核桃殼仁氣流分離裝置分離腔流場均勻性比較研究

朱占江，劉 奎，劉 佳，楊莉玲，祝兆帥，買合木江·巴吐爾，楊忠強

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.南京農業大學工學院）

目前，新疆核桃種植面積為39.75萬hm2，產量83.67萬t[1]，產量位居全國第二。全區有20多個縣市集中栽培核桃，800余萬人以核桃生產種植為主要經濟來源。核桃產業發展對新疆農業的整體增效和農民增收，尤其是對貧困地區農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現核桃深加工的基礎，是提高核桃商品化率充分實現核桃經濟價值的重要前提，而分離腔為核桃殼仁分離裝置關鍵組成部分，對殼仁分離起到至關重要的作用，開展對其的研究十分必要。

1 核桃殼仁分離裝置及分離腔介紹

該裝置主要由提升機、振動給料機、分離腔、吸風輸送管道、主風管道、沉降箱組成。分離腔主要由分離腔體、限料調風板、進料口組成，如圖1、2。設備配套風機22 kW，并聯6個可以獨立調節的分選機構，分別完成4個等級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分級，同一等級的核桃殼仁混合物進入提升機，物料再經振動給料機均勻喂入分離腔，通過風力作用，實現殼仁混合物料的分離。其分離原理依據核桃殼仁混合物料懸浮速度的差異，輕的核桃殼在負壓的狀態下，由于風速大于殼的懸浮速度克服殼自身重力，而向上運動被分離出去，重的核桃仁在經過分離腔下沉收集，完成殼仁混合物料的分離。

圖1 核桃殼仁氣流分離裝置結構示意

2 流場分析說明

分離腔寬度b固定，長度a、厚度c選取不同變量進行流場分析，由于分離腔進風口有兩處，分別位于進料口處與分離腔體下部斷面處，而從下部斷面進風以垂直運動狀態上行，分布較均勻，這里只分析從進料口處進去的風經方向變化后的均勻性。

圖2 分離腔結構

3 不同幾何尺寸核桃殼仁分離腔流場均勻性比較分析

3.1 不同厚度分離腔流場均勻性比較分析

分離腔厚度選三個值：150 mm、120 mm、90 mm，分離腔長度a=1 200 mm，而分離腔寬度與振動給料機寬度相同b=450 mm，進行流場模擬分析。分離腔可分為三段，進料口位置以下的區域氣流速度非常低不足以克服核桃仁的重力，在這個區域只起到沉降核桃仁的作用，而真正起到分離作用的區域為進料口正對部分及進料口上部一段距離。分離區高度約400 mm左右，此區域風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。物料由振動給料機出料口均勻流出后，經過此分離區域與氣流交匯，氣流朝右上方運動，核桃殼和仁在氣流作用下進行分選，分離區域以上可以看做物料快速輸送區，這個區域物料殼仁已經分開，輕的核桃殼經此區域進入吸風輸送管。

分離腔內氣流的均勻性是影響設備分選效果以及設備能耗的主要問題，不均性越大，流場內產生渦流的機會更多，能耗增加越明顯，對殼仁分離造成的不利影響更大。通過對不同厚度分離腔流場模擬，可以看到分離腔厚度從150mm減小至90mm后，分離腔進料口一側內零速度區域逐漸減小，說明分離腔內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域內受重力不斷的沉降，受到鄰近非零速速區域氣流干擾又而不斷上升的概率，縮短了分離時間，降低了設備能耗。同時分離腔厚度減小，縮小了設備的體積，使其分離腔內前側板臨近區域風速增加，空間得到有效利用。分離腔厚度也不可無限縮小，將影響分離效率，試驗結果表明在厚度c=90 mm時，可以滿足生產率300～400 kg/h及分離效果的設計要求，所以分離腔厚度定為90 mm。

圖3 不同厚度分離腔內流場圖對比

3.2 不同長度分離腔流場均勻性比較分析

同樣結構的分離腔，長度越長，流場在運動過程中造成能量損失越大，合理的優化分離腔長度對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進行流場模擬分析（a=1 200 mm流場模擬見圖3：b=90 mm流場圖），從圖中流場分析可以看出，當分離腔長度減小，內部風速有所變化，而對整個分離腔流場均勻性影響較小，為提供殼仁混合物料在分離過程中，有足夠的分散均布空間，分離腔長度不宜過小，項目組選取分離腔矩形管長度為1 200 mm。

圖4 不同長度分離腔內流場圖對比

4 結語

開展核桃殼仁分離腔流場均勻性研究，可為優化設備結構提供依據，提升分離腔內部腔體空間的利用效率，節約設備研發成本及制作成本。同時為后續核桃殼仁氣流分離氣固兩相場研究提供一定的基礎。