遲 媛 李蒙福 楊月斌 隋昂伯 遲玉杰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

2018年我國(guó)禽蛋產(chǎn)量達(dá)3 128萬(wàn)噸，按蛋殼質(zhì)量占蛋質(zhì)量11%計(jì)算[1]，會(huì)產(chǎn)生344多萬(wàn)噸廢棄蛋殼，這不僅對(duì)環(huán)境造成巨大壓力，也導(dǎo)致蛋殼和蛋膜資源的浪費(fèi)。蛋殼可以作為鈣源添加劑，蛋殼中所含蛋殼基質(zhì)蛋白可以提高細(xì)胞鈣的運(yùn)轉(zhuǎn)能力；蛋膜可以用于醫(yī)藥、輕工業(yè)、環(huán)境工程和生物傳感器等多個(gè)領(lǐng)域[2-5]。為提高禽蛋利用率，減少環(huán)境污染，增加經(jīng)濟(jì)效益，研究蛋殼和蛋膜的有效分選方法十分必要。遲媛等[6]采用水中機(jī)械攪拌方法，使蛋膜和蛋殼分離，較輕的膜浮在水面上，較重的殼沉到水底，通過(guò)水中浮選來(lái)分選蛋殼和蛋膜，蛋膜回收率達(dá)88.58%。劉師多團(tuán)隊(duì)[7-10]針對(duì)小麥做了旋風(fēng)清選裝置，把谷粒從糠秕中有效清選出來(lái)；萬(wàn)星宇等[11]進(jìn)行了油菜聯(lián)合收獲機(jī)分離清選差速圓筒篩設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出用于油菜的旋風(fēng)式清選裝置；趙學(xué)觀等[12]、高連興等[13]設(shè)計(jì)專用于大豆的旋風(fēng)式氣流設(shè)備，能夠清選出大豆未脫凈的豆莢并進(jìn)行二次脫粒。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)水中分選效率低，所以借鑒谷物旋風(fēng)清選的基本原理，探討通過(guò)旋風(fēng)分離器使混合在一起的蛋殼和蛋膜分離。

對(duì)禽蛋殼膜旋風(fēng)式氣流清選裝置進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究。運(yùn)用Fluent 17.0對(duì)清選筒內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，旋風(fēng)式氣流清選筒內(nèi)為復(fù)雜的強(qiáng)旋三維流場(chǎng)[14]，基于Fluent 17.0-EDEM 2.7耦合，研究旋風(fēng)式清選筒的直筒段高度、清選筒直徑等筒體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清選筒內(nèi)的流場(chǎng)特性、顆粒軌跡、顆粒分布的影響。并進(jìn)行正交試驗(yàn)和二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，研究筒頂結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量對(duì)殼膜清選性能的影響，為禽蛋殼膜旋風(fēng)式清選裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 清選裝置

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,旋風(fēng)式清選試驗(yàn)臺(tái)主要由吸風(fēng)機(jī)、喂料機(jī)、旋風(fēng)清選筒、膜收集器、蛋殼收集器等組成。旋風(fēng)清選筒頂部設(shè)計(jì)成錐形,有利于蛋膜在吸風(fēng)機(jī)的作用下順利收集。下錐筒部分與外部空氣相通，工作時(shí)有利于清選筒中旋風(fēng)氣流的形成。旋風(fēng)清選筒設(shè)計(jì)成分段式，研究不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清選性能的影響。

圖1 旋風(fēng)式蛋殼膜清選裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of cyclone device collecting membrane and eggshell separately1.吸風(fēng)機(jī)管道 2.吸風(fēng)機(jī) 3.出膜管 4.喂料口 5.膜收集器 6.喂料機(jī)電機(jī) 7.鐵架臺(tái) 8.喂料機(jī) 9.連接管道 10.蛋殼收集器 11.旋風(fēng)清選筒 12.清選筒固定器

1.2 工作原理

廢棄蛋殼經(jīng)攪拌清洗、干燥和粉碎等步驟使蛋殼和蛋膜分離，形成殼膜混合物。殼膜混合物中蛋殼顆粒粒徑為0.4～2 mm，厚度為0.30～0.32 mm，密度為2 300 kg/m3；蛋膜碎片粒徑為3～5 mm，厚度約為0.1 mm,密度為409 kg/m3。殼膜混合物經(jīng)喂料機(jī)送入清選筒內(nèi)，蛋殼和蛋膜在筒內(nèi)氣流浮力、自身重力和離心力的共同作用下被分開(kāi)。質(zhì)量較大的蛋殼主要受重力和離心力的作用，在離心力的作用下蛋殼被甩向筒壁，并沿著筒壁做螺旋向下的運(yùn)動(dòng)，最終落入到蛋殼收集器中。在吸風(fēng)機(jī)的作用下，筒內(nèi)形成了外圍螺旋向下，中心區(qū)域向上的流場(chǎng)，質(zhì)量較小的蛋膜主要受中心向上氣流浮力的影響，當(dāng)中心區(qū)向上的氣流速度大于蛋膜懸浮速度時(shí)，蛋膜則被吸風(fēng)機(jī)吸出，最終收集在蛋膜收集器中?；旌衔镏械澳さ膽腋∷俣葹?.9～2.4 m/s，蛋殼的懸浮速度為7.4～8.6 m/s。

1.3 裝置設(shè)計(jì)

1.3.1清選氣流流量計(jì)算

清選氣流流量是影響清選筒清選能力(清潔率和回收率)的關(guān)鍵因素。清選氣流流量由待清選物料的質(zhì)量比例等因素決定，清選氣流流量Q計(jì)算公式為[15]

(1)

式中Q——空氣流量，m3/s

β——待清選物(蛋膜)占喂入量的比例，取8%

q——物料喂入量，取500 g/s

σ——?dú)饬髦械澳ふ蓟旌衔锪系馁|(zhì)量比，一般為0.1～0.2，取0.1

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

計(jì)算得Q≈0.333 m3/s,取Q=0.34 m3/s。

1.3.2清選筒直徑計(jì)算

清選筒內(nèi)的流場(chǎng)可以分成以升氣管的包絡(luò)面為分界面的兩部分，即中心柱狀區(qū)域速度向上的氣流和外圍速度螺旋向下的氣流，位于包絡(luò)面內(nèi)的氣流速度為vn，包絡(luò)面外的氣流速度為vw。清選筒直徑為[16]

(2)

式中Dx——升氣管直徑，取0.16 m

vn——升氣管內(nèi)高速區(qū)氣流速度，取7.3 m/s

vw——升氣管外低速區(qū)氣流速度，取2.5 m/s

計(jì)算得D=0.368 m,取D=0.38 m。

1.3.3清選筒內(nèi)壓力計(jì)算

旋風(fēng)清選筒內(nèi)的壓降主要由進(jìn)口擴(kuò)大損失、出口收縮損失、清選器內(nèi)旋流損失、吸風(fēng)管內(nèi)氣流的動(dòng)能耗散組成。

由式(1)計(jì)算得Q=0.34 m3/s，氣流工作速度即吸風(fēng)管內(nèi)氣流速度v3為

(3)

(4)

式中A——升氣管橫截面面積，m2

求得A為0.022 m2，代入式(3)，得v3=15.1 m/s。

風(fēng)機(jī)全壓p可表示為[15]

p=pd+pj+pf+px

(5)

式中pd——吸風(fēng)管內(nèi)動(dòng)壓，Pa

pj——吸風(fēng)管內(nèi)靜壓，克服空氣在吸風(fēng)管道流動(dòng)的阻力，Pa

pf——清選筒內(nèi)局部壓力損失，Pa

px——清選筒內(nèi)旋流壓力損失，Pa

(6)

將相應(yīng)參數(shù)代入式(6)得pd=127.4 Pa。

(7)

式中pj1——沿程壓力損失，Pa

pj2——局部壓力損失，Pa

pj3——進(jìn)出口壓力損失，Pa

ξ——?dú)饬髂Σ烈驍?shù)，取0.25

l——吸風(fēng)管道長(zhǎng)度，取1.1 m

γ——水力直徑，取0.16 m

ψ——管道對(duì)氣流的阻力系數(shù)

λ——風(fēng)機(jī)進(jìn)出口對(duì)氣流的阻力系數(shù)，取0.6

由圖1可知吸風(fēng)機(jī)管道有3個(gè)直角彎，則

(8)

式中R——轉(zhuǎn)角半徑，取0.09 m

θ——管道轉(zhuǎn)彎角度，取90°

代入式(7)，得pj=695.89 Pa。

空氣由落料口進(jìn)入清選筒(如圖2所示，氣流由1-1截面到2-2截面)會(huì)經(jīng)歷漸擴(kuò)損失pf1，由清選筒進(jìn)入升氣管(即氣流由2-2截面到3-3截面)會(huì)經(jīng)歷漸縮損失pf2。

圖2 清選筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure sketch of cleaning cylinder

氣流由1-1截面到2-2截面造成的壓力損失pf1由伯努利方程得

(9)

(10)

(11)

式中ζ1——?dú)饬饔陕淞峡谶M(jìn)入漸擴(kuò)口的系數(shù)

v2——截面2處垂直向上風(fēng)速,m/s

A2——截面2處截面面積,m2

A3——截面3處截面面積,m2

k——與擴(kuò)散角有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)吉布松試驗(yàn)，k取0.82

A1——截面1處截面面積,m2

經(jīng)計(jì)算，得pf1=19.27 Pa。

由伯努利方程可知pf2為

(12)

式中ζ2——由清選筒進(jìn)入升氣管的系數(shù)，查魏斯巴赫試驗(yàn)的Cc值及傅里門(mén)試驗(yàn)的值表，取ζ2=0.428[17]

經(jīng)計(jì)算，得pf2=47.14 Pa。由

pf=pf1+pf2

(13)

計(jì)算得pf=86.41 Pa。

Stairmand從動(dòng)量矩平衡計(jì)算了旋風(fēng)分離器中的速度分布，然后結(jié)合進(jìn)出口的靜壓損失與旋流中的靜壓損失計(jì)算了壓降[17]

(14)

其中

(15)

式中vj——物料進(jìn)口處風(fēng)速,m/s

D——清選筒直徑,取340 mm

a——物料進(jìn)口高度,取110 mm

b——物料進(jìn)口寬度,取90 mm

AR——旋風(fēng)清選筒內(nèi)壁面積,取1.015 m2

G——器壁摩擦因數(shù),取0.005

由式(14)得px=286 Pa，故根據(jù)式(5)得風(fēng)機(jī)全壓p=1 195.7 Pa。根據(jù)

(16)

式中N——風(fēng)機(jī)功率，kW

η0——全壓效率，取0.6

η1——機(jī)械效率，風(fēng)機(jī)與電機(jī)直連故取1

計(jì)算得N=1.43 kW，故選擇風(fēng)機(jī)功率為1.5 kW。

2 數(shù)值模擬

2.1 清選筒劃分網(wǎng)格及蛋殼膜建模

使用UG 10.0對(duì)清選筒進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入到ICEM 17.0中構(gòu)建網(wǎng)格模型，采用了六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，劃分了邊界層和O-Block,網(wǎng)格總數(shù)54萬(wàn)。由于旋風(fēng)清選筒矩形入口與圓筒段相切，形成一個(gè)非常尖銳的切角，因此，在劃分網(wǎng)格、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處理時(shí)，造成網(wǎng)格質(zhì)量偏低。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)模型做了微調(diào)，使矩形物料入口部分向清選筒圓心側(cè)偏移5 mm(不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響)，以緩解入料口與清選筒相切處的尖角，對(duì)物料進(jìn)口處進(jìn)行Y型切分。改進(jìn)后網(wǎng)格質(zhì)量Determinant 2×2×2由原先的0.2提升到0.65以上，Angle 由原先的0°提高到18°以上，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型圖Fig.3 Schematic of grid model1.升氣管 2.進(jìn)料口 3.清選筒筒體 4.落料口

由于粉碎后粒徑較小，近似呈平面，故在EDEM中用2 916個(gè)半徑0.05 mm的小球擬合成長(zhǎng)、寬、高為4 mm×4 mm×0.1 mm的蛋膜顆粒模型；用289個(gè)半徑0.15 mm的小球擬合成長(zhǎng)、寬、高為1.8 mm×1.8 mm×0.3 mm的蛋殼顆粒模型，模型如圖4所示。

圖4 EDEM中的物料模型Fig.4 Material models in EDEM

2.2 物理模型

旋風(fēng)式清選筒涉及復(fù)雜的氣體-顆粒兩相流動(dòng)，因此使用 CFD-DEM耦合計(jì)算，其中氣相由Fluent 17.0求解，顆粒相由EDEM 2.7求解。Fluent 17.0中用來(lái)求解多相流的模型有Volume of Fluid、Mixture、Eulerian，在流場(chǎng)計(jì)算中由于顆粒相的體積分?jǐn)?shù)較小，為提高計(jì)算精度，本文使用Eulerian多相流模型。由于清選筒內(nèi)的流場(chǎng)是三維強(qiáng)旋湍流流動(dòng)，故選擇RNGk-ε湍流模型。另外因?yàn)榍暹x筒內(nèi)旋流是占優(yōu)流動(dòng)，所以還需選擇Swirl Dominated Flow 選項(xiàng)[18-19]。

氣體相連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可以表示為[20-21]

(17)

(18)

式中ε——體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)

t——時(shí)間，s

v——清選筒內(nèi)氣相速度，m/s

F——?dú)怏w微元體上的壓力,N

μ——?dú)怏w的動(dòng)力粘度,Pa·s

E——?jiǎng)恿吭错?xiàng)

動(dòng)力粘度為氣流粘性的度量，取值隨溫度變化，根據(jù)試驗(yàn)中氣流溫度取μ=1.83×10-5Pa·s。

圖5 清選筒內(nèi)軸向截面壓力分布云圖Fig.5 Pressure distribution cloud diagrams of axial section in cleaning cylinder

動(dòng)量源項(xiàng)E表達(dá)式為

(19)

式中V——網(wǎng)格單元的體積，m3

FD,i——第i顆粒受到的曳力

n——顆粒數(shù)

顆粒相采用EDEM求解，在顆粒進(jìn)入到清選筒時(shí)，顆粒-顆粒、顆粒-筒壁會(huì)發(fā)生接觸碰撞，采用 Hertz-Mindlin 無(wú)粘結(jié)接觸模型。

2.3 參數(shù)設(shè)置

為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文先在Fluent中對(duì)氣相進(jìn)行模擬，待收斂后，清選筒內(nèi)的流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，再與EDEM進(jìn)行耦合。

Fluent采用Pressure-Based求解器，Eulerian模型，湍流設(shè)置為RNGk-ε模型并選擇Swirl Dominated Flow和標(biāo)準(zhǔn)型近壁函數(shù)。邊界條件設(shè)置：進(jìn)料口設(shè)置為速度進(jìn)口6 m/s,蛋膜出口邊界與吸風(fēng)機(jī)相連設(shè)置為壓力出口，表壓設(shè)置為-1 300 Pa,落料口在風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)會(huì)有空氣流入，設(shè)為壓力進(jìn)口，表壓為0。解算方法設(shè)置：壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO!格式，數(shù)值求解算法采用非交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLEC算法,由于在劃分旋風(fēng)式清選筒網(wǎng)格時(shí)采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，故對(duì)流項(xiàng)采用改進(jìn)的QUICK格式。

EDEM采用Hertz-Mindlin (no-slip) 接觸模型，清選筒材料設(shè)置為有機(jī)玻璃。由于清選筒在工作時(shí)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，故參數(shù)設(shè)置比較簡(jiǎn)單。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

2.4.1流場(chǎng)的氣相壓力

圖5為YOZ截面清選筒軸向動(dòng)壓、靜壓和總壓分布云圖；圖6為z=350 mm、z=150 mm、z=0 mm(z=0 mm為圖2所示2-2截面處,下同)、z=-150 mm時(shí)橫截面的動(dòng)壓、靜壓和總壓的分布云圖。從圖中可以看出動(dòng)壓、靜壓和總壓都大致呈軸對(duì)稱分布， 中心處氣壓最低，沿半徑向外壓力逐漸增大，近壁面壓力最大。動(dòng)壓對(duì)壓力分布影響極小，靜壓決定了總壓的分布。清選筒軸心處壓力呈現(xiàn)負(fù)壓形式，從軸向壓力分布云圖中可以看出靜壓和總壓軸向分布由底向上逐漸減小，升氣管負(fù)壓達(dá)到最大，但壓力梯度變化不明顯。

圖6 清選筒內(nèi)徑向截面壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud diagrams of radial section in cleaning cylinder

2.4.2流場(chǎng)的氣流速度

圖7為YOZ截面的速度分布云圖和矢量圖。圖8為z=350 mm、z=150 mm、z=0 mm、z=-150 mm處橫截面的速度分布云圖和矢量圖。從圖中可以看出，清選筒內(nèi)的速度分布十分復(fù)雜，但大體呈現(xiàn)出關(guān)于Z軸的對(duì)稱分布。

圖7 清選筒內(nèi)軸向截面速度分布圖Fig.7 Velocity distribution maps of axial section in cleaning cylinder

圖8 清選筒內(nèi)徑向截面速度分布圖Fig.8 Velocity distribution diagrams of radial section in cleaning cylinder

圖7b和圖8b表明清選筒內(nèi)外圍的速度較大，且方向向下，形成外渦流，中間軸附近氣流的速度方向向上，形成內(nèi)流。由圖可以得到，由筒壁到清選筒中心，速度是先減小后增大，在升氣管處速度最高，中心柱狀區(qū)域速度較為穩(wěn)定。近壁區(qū)由于與筒壁摩擦等因素造成能量的損耗，速度沿著筒壁往下逐漸減小，到了錐體部分時(shí)，由于錐體形狀特征的影響，旋轉(zhuǎn)的半徑變小，速度在近壁面又有明顯增加。

2.4.3分離筒直徑對(duì)蛋殼膜清選的影響

圖9和圖10是在前述仿真條件下，物料流量為500 g/s進(jìn)行的CFD-DEM耦合模擬計(jì)算，仿真蛋殼膜在不同清選筒筒徑下的運(yùn)動(dòng)情況。為了使仿真表達(dá)得更為明顯，選出一些具有代表性的蛋殼膜進(jìn)行軌跡跟蹤。從圖9a可以看出，蛋膜從入料口進(jìn)入清選筒后，在負(fù)壓的作用下直接由升氣管排出，并沒(méi)在清選筒中滯留；從圖9b可以清晰地看出，蛋殼的運(yùn)動(dòng)軌跡大致分為兩種：與蛋膜一樣由升氣管排出；由清選筒下出口排出，并沒(méi)有明顯的螺旋現(xiàn)象。

圖9 物料在D=350 mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Movement trajectory of materials at D=350 mm

圖10 物料在D=450 mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Movement trajectory of materials at D=450 mm

從圖10a中可以看出，蛋膜的運(yùn)動(dòng)軌跡十分混亂，一部分蛋膜直接從升氣管排出，大部分蛋膜從入料口處運(yùn)動(dòng)到錐筒段后向上運(yùn)動(dòng)，蛋膜在清選筒內(nèi)滯留時(shí)間長(zhǎng)，且排出不徹底。從圖10b可以看出，蛋殼在清選筒中螺旋下落，在錐筒段末端有明顯的回流現(xiàn)象。由圖9和圖10分析可知，當(dāng)筒徑較小時(shí)，清選筒物料入口與升氣管距離較近導(dǎo)致較小的蛋殼會(huì)隨膜一起收集，筒徑小則殼膜受到的離心力大，導(dǎo)致殼膜在與筒壁的摩擦中，動(dòng)能減小從而沿著筒壁直接滑落；當(dāng)筒徑較大時(shí)，導(dǎo)致升氣管附近產(chǎn)生紊流，蛋膜排出不順，較大的筒徑會(huì)使下錐筒的錐度變大，這是造成蛋殼回流的主要原因。

2.4.4直筒段高度對(duì)蛋殼膜清選的影響

圖11和圖12是在其他條件不變，只改變筒體高度，探究其對(duì)殼膜軌跡影響的仿真結(jié)果。如圖11a所示，蛋膜在清選筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較為順暢，大部分蛋膜能夠從升氣管直接排除，只有小部分的蛋膜在清選筒頂部旋轉(zhuǎn)一圈后排出；從圖11b可以看出，蛋殼在直筒段呈螺旋下降，但在錐筒段運(yùn)動(dòng)軌跡比較亂，且大部分蛋殼滯留在錐筒段，并沒(méi)有排出。圖12a明顯表明蛋膜在清選筒中的運(yùn)動(dòng)十分混亂，約有一半的蛋膜滯留在清選筒中無(wú)法排出，其運(yùn)動(dòng)軌跡遍布整個(gè)清選筒；從圖12b可以看到，蛋殼的運(yùn)動(dòng)非常流暢，整體呈螺旋下落，在錐筒段并沒(méi)有回流現(xiàn)象，蛋殼排出順暢。

圖11 物料在He=360 mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Movement trajectory of materials at He=360 mm

圖12 物料在He=440 mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Movement trajectory of materials at He=440 mm

由圖11和圖12分析可知，直筒的高度大可以增加物料在筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，可以使一些卷進(jìn)上升氣流的蛋膜從氣流中分離出來(lái)，有利于更好地清選蛋膜和蛋殼，但直筒段過(guò)高使得氣流的壓降增大，即氣流和蛋殼膜混合物能量損耗較大，蛋膜吸不上去。直筒段過(guò)小則清選筒內(nèi)的壓力損耗較小，導(dǎo)致下錐口速度較大，從而使蛋殼堆積在錐筒部分，無(wú)法排出。

2.4.5清選筒尺寸的確定

經(jīng)過(guò)前期的理論計(jì)算和大量數(shù)值仿真分析，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[10-11，15，22-28]，取清選筒的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1。

表1 清選筒結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Tab.1 Cleaning cylinder structure parameters mm

圖13為模擬顆粒與試驗(yàn)蛋殼膜分布的對(duì)比圖，從圖中可以明顯地看出，蛋殼螺旋下降而蛋膜從清選筒頂部升氣管排出，試驗(yàn)清選筒內(nèi)的蛋殼膜分布與模擬仿真的相似，總體看來(lái)模擬仿真能夠反映殼膜運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖13 模擬與試驗(yàn)對(duì)比Fig.13 Comparison between simulation and experiment

3 殼膜清選分離試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)儀器包括：清選筒、加野KANOMAX型熱式風(fēng)速儀(可測(cè)風(fēng)速和風(fēng)壓)、泰仕PROVA AVM-05型手持式風(fēng)速儀、臺(tái)達(dá)VFD-M型變頻器、JFSD-100-Ⅱ型粉碎機(jī)、FA2004B型電子天平。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)第四食堂提供的種類(lèi)、大小基本一致的海蘭褐雞蛋殼。

3.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)流程圖Fig.14 Experimental flow chart

3.3 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

物料進(jìn)口速度和清選筒升氣管負(fù)壓分別通過(guò)喂料機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。以清選筒筒頂結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量作為試驗(yàn)因素，以蛋膜的清潔率和回收率作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。在上述流程中取一部分粉碎后的蛋殼膜稱量，均分成3組，經(jīng)手動(dòng)過(guò)不同目數(shù)的篩子篩分后，清選蛋殼膜，然后稱量清選出來(lái)的蛋膜質(zhì)量，根據(jù)蛋殼膜分離率Z公式[7]

(20)

式中M——蛋殼膜混合物的總質(zhì)量，g

m——從蛋殼膜清選出的蛋膜質(zhì)量，g

得平均分離率為80.4%。

蛋膜清選的清潔率Yq和回收率Yh分別為

(21)

(22)

其中

mc=0.030 43MZ

式中ma——清選出的蛋膜質(zhì)量，g

mb——ma經(jīng)1 mol/L鹽酸處理后蛋膜質(zhì)量，g

mc——蛋殼膜理論分離的蛋膜質(zhì)量，g

3.4 試驗(yàn)方案

3.4.1正交試驗(yàn)

以蛋膜清選的清潔率和回收率作為試驗(yàn)指標(biāo)，以清選筒筒頂結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速、喂入量作為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表2，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3。

正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，影響蛋膜清選清潔率的主次因素依次為B、D、C、A，優(yōu)水平組合為A1B2C3D2;影響蛋膜清選回收率的主次因素依次為B、C、D、A，優(yōu)水平組合為A2B3C2D1。由于以上兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)組合存在差異，故對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)總和評(píng)定法分析。設(shè)影響清潔率因素權(quán)重取0.4，影響回收率因素權(quán)重取0.6，則影響總和指標(biāo)的主次因素為B、C、D、A。由此可見(jiàn)，因素B、C對(duì)殼膜清選的清潔率和回收率影響較為顯著。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Level of experimental factors

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Orthogonal test plan and result analysis

3.4.2二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

由上述正交試驗(yàn)的分析結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)清潔率和回收率的影響較為顯著，故二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)中僅考慮因素B、C，其它因素取綜合評(píng)定最優(yōu)值，即清選筒筒頂結(jié)構(gòu)為錐頂，喂入量500 g/s，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。試驗(yàn)因素編碼表如表4所示，試驗(yàn)安排與結(jié)果如表5所示。X1、X2為因素編碼值。

表4 試驗(yàn)因素編碼Tab.4 Experimental factor and code r/min

表5 二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Arrangement and results of quadratic universal rotary assembly experiment

借助Design-Expert 10.0.8對(duì)表5二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到各個(gè)因素對(duì)蛋膜回收的清潔率Yq和回收率Ys的影響。其回歸方程為

(23)

(24)

對(duì)上述二次回歸方程進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表6和表7。通過(guò)表6和表7的顯著性檢驗(yàn)可知，模型的擬合效果好。

表6 清潔率方差分析Tab.6 Analysis of variance of cleaning rate

注：*** 表示差異極顯著(P<0.01)；*表示差異顯著(0.05

表7 回收率方差分析Tab.7 Analysis of variance of recovery rate

注：*** 表示差異極顯著(P<0.01)；** 表示差異較顯著(0.01

圖15 交互作用影響下的響應(yīng)曲面Fig.15 Response surfaces under interaction influence

圖15a為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)蛋膜清潔率的影響，從圖中可以看出，當(dāng)喂料機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高，蛋膜的清潔率先增大后減小，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 809 r/min左右時(shí)，隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，蛋膜清潔率降低；當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，蛋膜清潔率的變化不是特別明顯。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用在蛋膜清潔率的方差分析中影響不顯著。

圖15b為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)蛋膜回收率的影響，從圖中可以看出，當(dāng)喂料機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高，蛋膜的回收率一直在增大，只是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，蛋膜的回收率增加效果不明顯；當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，喂料機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高，蛋膜回收率總體減小，在喂料機(jī)轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)，蛋膜回收率變化不明顯。

3.4.3參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高膜的回收率和清潔率，通過(guò)響應(yīng)曲面分析，利用Design-Expert 10.0.8優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化。由于本文所建立的模型為多目標(biāo)函數(shù)，是具有不等式約束的非線性模型，因此采用主要目標(biāo)法和懲罰函數(shù)法對(duì)所得的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化，最后得出最佳參數(shù)組合：

目標(biāo)函數(shù)F(X)=-Yh

性能約束條件G(X)=Yq≥96%

最優(yōu)參數(shù)組合為：X1=0.804 1，X2=-0.572 9，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 892 r/min,喂料機(jī)轉(zhuǎn)速為918 r/min。在此最優(yōu)參數(shù)下保證了膜回收率最高，同時(shí)膜清潔率最高，即Yh高于94%,Yq高于96%。

3.4.4試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，選取正交試驗(yàn)確定的錐形筒頂、喂入量500 g/s和優(yōu)化試驗(yàn)得到的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)條件，每次喂入殼膜混合物1 500 g，重復(fù)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，取均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表8可知，最終試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化值接近，優(yōu)化結(jié)果可信。試驗(yàn)情況如圖16所示。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Verification test results

圖16 試驗(yàn)情況Fig.16 Experiment photos

4 結(jié)論

(1)模擬分析了旋風(fēng)式氣流清選筒的內(nèi)部流場(chǎng)特性，其壓力場(chǎng)徑向呈周?chē)?、中心小的分布；軸向分布由下到上壓力逐漸降低，升氣管處負(fù)壓最小。速度場(chǎng)則是中心氣流速度向上，周?chē)俣嚷菪蛳隆Ｇ暹x筒內(nèi)部的流場(chǎng)分布有利于殼膜的清選。

(2)耦合仿真分析了旋風(fēng)式清選筒的直徑、直筒段高度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。增大筒徑會(huì)造成顆粒在下錐部分堆積；增加筒體高度會(huì)增加壓力損耗，蛋膜螺旋向下，不利于收集；增加物料入口速度會(huì)導(dǎo)致物料離心力增大，使物料緊貼筒壁運(yùn)動(dòng)。

(3)通過(guò)正交試驗(yàn)選出對(duì)蛋膜清選回收率和清潔率影響較大的2個(gè)因素，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)行二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立了膜回收率、清潔率和試驗(yàn)因素之間的回歸方程。

(4)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，確定了錐形筒頂，喂入量500 g/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 892 r/min和喂料機(jī)轉(zhuǎn)速918 r/min，此時(shí)蛋膜回收率高于94%，蛋膜清潔率高于96%。驗(yàn)證試驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果相近，優(yōu)化結(jié)果可信。