡單，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力學特性而達到分選的目的[12]。因此，探尋破殼后核桃殼仁混合物各組分的空氣動力特性，掌握核桃氣流殼仁分離機理，對研制核桃殼仁分離設備，促進核桃產業化發展具有十分重要的意義。

對農業物料空氣動力特性的研究，國內外學者進行了大量研究，高連興等[12]、張繼成等[13]通過試驗分別測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]等對加工后的蓮子殼仁混合物組分進行了空氣動力特性理論分析和試驗驗證，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]設計了一種農業物料懸浮速度測定裝置，測定了收獲期蕎麥、燕麥、谷子脫出物的懸浮速度。李光新[19]對新疆不同品種空、實仁核桃空氣動力特性進行了理論研究。GORIAL B Y等[20]和GUPTA R K等[21]分別對谷物以及秸稈和葵花籽的空氣動力特性進行了試驗研究，但針對新疆核桃破殼后殼仁混合物各組分進行空氣動力特性的研究，目前少見報道。

本文擬通過搭建的懸浮速度試驗臺，測定新疆溫185核桃破殼后殼仁混合物的空氣動力特性，以期為新疆核桃殼仁分離設備的設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用新疆主要種植核桃品種之一的溫185，產地為新疆生產建設兵團第一師九團。在實際作業過程中，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。為測定不同尺寸核桃破殼后殼仁混合物的懸浮速度差異，結合溫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將核桃分為三個等級，之后在各等級中隨機選取溫185進行手工制樣，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，在生產中，碎殼和碎仁通過篩選后直接用于制取核桃油，因此試驗過程中不予考慮[23]。

圖1 破殼后殼仁混合物組分

表2 核桃分類標準

物料懸浮速度不僅與其形狀有關，而且與含水率有關[24]，實驗前，先對樣品組分進行含水率測定，分別測定核仁、殼的含水率。測試時，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，待物料和鋁盒恢復至常溫后稱取物料質量并記錄含水率，重復三次。利用式（1）計算含水率，測定結果如表3所示。

表3 殼仁混合物物料含水率測試結果

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

1.2 試驗設備

為測定懸浮速度的大小，研制了懸浮速度試驗裝置，該裝置主要由機架、風機、變頻器、上、下穩流管、錐形觀察管、放料口（畢托管測速口）、攔料篩網組成（如圖2）。其中，風機為上海卓耀機電有限公司生產的DF-7型離心風機，變頻器為深圳市偉創電氣有限公司生產的AC60E-T3-3 R7G型變頻器，該試驗臺的主要參數如表4，為了便于觀察和記錄，錐形觀察管用有機玻璃制作。殼仁混合物懸浮速度試驗在塔里木大學工科樓實驗室進行。測試時，通過畢托管測定錐形觀察管下端的氣流速度，并利用變頻器調節風機風速進而改變氣流壓力，在密閉管路中沒有溢流時，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 懸浮速度測試裝置

表4 懸浮速度測試試驗臺參數

1.3 試驗原理及方法

如果將物料置于垂直向上的勻速氣流場中，若勻速氣流的速度為v0，物料受到氣流的作用力設為P，此時物料受到自身重力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P大于G時，則物料將上升，當P等于G時，物料基本保持在一個水平面附近呈上下波動狀態，把此時氣流速度稱作物料的懸浮速度[26]。試驗時由于核桃破殼后殼仁組分的形狀不是規則的標準球體，在氣流的作用下會呈現一定的浮動范圍，使所測懸浮速度vp也是一個范圍。

試驗開始時，將準備好的試樣由放料口放入上穩流管內的隔料篩網上，關閉放料口，啟動風機，通過調節變頻器頻率調節離心風機風速使物料在氣流的作用下上升，使物料在錐形管內基本處于懸浮狀態，觀察錐形觀察管并記錄下物料在錐形管中上下浮動的位置H1和H2。計算上下浮動的中心位置對應刻度H0。由圖2可知錐形有機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，根據圖2可以計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：中心位置對應的氣流速度，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：物料上下浮動的中心位置對應刻度，H0=H1+H2，m；

α：錐形觀察管錐角（該裝置錐角為3°），（°）。

2 試驗結果與分析

破殼后核桃殼仁混合物組分形狀不規則，尺寸差異較大，從樣品中隨機抽取5份試樣，重復進行5次測定，并按照公式（2）、（3）計算，并取均值，計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溫185核桃同一殼仁組分隨等級變化懸浮速度呈現出一定差異，但差異不大，同一等級溫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行分離，將獲得更好的殼仁清選效果。

表5 三級核桃 單位：m/s

表6 二級核桃 單位：m/s

表7 一級核桃 單位：m/s

3 結論

（1）試制了懸浮速度試驗臺，并通過試驗測定了溫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現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行分選。