板栗真空破殼工藝的研究與熱力學(xué)分析
板栗脫殼歷來(lái)是板栗加工的技術(shù)難題，本文介紹了板栗在真空中破殼的機理的研究現狀。根據板栗的幾何尺寸和物理參數，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(guò)程中的濕度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，以及對它們產(chǎn)生的應力和應變進(jìn)行了分析。對溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和壓力場(chǎng)也進(jìn)行了耦合分析，找出了最大應力和應變產(chǎn)生的位置。同時(shí)，對影響板栗真空破殼特性的因素進(jìn)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(zhù)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為破殼率隨真空度的降低而增大。驗證模擬結果和實(shí)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(shí)，果仁也將被加熱并使其內部的水分汽化，果仁因失水而收縮，使其與內皮、外殼自行分離。并且由于果仁的水分汽化后無(wú)法從外殼內逸出，使殼內的壓力進(jìn)一步升高，達到一定數值時(shí)，就會(huì )使外殼和內皮爆裂，實(shí)現栗殼的脫除。
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(jià)指標
爆開(kāi)率高、失水率低、熟化現象不存在。
(2) 實(shí)驗目的
通過(guò)多次試驗，以及對實(shí)驗數據的分析，獲得與該真空爆殼工藝息息相關(guān)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。
(3) 板栗真空爆殼實(shí)驗的步驟
原料→清理雜質(zhì)→稱(chēng)重→熱風(fēng)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(chēng)重→栗仁分開(kāi)
2.2、板栗真空爆殼因素分析
(1) 爆殼溫度的影響
隨著(zhù)爆殼溫度的逐漸上升，板栗的爆殼率也逐漸上升，但同時(shí)板栗的失水率也逐漸上升。
(2) 爆殼時(shí)間的影響
在一定的爆殼溫度下，爆殼時(shí)間越長(cháng)，爆殼率不斷提高，同時(shí)失水率也不斷上升，即板栗水分丟失量增加。但達到某個(gè)爆殼時(shí)間后，爆殼率會(huì )下降。即在每個(gè)爆殼溫度下，爆殼率都會(huì )有一個(gè)拐點(diǎn)。
(3) 預熱溫度的影響
預熱溫度對板栗的爆殼率有顯著(zhù)影響，大體趨勢是隨著(zhù)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(shí)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(gè)預熱溫度時(shí)，同樣會(huì )導致爆殼率下降。
(4) 預熱時(shí)間的影響
在一定的預熱溫度下，隨著(zhù)預熱時(shí)間的延長(cháng)，板栗的爆殼率呈上升趨勢，且增幅明顯。當達到最佳預熱時(shí)間后繼續加熱，板栗的爆殼率變化不明顯，但是失水率卻依舊在逐步攀升。依據對流干燥原理，板栗受熱時(shí)間越長(cháng)，失水就越嚴重。其干燥規律類(lèi)似于干燥介質(zhì)溫度的升高，栗殼干燥充分時(shí)，其組織結構收縮，脆性及氣密性增大，再經(jīng)真空作用時(shí)，板栗內部產(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(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )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(guò)長(cháng)的加熱時(shí)間也會(huì )導致栗仁的品質(zhì)劣化。所以雖然板栗經(jīng)過(guò)預熱處理后確實(shí)能在很大程度上提高爆殼率，并且減少了抽真空的時(shí)間，同時(shí)減短了工藝時(shí)間，但是并不能無(wú)限期的加長(cháng)預熱時(shí)間，因為每一個(gè)預熱溫度都有相對應的最佳預熱時(shí)間。
同時(shí)，預熱溫度和預熱時(shí)間是一對相互制約的因素，預熱溫度越高，它的最佳預熱時(shí)間也就越短。
2.3、真空爆殼最優(yōu)化參數
通過(guò)正交實(shí)驗對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化，確定出最優(yōu)參數方案，即預熱溫度80℃、預熱時(shí)間20 min、爆殼溫度75℃、爆殼時(shí)間1. 5 h。在最優(yōu)參數方案控制下，板栗的爆開(kāi)率為90.9%，失水率為6%。實(shí)驗證明利用真空爆殼技術(shù)可以成功對板栗脫殼去衣。
3、板栗力學(xué)模型的建立及有限元模擬
用有限元對板栗的真空破殼進(jìn)行受力分析時(shí)，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(xiàn)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(wú)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
根據板栗的特點(diǎn)，因為其表面是曲面，在選擇單元類(lèi)型時(shí)，把果殼的單元類(lèi)型選為20 節點(diǎn)的二次曲面的三維六面體SOLID。
圖1 板栗殼的實(shí)體模型和網(wǎng)格劃分
4、總結
本文建立了板栗真空破殼過(guò)程的有限元模擬，真空破殼過(guò)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，且持續時(shí)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(shí)驗結果比較吻合。
