氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置研究

遲 媛 王明久 陳博超 林萌萌 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

2021年我國(guó)禽蛋產(chǎn)量為3 409萬(wàn)t，按照蛋殼質(zhì)量占禽蛋質(zhì)量的11%換算[1]，將會(huì)產(chǎn)生375萬(wàn)t廢棄的蛋殼，而蛋殼和蛋膜在食品、醫(yī)藥、輕化工業(yè)、飼養(yǎng)業(yè)等領(lǐng)域有很大的利用價(jià)值[2-5]。清選是將分離后的蛋殼和蛋膜混合物分開(kāi)并實(shí)現(xiàn)分別收集。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了之字形重力空氣分級(jí)機(jī)，在氣流和重力的共同作用下，葵花籽殼較輕向上運(yùn)動(dòng)，葵花籽粒較重沿鋸齒形通道壁下落，最終使葵花籽殼與籽粒分開(kāi)并分別被收集。文獻(xiàn)[7]對(duì)水平流型分級(jí)機(jī)進(jìn)行分析，粗、細(xì)顆?；旌衔镌诜旨?jí)裝置內(nèi)受到了水平氣流的作用，使其在重力和曳力的共同作用下呈弧線下落，最后粗、細(xì)顆粒分別落在不同位置上并被收集。文獻(xiàn)[8]利用振動(dòng)篩振動(dòng)蛋殼、膜混合物，輕的、大的蛋膜留在上部皮帶上，重的、小的蛋殼落到底部皮帶上，再通過(guò)皮帶傳送到各自的收集袋里。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了旋風(fēng)式氣流清選裝置，利用旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)特性，使漂浮速度大的蛋殼沿著筒壁螺旋向下運(yùn)動(dòng)，漂浮速度小的蛋膜沿中間柱狀區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了蛋殼和蛋膜的清選。目前研究的蛋殼膜清選裝置存在蛋膜清潔率低、功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)-數(shù)字高程模型(CFD-DEM)耦合的方法對(duì)氣吸式多級(jí)清選裝置進(jìn)行仿真，研究清選室進(jìn)口擋板的位置、數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清選室流場(chǎng)特性、蛋殼膜軌跡的影響，并采用正交試驗(yàn)和綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，探究喂入量和吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速對(duì)蛋膜損失率和清潔率的影響，以期為蛋殼膜清選提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 氣吸式多級(jí)清選裝置結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)

氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由清選室、負(fù)壓室、進(jìn)口擋板、內(nèi)壁擋板、內(nèi)壁、入料口、進(jìn)氣口、下出口、吸風(fēng)機(jī)連接口組成，入料口與負(fù)壓室相鄰可減小渦流對(duì)下落的蛋殼、膜混合物的阻礙作用，下出口與空氣相通，可消除出口的渦流，有利于蛋殼的下落。

圖1 氣吸式多級(jí)清選裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketches of multi-aspirator device1.入料口 2.進(jìn)氣口上擋板 3.進(jìn)氣口下?lián)醢?4.進(jìn)氣口 5.下出口 6.清選室 7.內(nèi)壁擋板 8.內(nèi)壁 9.內(nèi)壁出氣口 10.負(fù)壓室 11.吸風(fēng)機(jī)連接口

1.2 工作原理

蛋殼、膜混合物從入料口下落到氣吸式多級(jí)清選裝置的傾斜擋板上并沿?fù)醢逑蛳禄洌罱K會(huì)滑落到擋板的下邊緣，在蛋殼、膜向下滑落的過(guò)程中蛋膜顆粒會(huì)被錯(cuò)流風(fēng)攜帶到負(fù)壓室。但在清選過(guò)程中蛋殼、膜顆粒間存在相互作用，導(dǎo)致蛋殼、膜在第1次經(jīng)過(guò)錯(cuò)流風(fēng)區(qū)后不能完全分開(kāi)，即部分蛋膜會(huì)隨著蛋殼繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。由于清選裝置內(nèi)的擋板形成了6個(gè)錯(cuò)流風(fēng)區(qū)域，所以繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)的蛋殼、膜混合物會(huì)受到錯(cuò)流風(fēng)的多次作用，進(jìn)而使蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室并隨氣流一同經(jīng)過(guò)清選裝置與吸風(fēng)機(jī)連接口后進(jìn)入吸風(fēng)機(jī)，最后蛋膜從吸風(fēng)機(jī)的排氣口排出并被收集，蛋殼在清選裝置下出口被收集。

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

清選裝置進(jìn)氣口和內(nèi)壁出氣口尺寸會(huì)對(duì)清選裝置內(nèi)氣流流場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，是清選裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。吸風(fēng)機(jī)連接口處氣流流量Q計(jì)算公式為[10]

(1)

式中s——蛋殼、膜混合物的喂入量，取0.05～0.50 kg/s

φ——蛋膜顆粒占混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取3.043%[11]

δ——攜帶蛋膜顆粒氣流中蛋膜顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取20%

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

(2)

式中l(wèi)——內(nèi)壁出氣口長(zhǎng)度，mm

b——內(nèi)壁出氣口寬度，mm

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得蛋殼、膜混合物中蛋殼顆粒粒徑為0.4～2.4 mm，蛋膜顆粒粒徑為1.7～4.0 mm，此粒徑范圍內(nèi)蛋殼漂浮速度為3.7～4.3 m/s，蛋膜漂浮速度為1.1～1.8 m/s。內(nèi)壁出氣口處氣流速度應(yīng)大于蛋膜顆粒漂浮速度，小于蛋殼顆粒漂浮速度，即1.8 m/s

表1 氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of multi-aspirator device for collecting eggshells and eggshell membranes

1.4 蛋殼、膜顆粒碰撞分析

采用速度矢量分解的方法對(duì)三維顆粒碰撞進(jìn)行建模，蛋殼膜顆粒碰撞示意圖如圖2所示，圖中v1為蛋膜顆粒碰撞時(shí)速度，v2為蛋殼顆粒碰撞時(shí)速度。顆粒碰撞時(shí)碰撞方向具有不確定性，因此以碰撞時(shí)的切平面為基礎(chǔ)建立局部坐標(biāo)系ouvw，便于碰撞時(shí)顆粒的速度分析，但分析碰撞后顆粒速度對(duì)清選效果的影響是在全局坐標(biāo)系oxyz中進(jìn)行的，所以利用歐拉角將局部坐標(biāo)系中的速度轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)系中的速度，轉(zhuǎn)換矩陣為

(3)

(4)

式中α——xy平面與uv平面的交線與x軸的夾角，(°)

β——z軸與w軸的夾角，(°)

γ——xy平面與uv平面的交線與v軸的夾角，(°)

θ——兩顆粒在uv平面上相對(duì)速度與v軸夾角，(°)

v1,x0、v2,x0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在x軸上的速度，m/s

v1,y0、v2,y0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在y軸上的速度，m/s

v1,z0、v2,z0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在z軸上的速度，m/s

v1,u0、v2,u0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在u軸上的速度，m/s

v1,v0、v2,v0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在v軸上的速度，m/s

v1,w0、v2,w0——碰撞時(shí)蛋膜、蛋殼顆粒在w軸上的速度，m/s

圖2 蛋殼膜顆粒碰撞示意圖Fig.2 Diagram of collision between eggshells and eggshell membranes particles

根據(jù)動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒定律可獲得碰撞后蛋膜、蛋殼顆粒在全局坐標(biāo)系中z軸上的速度為

(5)

(6)

式中m1——蛋膜顆粒質(zhì)量，g

m2——蛋殼顆粒質(zhì)量，g

v3——兩顆粒碰撞時(shí)在z軸上蛋膜顆粒相對(duì)于蛋殼顆粒的速度，m/s

e1——蛋膜碰撞恢復(fù)系數(shù)

e2——蛋殼碰撞恢復(fù)系數(shù)

2 清選過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 清選裝置網(wǎng)格劃分

使用CATIAV5R21軟件對(duì)氣吸式多級(jí)清選裝置進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入到ICEM 19.2軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并劃分邊界層，網(wǎng)格總數(shù)為5萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量在0.55以上，內(nèi)角角度在32°以上，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。

2.2 仿真模型及參數(shù)設(shè)定

氣吸式多級(jí)清選裝置涉及氣體-固體顆粒兩相流動(dòng)，因此使用CFD-DEM耦合方法進(jìn)行仿真，其中氣相由Fluent 19.2求解，顆粒相由EDEM 2018求解，耦合模型包括Lagrangian模型和Eulerian模型，為提高計(jì)算精度采用Fluent 19.2中的Eulerian多相流模型[13-16]。因?yàn)樵谇暹x過(guò)程中蛋殼、膜顆粒之間會(huì)發(fā)生相互作用，且蛋殼、膜顆粒間相互作用具有隨機(jī)性，所以選擇基于Eulerian-Lagrangian模型的離散元方法(CFD-DEM)。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)仿真提取多次數(shù)值模擬后蛋膜損失率和清潔率數(shù)據(jù)，最終確定吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為4.5、5.5、6.5 m/s，3種吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，故下文取速度平均值5.5 m/s作為清選裝置數(shù)值模擬時(shí)的吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速。

Fluent采用Pressure-Based求解器，湍流模型設(shè)置為RNGk-ε模型并選擇標(biāo)準(zhǔn)近壁面函數(shù)。Fluent軟件中邊界條件設(shè)置：入料口、下出口和進(jìn)氣口設(shè)置為壓力進(jìn)口，表壓為0 Pa；吸風(fēng)機(jī)連接口設(shè)置為速度出口，風(fēng)速為5.5 m/s；進(jìn)氣口水力直徑為27.0 mm，入料口水力直徑為50.0 mm，下出口水力直徑為120.0 mm，吸風(fēng)機(jī)連接口水力直徑為96.0 mm。EDEM軟件中接觸模型選用Hertz-Mindlin模型，入料口類型設(shè)置為virtual，進(jìn)氣口和吸風(fēng)機(jī)連接口類型設(shè)置為physical，蛋膜密度為409.0 kg/m3，蛋殼密度為2300.0 kg/m3，蛋膜彈性模量為328.95 MPa，蛋殼彈性模量為40.12 GPa[17]，重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2，仿真步長(zhǎng)為Rayleigh time step的23%。

2.3 模型無(wú)關(guān)性論證

由于本試驗(yàn)中粉碎后的蛋殼、膜呈不規(guī)則片狀且其厚度很小，所以用EDEM軟件對(duì)蛋殼、膜進(jìn)行填充建模時(shí)，一個(gè)蛋殼、膜顆粒需要由幾百個(gè)小直徑的球體顆粒填充組成[9]，導(dǎo)致耦合仿真時(shí)計(jì)算速度大大降低、顆粒工廠產(chǎn)生的顆粒數(shù)量較少，進(jìn)而使蛋殼、膜顆粒與蛋殼、蛋膜、壁面之間的相互作用減少，導(dǎo)致蛋膜損失率的數(shù)值模擬結(jié)果低于實(shí)際值。文獻(xiàn)[18-21]利用斯托克斯直徑公式將不規(guī)則顆粒轉(zhuǎn)化為球形顆粒。本文擬采用斯托克斯直徑公式將不規(guī)則顆粒轉(zhuǎn)化成與顆粒密度相同、沉降速度相同的球體，則可以增加顆粒工廠產(chǎn)生的顆粒數(shù)量，進(jìn)而增加蛋殼、膜顆粒與蛋殼、蛋膜、壁面之間的相互作用，減小數(shù)值模擬誤差，斯托克斯直徑公式為[22]

(7)

式中dp——斯托克斯直徑，mm

vst——顆粒漂浮速度，m/s

μ——空氣動(dòng)力粘度，取1.79×10-5Pa·s

g——重力加速度，取9.81 m/s2

ρp——顆粒密度

將上文蛋殼、膜顆粒的粒徑及其漂浮速度代入式(7)可得到轉(zhuǎn)化成球體的蛋殼、膜顆粒直徑，蛋殼顆粒直徑為0.2 mm，蛋膜顆粒直徑為 0.3～0.4 mm。在相同初始條件下采用蛋殼、膜填充模型和斯托克斯球體模型進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得兩種模型的蛋殼、膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖3所示，兩種模型的速度、運(yùn)動(dòng)軌跡變化趨勢(shì)十分相近。如圖4所示，采用高速攝像提取顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與用斯托克斯模型仿真獲得的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡變化趨勢(shì)相似。由以上分析可知斯托克斯球體模型能更加真實(shí)地模擬蛋殼、膜的顆粒運(yùn)動(dòng)，所以選用斯托克斯球體模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 兩種模型的蛋殼、膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.3 Eggshells and eggshell membranes movement diagrams of two models

圖4 高速攝像提取的顆粒軌跡與用斯托克斯模型仿真顆粒軌跡對(duì)比Fig.4 Particle trajectories extracted by high-speed camera compared with those simulated by Stokes model

2.4 仿真結(jié)果與分析

2.4.1進(jìn)氣口有無(wú)擋板對(duì)清選性能的影響

圖5為進(jìn)氣口沒(méi)有擋板時(shí)蛋殼、膜的運(yùn)動(dòng)軌跡，在清選過(guò)程中蛋殼、膜主要受到重力、曳力和支持力的作用，重力起到使蛋殼、膜向下運(yùn)動(dòng)的作用，曳力起到推動(dòng)蛋殼、膜沿氣流方向運(yùn)動(dòng)的作用，支持力是蛋殼、膜落在擋板上時(shí)受到擋板的作用力。蛋殼下落時(shí)與內(nèi)壁擋板無(wú)接觸，則蛋殼在清選過(guò)程中只受到重力和曳力的作用且重力起主要作用，所以大部分蛋殼以弧形軌跡直接運(yùn)動(dòng)到清選室下出口，少量的蛋殼與清選室的壁面碰撞后落在內(nèi)壁擋板上，然后再向下滑動(dòng)，最后在清選裝置的下出口被收集；直徑為0.3 mm的蛋膜下落時(shí)與內(nèi)壁擋板無(wú)接觸且蛋膜密度較小，則蛋膜在清選過(guò)程中只受到重力和曳力的作用且曳力起主要作用，所以蛋膜隨氣流從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室并進(jìn)入吸風(fēng)機(jī)而被收集，但直徑為0.4 mm的蛋膜下落時(shí)受到的曳力較小，導(dǎo)致蛋膜落在內(nèi)壁擋板和內(nèi)壁的交接處，蛋膜在重力、曳力、支持力的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，蛋膜不能從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室，因此蛋膜損失嚴(yán)重。

圖5 進(jìn)氣口無(wú)擋板時(shí)蛋殼、膜隨時(shí)間變化的軌跡Fig.5 Trajectories of eggshells and eggshell membranes with time when air inlet without baffles

圖6 進(jìn)氣口雙擋板時(shí)蛋殼、膜隨時(shí)間變化的軌跡Fig.6 Trajectories of eggshells and eggshell membranes with time when air inlet with double baffles

圖6為進(jìn)氣口雙擋板時(shí)蛋殼、膜的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)進(jìn)氣口擋板和內(nèi)壁擋板對(duì)蛋殼、膜的交替作用，使蛋殼、膜在清選室的運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，每個(gè)錯(cuò)流風(fēng)區(qū)的氣流對(duì)蛋殼、膜的作用時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，從而減小了蛋膜的損失率。由于蛋殼在豎直向上方向的速度分量小于蛋殼的漂浮速度，故蛋殼在整個(gè)過(guò)程中曲折下落；在錯(cuò)流風(fēng)區(qū)氣流的作用下，蛋膜具有水平向右和豎直向上的速度分量且豎直向上的速度分量大于蛋膜的漂浮速度，故蛋膜可在錯(cuò)流風(fēng)區(qū)從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室，但由于顆粒間存在相互作用，向下運(yùn)動(dòng)的蛋殼對(duì)蛋膜的向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致少部分直徑為0.3 mm和0.4 mm的蛋膜不能在第1次經(jīng)過(guò)錯(cuò)流風(fēng)區(qū)時(shí)從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室，即少部分蛋膜隨蛋殼一起向下運(yùn)動(dòng)，由于氣吸式多級(jí)清選裝置具有6個(gè)錯(cuò)流風(fēng)區(qū)，未進(jìn)入負(fù)壓室的部分蛋膜可進(jìn)行多次清選，從而降低蛋膜損失率。

2.4.2進(jìn)氣口擋板位置對(duì)清選性能的影響

進(jìn)氣口單擋板時(shí)，空氣也會(huì)從進(jìn)氣口進(jìn)入清選室并起到清選作用，且清選裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，為探究進(jìn)口擋板數(shù)量與擋板位置對(duì)清選裝置內(nèi)流場(chǎng)特性與蛋膜損失率和清潔率的影響，對(duì)采用進(jìn)氣口下?lián)醢濉⑦M(jìn)氣口上擋板和進(jìn)氣口雙擋板的清選室的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖7 進(jìn)氣口采用下?lián)醢濉⑸蠐醢搴碗p擋板的蛋殼、膜軌跡Fig.7 Trajectories of eggshells and eggshell membranes when under baffle,upper baffle and double baffles were used for air inlet respectively

圖7為3種情況下清選裝置內(nèi)蛋殼和蛋膜的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖8為3種情況下清選裝置的對(duì)稱面(由圖1可知)的速度云圖，從圖7、8可知，清選室下出口均無(wú)渦流產(chǎn)生，避免了因氣流阻礙蛋殼下落而導(dǎo)致蛋膜清潔率下降，當(dāng)采用進(jìn)氣口下?lián)醢搴碗p擋板時(shí)，在錯(cuò)流風(fēng)區(qū)的氣流速度分布較有層次，當(dāng)采用進(jìn)氣口上擋板時(shí)，在錯(cuò)流風(fēng)區(qū)的氣流速度分布較為混亂。結(jié)合圖7、8分析如下：當(dāng)采用進(jìn)氣口下?lián)醢鍟r(shí)，如圖7a和圖8a所示，空氣進(jìn)入清選室沒(méi)有受到上擋板的阻礙作用，導(dǎo)致氣流擴(kuò)散，但氣流仍沿著進(jìn)氣口擋板向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到內(nèi)壁擋板下邊緣處時(shí)，由于進(jìn)氣口擋板與內(nèi)壁擋板傾斜角度不同，氣流運(yùn)動(dòng)方向改變，即氣流沿內(nèi)壁擋板向上運(yùn)動(dòng)，但氣流速度較小無(wú)法使蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室。當(dāng)采用進(jìn)氣口上擋板時(shí)，如圖7b和圖8b所示，空氣進(jìn)入清選室時(shí)受到上擋板的阻礙作用，增加了氣流沿上擋板向下運(yùn)動(dòng)的速度。由于相鄰進(jìn)氣口上擋板之間的空氣會(huì)與沿進(jìn)氣口上擋板向下運(yùn)動(dòng)的氣流相互作用，在進(jìn)氣口上擋板的下邊緣處形成較強(qiáng)的渦流，進(jìn)而使沿內(nèi)壁擋板向上運(yùn)動(dòng)的氣流速度下降，即氣流無(wú)法使部分直徑為0.4 mm的蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室。當(dāng)采用進(jìn)氣口雙擋板時(shí)，如圖7c和圖8c所示，空氣沿著進(jìn)氣口上下?lián)醢逯g的空隙進(jìn)入清選室，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到進(jìn)氣口擋板下邊緣處時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)入清選室的氣流速度與進(jìn)口擋板周圍空氣的流速差值較小，所以在進(jìn)氣口擋板下邊緣處形成的渦流較弱，進(jìn)而使沿內(nèi)壁擋板向上運(yùn)動(dòng)的氣流速度較大且大于直徑為0.4 mm的蛋膜的漂浮速度，有利于使蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室。

圖8 進(jìn)氣口采用下?lián)醢?、上擋板和雙擋板時(shí)清選裝置在對(duì)稱面的速度云圖Fig.8 Velocity diagrams of multi-aspirator device in symmetry plane when under baffle,upper baffle and double baffles were used for air inlet respectively

3 清選試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的海蘭褐雞蛋殼。試驗(yàn)儀器包括：自行研制的氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置、雷諾LR-ZJB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)、沐美M600TB-B型電子天平、篩網(wǎng)、自行研制的旋風(fēng)式氣流清選裝置[9]。氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)裝置Fig.9 Test device

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料制備：先將海蘭褐雞蛋殼進(jìn)行清洗、干燥、粉碎處理，得到分離的蛋殼和蛋膜混合物，然后使用課題組研制的旋風(fēng)式氣流清選裝置對(duì)其進(jìn)行清選，調(diào)節(jié)分選速度使其在蛋膜的漂浮速度范圍內(nèi)，以獲得純凈蛋膜，調(diào)節(jié)分選速度使其在蛋殼的漂浮速度范圍內(nèi)，以獲得純凈蛋殼，蛋膜與蛋殼按質(zhì)量比1∶31.86進(jìn)行混合[11]，作為試驗(yàn)材料。

氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置試驗(yàn)步驟：使用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)吸風(fēng)機(jī)連接口處的風(fēng)速，然后將按質(zhì)量比配好的蛋殼、膜混合物從氣吸式多級(jí)清選裝置的入料口喂入，在吸風(fēng)機(jī)排氣口收集蛋膜，在清選室下出口收集蛋殼。收集到的蛋膜中含有極少量的蛋殼，將蛋膜倒入含有濃度為3 mol/L鹽酸的燒杯中，使鹽酸與蛋殼充分反應(yīng)，反應(yīng)后燒杯中只留下蛋膜，蛋膜干燥后稱量，得到蛋膜的質(zhì)量,而蛋殼的質(zhì)量即為反應(yīng)前后的蛋膜的質(zhì)量差。蛋膜的損失率Y1和清潔率Y2計(jì)算公式分別為[23]

(8)

(9)

式中m3——反應(yīng)后的蛋膜質(zhì)量，g

m4——喂入混合物中的蛋膜質(zhì)量，g

m5——收集的蛋膜中含有的蛋殼質(zhì)量，g

3.3 單因素試驗(yàn)

根據(jù)前期仿真得到的清選裝置吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速范圍，為尋找喂入量的較優(yōu)范圍，在吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為4.5 m/s和5.5 m/s的情況下，進(jìn)行喂入量的單因素試驗(yàn)，喂入量分別設(shè)置為50、100、200、300、400、500 g/s。通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算得到蛋膜損失率和清潔率隨喂入量變化的曲線，如圖10所示。

圖10 喂入量與蛋膜清潔率、損失率的關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves between feeding flow rate and cleaning rate and loss rate of eggshell membranes

由圖10可知喂入量與吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速之間存在交互作用。隨喂入量的增加蛋膜損失率先降低后升高，蛋膜清潔率隨喂入量的增加而增大。喂入量為50～100 g/s時(shí)，蛋膜損失率和清潔率較低。喂入量為100～300 g/s時(shí)，蛋膜損失率低、清潔率高；喂入量大于300 g/s時(shí)，蛋膜損失率和清潔率都較大且蛋膜損失率上升幅度很大、清潔率上升幅度很小。因此選取喂入量100～300 g/s作為正交試驗(yàn)范圍。

3.4 正交試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析喂入量和吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速對(duì)蛋膜損失率和清潔率的綜合影響，應(yīng)用兩因素三水平正交試驗(yàn)方法[24]，選取喂入量、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為試驗(yàn)因素，蛋膜損失率、蛋膜清潔率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)影響氣吸式多級(jí)清選裝置的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)合前期數(shù)值模擬與單因素試驗(yàn)結(jié)果，取喂入量為100～300 g/s，吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為4.5～6.5 m/s，最終確定各因素水平如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示，A、B分別為喂入量、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速水平值。試驗(yàn)因素對(duì)蛋膜損失率Y1影響主次順序?yàn)锽、A，較優(yōu)因素水平組合為A1B3，即喂入量為100 g/s、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為6.5 m/s；試驗(yàn)因素對(duì)蛋膜清潔率Y2影響主次順序?yàn)锳、B，較優(yōu)因素水平組合為A3B1，即喂入量300 g/s、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為4.5 m/s。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.3 Test results and range analysis

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。喂入量和吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速對(duì)蛋膜損失率Y1、清潔率Y2影響極顯著(P<0.01)，這是因?yàn)榈皻?、膜的運(yùn)動(dòng)軌跡由錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速和蛋殼、膜顆粒間的相互作用強(qiáng)度決定。裝置內(nèi)蛋殼、膜的相互作用強(qiáng)度大時(shí)，向負(fù)壓室運(yùn)動(dòng)的蛋殼、膜受到向下運(yùn)動(dòng)蛋殼的阻礙作用強(qiáng)，裝置內(nèi)蛋殼、膜的相互作用強(qiáng)度小時(shí)，向負(fù)壓室運(yùn)動(dòng)的蛋殼、膜受到向下運(yùn)動(dòng)的蛋殼的阻礙作用弱；錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速大時(shí)，氣流推動(dòng)蛋殼、膜運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)，錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速小時(shí)，氣流推動(dòng)蛋殼、膜運(yùn)動(dòng)的能力弱。因此高錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速與低強(qiáng)度的相互作用易使蛋膜運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室，進(jìn)而降低蛋膜損失率，低錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速與高強(qiáng)度的相互作用可以減少蛋殼運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室的數(shù)量，進(jìn)而提高蛋膜清潔率。而蛋殼、膜顆粒間的相互作用強(qiáng)度與喂入量正相關(guān)，錯(cuò)流風(fēng)風(fēng)速與吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速正相關(guān)，所以喂入量和吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速對(duì)蛋膜損失率、清潔率影響極顯著。

表4 方差分析結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis

由于各試驗(yàn)因素對(duì)蛋膜損失率和清潔率的較優(yōu)水平組合不一致，需采用綜合評(píng)分法[25-26]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)分析，損失率隸屬度W1、清潔率隸屬度W2、綜合分?jǐn)?shù)H的計(jì)算公式為

(10)

H=0.5W1-0.5W2

(11)

式中W——指標(biāo)隸屬度

U——指標(biāo)值

Umin——指標(biāo)最小值

Umax——指標(biāo)最大值

綜合分?jǐn)?shù)越高清選性能越好，由表5可知，各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)綜合分?jǐn)?shù)的影響由大到小為：吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速、喂入量，較優(yōu)因素水平組合為A2B2，即喂入量為200 g/s、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為5.5 m/s。在吸風(fēng)機(jī)排氣口收集到的蛋膜如圖11所示。

表5 綜合分?jǐn)?shù)分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of comprehensive scores

圖11 收集到的蛋膜Fig.11 Collected eggshell membranes

試驗(yàn)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速，當(dāng)吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，可通過(guò)計(jì)算獲得清選時(shí)吸風(fēng)機(jī)功率，吸風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式為

(12)

式中P——吸風(fēng)機(jī)功率，W

T——轉(zhuǎn)矩，N·m

n——吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

由于吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定，由式(12)可得

(13)

式中P1——吸風(fēng)機(jī)額定功率，W

P2——清選時(shí)吸風(fēng)機(jī)功率，W

n1——吸風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min

n2——清選時(shí)吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

吸風(fēng)機(jī)額定功率為1 500 W，額定轉(zhuǎn)速為2 850 r/min，清選時(shí)吸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為627 r/min，將上述數(shù)據(jù)代入式(13)得到清選時(shí)吸風(fēng)機(jī)功率為330 W。

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證的試驗(yàn)條件和測(cè)試方法與正交試驗(yàn)完全相同，按照較優(yōu)因素水平組合A2B2進(jìn)行試驗(yàn)，即喂入量為200 g/s、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為5.5 m/s，重復(fù)做3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，蛋膜損失率為9.4%，蛋膜清潔率為96.3%，證明了較優(yōu)組合選取的合理性，滿足了蛋殼膜清選的要求。

表6 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.6 Test results of verification %

4 結(jié)論

(1)對(duì)蛋殼膜顆粒碰撞模型進(jìn)行建模，分析顆粒碰撞對(duì)蛋殼、膜顆粒運(yùn)動(dòng)的影響可得：適當(dāng)減小蛋膜顆粒與蛋殼顆粒的質(zhì)量比，減小蛋殼、膜顆粒碰撞時(shí)在z軸上的相對(duì)速度，有利于蛋膜顆粒向負(fù)壓室運(yùn)動(dòng)、蛋殼顆粒向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高清選效果。

(2)氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置的流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，清選室進(jìn)氣口有擋板比無(wú)擋板時(shí)的蛋膜損失率小；清選室采用進(jìn)氣口下?lián)醢鍟r(shí)，錯(cuò)流風(fēng)區(qū)氣流速度分布較有層次但氣流速度較小，無(wú)法使蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室；清選室采用進(jìn)氣口上擋板時(shí)，在進(jìn)氣口擋板下邊緣處形成較強(qiáng)的渦流，導(dǎo)致部分蛋膜不能從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室；清選室采用進(jìn)氣口雙擋板時(shí)，沿內(nèi)壁擋板向上運(yùn)動(dòng)的氣流速度分布較有層次且氣流速度較大，有利于使蛋膜從清選室運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓室。

(3)氣吸式蛋殼膜多級(jí)清選裝置功耗較低、蛋膜清潔率較高，影響蛋膜損失率的因素由大到小依次為:吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速、喂入量；影響蛋膜清潔率的因素由大到小依次為：喂入量、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速。

(4)設(shè)計(jì)的氣吸式多級(jí)清選裝置，在蛋殼顆粒粒徑為0.4～2.4 mm、蛋膜顆粒粒徑為1.7～4.0 mm的情況下，當(dāng)工作參數(shù)為喂入量200 g/s、吸風(fēng)機(jī)連接口風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，蛋膜損失率為9.4%，蛋膜清潔率為96.3%，吸風(fēng)機(jī)功率為330 W。