板栗真空破殼工藝的研究與熱力學分析

　　板栗脫殼歷來是板栗加工的技術難題，本文介紹了板栗在真空中破殼的機理的研究現(xiàn)狀。根據(jù)板栗的幾何尺寸和物理參數(shù)，用ANSYS 軟件建立了板栗的有限元分析模型。分別用ANSYS 模擬了在加熱過程中的濕度場和溫度場的分布，以及對它們產(chǎn)生的應力和應變進行了分析。對溫度場、濕度場和壓力場也進行了耦合分析，找出了最大應力和應變產(chǎn)生的位置。同時，對影響板栗真空破殼特性的因素進行了模擬研究，模擬結果表明，板栗的大小、形狀對真空破殼的影響顯著，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為破殼率隨真空度的降低而增大。驗證模擬結果和實驗結果表明，所建的模型具有可行性。

1、板栗真空破殼機理

　　真空法脫殼的原理是在真空條件下，使具有相當水分的生板栗被加熱到一定溫度并獲得足夠的真空度。在真空泵的抽吸作用下，因溫度的引入使外殼的水分不斷地蒸發(fā)而被移除，其韌性和強度降低，脆性大大增加。真空作用又使殼外壓力降低，殼內(nèi)部將相對處于較高壓力狀態(tài); 在外殼被加熱干燥產(chǎn)生應力發(fā)生應變的同時，果仁也將被加熱并使其內(nèi)部的水分汽化，果仁因失水而收縮，使其與內(nèi)皮、外殼自行分離。并且由于果仁的水分汽化后無法從外殼內(nèi)逸出，使殼內(nèi)的壓力進一步升高，達到一定數(shù)值時，就會使外殼和內(nèi)皮爆裂，實現(xiàn)栗殼的脫除。

2、板栗真空破殼因素分析及工藝優(yōu)化

　　2.1、試驗方法

　　(1) 評價指標

　　爆開率高、失水率低、熟化現(xiàn)象不存在。

　　(2) 實驗目的

　　通過多次試驗，以及對實驗數(shù)據(jù)的分析，獲得與該真空爆殼工藝息息相關的影響因素以及其影響趨勢，最終設定出最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)。

　　(3) 板栗真空爆殼實驗的步驟

　　原料→清理雜質(zhì)→稱重→熱風循環(huán)預熱→水箱加熱→板栗放入干燥箱→抽真空→破空→取出板栗→稱重→栗仁分開

　　2.2、板栗真空爆殼因素分析

　　(1) 爆殼溫度的影響

　　隨著爆殼溫度的逐漸上升，板栗的爆殼率也逐漸上升，但同時板栗的失水率也逐漸上升。

　　(2) 爆殼時間的影響

　　在一定的爆殼溫度下，爆殼時間越長，爆殼率不斷提高，同時失水率也不斷上升，即板栗水分丟失量增加。但達到某個爆殼時間后，爆殼率會下降。即在每個爆殼溫度下，爆殼率都會有一個拐點。

　　(3) 預熱溫度的影響

　　預熱溫度對板栗的爆殼率有顯著影響，大體趨勢是隨著預熱溫度的升高，在同等條件下板栗的爆殼率不斷上升，同時失水率也在逐漸升高。但是并非預熱溫度越高越好，很可能達到某個預熱溫度時，同樣會導致爆殼率下降。

　　(4) 預熱時間的影響

　　在一定的預熱溫度下，隨著預熱時間的延長，板栗的爆殼率呈上升趨勢，且增幅明顯。當達到最佳預熱時間后繼續(xù)加熱，板栗的爆殼率變化不明顯，但是失水率卻依舊在逐步攀升。依據(jù)對流干燥原理，板栗受熱時間越長，失水就越嚴重。其干燥規(guī)律類似于干燥介質(zhì)溫度的升高，栗殼干燥充分時，其組織結構收縮，脆性及氣密性增大，再經(jīng)真空作用時，板栗內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽壓容易達到栗殼承受壓力的極限值，可增加爆殼機率，但是板栗受熱時間過長會導致栗殼的氣氣密性降低，從而對板栗的真空爆殼率產(chǎn)生負面影響。此外，過長的加熱時間也會導致栗仁的品質(zhì)劣化。所以雖然板栗經(jīng)過預熱處理后確實能在很大程度上提高爆殼率，并且減少了抽真空的時間，同時減短了工藝時間，但是并不能無限期的加長預熱時間，因為每一個預熱溫度都有相對應的最佳預熱時間。

　　同時，預熱溫度和預熱時間是一對相互制約的因素，預熱溫度越高，它的最佳預熱時間也就越短。

　　2.3、真空爆殼最優(yōu)化參數(shù)

　　通過正交實驗對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，確定出最優(yōu)參數(shù)方案，即預熱溫度80℃、預熱時間20 min、爆殼溫度75℃、爆殼時間1. 5 h。在最優(yōu)參數(shù)方案控制下，板栗的爆開率為90.9%，失水率為6%。實驗證明利用真空爆殼技術可以成功對板栗脫殼去衣。

3、板栗力學模型的建立及有限元模擬

　　用有限元對板栗的真空破殼進行受力分析時，涉及到共性基本因素。首先必須建立板栗的幾何模型，然后網(wǎng)格劃分，最后受力分析。

　　3.1、板栗的物理特性及失效形式

　　板栗的彈性模量，經(jīng)試驗測定，果殼為各向同性線彈性材料，彈性模量為102 MPa 泊松比為0.30。果殼主要由纖維和半纖維組成，纖維素和半纖維素在受拉力作用下直至破壞之前塑性變形很小，所以看成脆性材料，失效形式通常是脆性斷裂。采用第一強度理論( 最大拉力理論) 作為失效準則，即無論什么應力狀態(tài)，只要最大拉力σ1達到σb就導致斷裂，于是得到斷裂準則

　　3.2、板栗模型建立與網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)板栗的特點，因為其表面是曲面，在選擇單元類型時，把果殼的單元類型選為20 節(jié)點的二次曲面的三維六面體SOLID。

圖1 板栗殼的實體模型和網(wǎng)格劃分

4、總結

　　本文建立了板栗真空破殼過程的有限元模擬，真空破殼過程中板栗的含水率分布呈地面中心大，然后向弧頂和底面邊緣遞減。應力和應變的變化趨勢為底面邊緣最大，然后向弧頂和地面中心遞減。熱應力很小，且持續(xù)時間很短。濕應力和壓差應力遠遠大于熱應力，濕應力是板栗破殼的主要因素，在1 h 左右達到峰值，壓差應力主要作用于后期。此外板栗的大小和真空度也是影響板栗破殼的重要因素。模擬結果與實驗結果比較吻合。