板栗真空破壳工艺的研究与热力学分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)陕西科技大学 作者:朱帅

  板栗脱壳历来是板栗加工的技术难题,本文介绍了板栗在真空中破壳的机理的研究现状。根据板栗的几何尺寸和物理参数,用ANSYS 软件建立了板栗的有限元分析模型。分别用ANSYS 模拟了在加热过程中的湿度场和温度场的分布,以及对它们产生的应力和应变进行了分析。对温度场、湿度场和压力场也进行了耦合分析,找出了最大应力和应变产生的位置。同时,对影响板栗真空破壳特性的因素进行了模拟研究,模拟结果表明,板栗的大小、形状对真空破壳的影响显著,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为破壳率随真空度的降低而增大。验证模拟结果和实验结果表明,所建的模型具有可行性。

1、板栗真空破壳机理

  真空法脱壳的原理是在真空条件下,使具有相当水分的生板栗被加热到一定温度并获得足够的真空度。在真空泵的抽吸作用下,因温度的引入使外壳的水分不断地蒸发而被移除,其韧性和强度降低,脆性大大增加。真空作用又使壳外压力降低,壳内部将相对处于较高压力状态; 在外壳被加热干燥产生应力发生应变的同时,果仁也将被加热并使其内部的水分汽化,果仁因失水而收缩,使其与内皮、外壳自行分离。并且由于果仁的水分汽化后无法从外壳内逸出,使壳内的压力进一步升高,达到一定数值时,就会使外壳和内皮爆裂,实现栗壳的脱除。

2、板栗真空破壳因素分析及工艺优化

  2.1、试验方法

  (1) 评价指标

  爆开率高、失水率低、熟化现象不存在。

  (2) 实验目的

  通过多次试验,以及对实验数据的分析,获得与该真空爆壳工艺息息相关的影响因素以及其影响趋势,最终设定出最佳生产工艺参数。

  (3) 板栗真空爆壳实验的步骤

  原料→清理杂质→称重→热风循环预热→水箱加热→板栗放入干燥箱→抽真空→破空→取出板栗→称重→栗仁分开

  2.2、板栗真空爆壳因素分析

  (1) 爆壳温度的影响

  随着爆壳温度的逐渐上升,板栗的爆壳率也逐渐上升,但同时板栗的失水率也逐渐上升。

  (2) 爆壳时间的影响

  在一定的爆壳温度下,爆壳时间越长,爆壳率不断提高,同时失水率也不断上升,即板栗水分丢失量增加。但达到某个爆壳时间后,爆壳率会下降。即在每个爆壳温度下,爆壳率都会有一个拐点。

  (3) 预热温度的影响

  预热温度对板栗的爆壳率有显著影响,大体趋势是随着预热温度的升高,在同等条件下板栗的爆壳率不断上升,同时失水率也在逐渐升高。但是并非预热温度越高越好,很可能达到某个预热温度时,同样会导致爆壳率下降。

  (4) 预热时间的影响

  在一定的预热温度下,随着预热时间的延长,板栗的爆壳率呈上升趋势,且增幅明显。当达到最佳预热时间后继续加热,板栗的爆壳率变化不明显,但是失水率却依旧在逐步攀升。依据对流干燥原理,板栗受热时间越长,失水就越严重。其干燥规律类似于干燥介质温度的升高,栗壳干燥充分时,其组织结构收缩,脆性及气密性增大,再经真空作用时,板栗内部产生的蒸汽压容易达到栗壳承受压力的极限值,可增加爆壳机率,但是板栗受热时间过长会导致栗壳的气气密性降低,从而对板栗的真空爆壳率产生负面影响。此外,过长的加热时间也会导致栗仁的品质劣化。所以虽然板栗经过预热处理后确实能在很大程度上提高爆壳率,并且减少了抽真空的时间,同时减短了工艺时间,但是并不能无限期的加长预热时间,因为每一个预热温度都有相对应的最佳预热时间。

  同时,预热温度和预热时间是一对相互制约的因素,预热温度越高,它的最佳预热时间也就越短。

  2.3、真空爆壳最优化参数

  通过正交实验对工艺参数进行优化,确定出最优参数方案,即预热温度80℃、预热时间20 min、爆壳温度75℃、爆壳时间1. 5 h。在最优参数方案控制下,板栗的爆开率为90.9%,失水率为6%。实验证明利用真空爆壳技术可以成功对板栗脱壳去衣。

3、板栗力学模型的建立及有限元模拟

  用有限元对板栗的真空破壳进行受力分析时,涉及到共性基本因素。首先必须建立板栗的几何模型,然后网格划分,最后受力分析。

  3.1、板栗的物理特性及失效形式

  板栗的弹性模量,经试验测定,果壳为各向同性线弹性材料,弹性模量为102 MPa 泊松比为0.30。果壳主要由纤维和半纤维组成,纤维素和半纤维素在受拉力作用下直至破坏之前塑性变形很小,所以看成脆性材料,失效形式通常是脆性断裂。采用第一强度理论( 最大拉力理论) 作为失效准则,即无论什么应力状态,只要最大拉力σ1达到σb就导致断裂,于是得到断裂准则

  3.2、板栗模型建立与网格划分

  根据板栗的特点,因为其表面是曲面,在选择单元类型时,把果壳的单元类型选为20 节点的二次曲面的三维六面体SOLID。

板栗壳的实体模型和网格划分

图1 板栗壳的实体模型和网格划分

4、总结

  本文建立了板栗真空破壳过程的有限元模拟,真空破壳过程中板栗的含水率分布呈地面中心大,然后向弧顶和底面边缘递减。应力和应变的变化趋势为底面边缘最大,然后向弧顶和地面中心递减。热应力很小,且持续时间很短。湿应力和压差应力远远大于热应力,湿应力是板栗破壳的主要因素,在1 h 左右达到峰值,压差应力主要作用于后期。此外板栗的大小和真空度也是影响板栗破壳的重要因素。模拟结果与实验结果比较吻合。

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