（机械制造及其自动化专业论文）板栗脱壳技术与设备的研究.pdf

板栗脱壳技术与设备的研究 摘要 ( 舀前，板栗深加工产品的开发所面临的技术关键是脱壳及护包。现有的脱壳 方法由于存在着各种缺陷，推广使用受到限制。凶此，刈脱壳的技术与设备的旬： 究具有重要的现实意义。少， 本文在对板栗外壳特点及传统脱壳方法进行分析后，首次提出了真空爆壳的 脱壳新技术。即在保证栗仁色、香、昧、彤不变的条件下，利用真空负脏和十燥 效应使板栗外壳自动爆裂。本技术已申报国家发明专利。通过刺爆壳工艺的进 步分析试验，完成了转鼓型板栗真空爆壳机的设计。该机真空系统采川水蒸汽喷 射式真空泵，使整机具有结构简单，工作稳定可靠，生产效率t 能源消耗低等 特点。 根据外壳已爆裂板栗的基本特性，对其红衣、外壳与栗仁的分离工艺进行了 系统的分析研究，研制出了小型实验样机再进行剥壳的实验研究，确定了剥壳的 艺参数和结构方案，最终设计出搓揉式板栗剥壳机。该机采用柔性携揉原理实 现板栗的剥壳，使其具有高的剥壳率和栗仁完整率以及适应惶强等优t i 。 关键词：板栗 真空爆壳馈压效应 蒸汽喷射泵 柔性搓揉原理 堡墨丝塞堇垄皇堂鱼盟婴壅 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yp r o b l e mi nt h ep r o c e s so fe m p o l d e r i n g d e e p p r o d u c to f c h e s t n u ti ss h e l l e x u v i a t i n ga n dc o l o r p r o t e c t i o n b e c a u s et h ee x i s t i n g s h e l l e x u v i a t i n gm e t h o d sh a v em a n yd e f i c i e n c i e sa n d a r el i m i t e di nt h ef i e l do l a p p l i c a t i o n ，i th a s ag r e a t l yp r a g m a t i cm e a n i n gt o s t u d yt h es h e l l e x u v i a t i n g l e c l m o l o g ya n de q u i p m e n t i nt h i sp a p e r ，a f t e ra n a l y s i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ec h e s t n u t sc r u s ta n dt r a d i t i o n a l m e t h o do fs h e l l e x u v i a t i n g ，i ti sf i r s t l yp u tf o r w a r dt h en e w t e c t m o l o g yo fv a c l l l 1 n s h e l l b u r s t i n g w eu s et h ev a c u u mn e g a t i v ep r e s s u r ea n dd r y i n ge f f e c tt om a k et h e c h e s t n u t sc r u s tb u r s ta u t o m a t i c a l l yo nc o n d i t i o nt h a ti t sc o l o r ，s a v o r y ，s m e l la n d s h a p eh a sn oc h a n g e s t h i st e c h n o l o g yh a sd e c l a r e dt h en a t i o n a lp a t e n t n e wt y p e r o t a t i n g d r u mm a c h i n ef o rc h e s t n u t s h e l l - b u r s t i n g h a sb e e nd e s i g n e dt h r o u g h e x p e r i m e n t a l l ya n a l y s i n gt h ep r o c e s so fs h e l l b u r s t i n g w eu s et h es t e a me j e c t i n g p u m pf o rt h ev a c u u ms y s t e mo ft h i sm a c h i n e ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o r e s i m p l i f i e ds t r u c t u r e ，w o r k i n g w i t h g o o d s t a b i l i z a t i o na n d c r e d i b i l i t y ，h i g h e r p r o d u c t i v i t ya n dl o we n e r g ye x p e n d o nt h eb a s i so fb a s i cc h a r a e t e r i s d c so ft h es h e l l b r u s t e d c h c s t n u t s ，a r e r s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n ga n dr e s e a c h i n gt h ed e p a r t e dp r o c e s so fc r u s ta n dk e r n e l ，w e m a n u f a c t u r et h e m i n i t y p ee x p e r i m e n t a lm a c h i n ef o r r e s e a c h i n gs h e l l p e e l i n g e x p e r i m e n t ，a s c e r t a i np r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a ls c h e m e ，f i n a l l y d e s i g n e d t h es h e l l “p e e l i n gm a c h i n eo fc h e s t n u t w ea d o p t bf l e x i b l er u bt h e o r yt oc o m p l e t et h e s h e l l b u r s t i n go f c h e s t n u t ，i th a su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h e rr a t i n go f s h e l l p e e l i n g ， h i g h e ri n t e g r i t yr a t i n go f k e r n e la n db e t t e ra d a p t a b i l i t y k e y w o r d s ： c h e s t n u t v a c u t u ns h e l l b u r s t i n g n e g a t i v ep r e s s u r ee f f e c t s t e a me j e c t i n gp u m p f l e x i b l er u bt h e o r y 竺堡 1 绪论 1 1 目前板栗深加工产品开发所面临的困难 1 1 1 概述 板栗是我囝特产的著名干果之，素有“干果之王”的美称。其可食栗仁味 道鲜美，风味独特，营养丰富，富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质及多利， 维生素，具有补养治病之功效，深受各年龄段、各阶层的广大消费者所青睐。板 栗的利t 植范围十分广泛，几乎遍及中国大陆及台湾省，国外也有少量种植。随着 我国西部大开发，山川秀美工程的实施，板栗的种植面积迅速扩大，产量将急剧 增加。但由于板栗在开花结果和采收去苞过程中微生物污染的不可避免，使得板 栗极易变质而不耐贮藏。据调查我国每年因霉烂、牛虫、发芽造成的板栗损失达 总产量的2 0 3 0 ，原料资源浪费极大，销售和消费也受到了严重的季：审性限制。 同时由于国外市场对板栗直接食用的有限性，加之农村分散板栗僻静的困难性， 以及产销对路的板栗深加工产品没有很好地开发，供大于求的矛盾已十分突出， 所以迫切需要进行优质的板栗深加工技术与设备的研究。板栗深加工的范围很广， 可以脱壳后直接出口创汇，也可以加工成其它方便食品特别是欧美等困近年来 对板栗深加工产品兴趣增加，消费上升。所以对板栗的深加工具有良好的社会效 益和经济效益。 1 1 2 板栗深加工产品开发过程中所面临的困难 板栗深加工产品的开发所面临的关键技术难题就是脱壳及护色。即在f 瑜正栗 仁原有形状、成分和色、香、味、形不变的条件下，去除板栗咯硬的外壳和软薄 的内皮。该项技术难题目前急需商榷解决。现有的板栗脱壳方法主要有手工、化 学、热力、机械、能量法等。据资料显示，不论采用上述的哪种方法，其结果 都不理想。通常伴随有栗仁的损伤或褐变的发生，不能得到积量被脱壳的栗仁 阻碍了后续深加工产品的开发。 板栗的外壳与花生、瓜籽、松籽、核桃等硬壳类干鲜果不同，其外壳坚硬没 丝笙 有结合缝，内皮软薄且与栗仁结合紧密，不能直接食用。同时，外形复杂多样， 有近似球形、半球形、腰- y - y 眵、扁圆形和三棱形等形状，外径的大小也相差悬殊， 大的直径可达4 0 m ，小的仅为l o m m ，一般为2 5 3 5 m m ，这就使脱壳的工艺过程 更加复杂，机械自动脱壳与去内皮等常规性的干果脱壳方法实施困难。 1 2 板栗脱壳的进展 1 2 1 概述 板栗脱壳最早是手工脱壳法，主要是借助于双手将坚硬的外壳剥离，再经过 烫煮和手工搓揉将其内皮去掉。这种方法效率低下，不卫生，不适应大规模生产。 烫煮过程中易造成栗仁营养成分损失与氧化褐变。脱壳效率很低，一个熟练工人 最多一天能处理1 0 公斤。这种方法仅适用于小批量试验性板栗的脱壳加工。 1 2 2 工业化生产中所采用的脱壳技术现状及优缺点 目前在工业化生产中所采用的比较普遍的脱壳方法主要有以下几种： 1 常温机械及高压气流联合脱壳法 该技术主要是j p 5 9 1 5 6 2 7 5 公开的技术，采用不加热干燥的常温机械剥壳原 理，其结构如图l 一1 所示。即先将鲜板栗用提升机输送到脱壳机上方，板栗由刮 料机构从一端移送到另一端，脱壳机下面是高速旋转辊刀和高速击打钢片，旋转 辊刀把板栗外皮切破，在高速击打钢片的打击下，将板栗外壳打掉或打松，板栗 从另一端出去，然后进入高压气流脱皮机。在这里板栗被分配到一定大小的许多 管子内，用高压气流压入管内，让板栗在管子内高速旋转，壳随气流从管子的上 端流出，进入垃圾回收器。板栗仁外面将只剩下红衣，最后进入到专门的红衣脱 皮装置。这是一种采用高压蒸汽快速旋转脱去红衣的旋转脱皮机。由此组成联合 作业机组。其特点如下： ( 1 ) 剥壳率较高，破碎率较小，但红衣去净率低，一般需要增设专门的红 衣二次去除设备； ( 2 ) 高压蒸汽的介入，使栗仁易氧化褐变，降低成品质量； ( 3 ) 这种机组结构复杂，部件制造精度要求高，价格昂贵。 篁笙 l 一栗仁容器2 一碎栗仁出口3 一整仁出口 4 风机5 一驱动装置6 一高速刀具 7 一板栗提升机8 高速击打器9 一刮料输送器l o 一高压气流脱皮机1 卜高压气嘴 图l l 常温机械及高压气流联台脱壳机 2 火烧脱壳法 该方法的设备如图1 2 所示。主要采用液化气火焰在高温下将板栗外壳烧 掉，然后对未烧尽的板栗进行挤压刮皮，使板栗的仁、衣分离，将壳、仁、衣 起进入到分离器，栗仁在此被分离出。再将栗仁进行碾磨、清洗、最后得到栗仁。 这种方法脱壳率很高，但燃烧温度较难控制，很容易使板栗熟化，甚至焦化，故 必须将栗仁表面磨去，以获得干净整洁的外表，使栗仁有一定损耗。这种独：痔的 板栗脱壳技术工艺，属国外专利，整套设备价格昂贵，在国内推广使用的可能性 不大。 卜一燃料容器2 一壳仁分离器3 粟仁容器4 一栗仁研臃机 5 一栗仁提升机6 挤压机7 一燃烧嘴8 - 燃烧宣9 - 一板柴捉升机 图1 2 火烧法板栗脱壳机 3 蒸汽脱壳法 一3 一 绪论 这种方法中比较有代表性的有z l 8 5 1 0 3 3 9 6 a 公开的蒸汽加压膨胀突然减压破 壳的技术设备，如图1 3 所示，板栗从入口处经进荆阀进入蒸汽压力容器，在一 定压力和温度下，由螺旋输送机推到另一端，经出料阀进入壳、仁分离器进行分 离。该方法的特点是： ( 1 ) 脱壳率较高，但是由于采用蒸汽，使板栗熟化，影响后续加工产品的 品质，对要求生栗仁加工的产品则影响更大； ( 2 )该工艺的实施对设备要求很高，工艺和操作要求严格控制，否则将会 使坚壳、内皮、栗仁同时爆裂，造成大量栗仁损失浪费： ( 3 ) 这种设备需配备专门的蒸汽锅炉，专用的进出口料阀，使这种设备投 资相对增大。 1 一壳容器2 一出料阀3 一蒸汽接口4 一压力表5 一螺旋输料器6 一进料闷 7 一板栗入口8 传动装置g 一电机1 0 一粟仁输送机l l 一栗1 ：容器1 2 一分离器 图l 3 蒸汽脱党机简图 4 机械脱壳法 该设备的结构如图卜_ 4 所示。其原理主要是将原料板栗首先进行大小分类， 分特大、大、中、小4 类，对不同大小的板栗分类放置，并进行不同处理。将已 分类的板栗进行较低温度的干燥，然后放入机械脱壳机进行脱壳。脱壳机足一种 高速刀具不断脱去板栗外壳的机械。首先将板栗破壳，板栗在脱壳机内一边被高 速刀具快速切割，边被螺旋推料器不断地向出口处推进。其推进速度是可调的。 板栗在不断行进中壳被不断切削掉或打掉，其切削量可根据板栗大小、品质的不 同进行调整。当栗仁被切削较多时，可提高板栗行进速度，以获取最好的效果。 这种方法虽然脱壳率较高，但栗仁损伤严重，经脱壳后的栗仁需进一步加工才能 满足要求，同时增设了板栗的筛选工序，使整个机构结构复杂，设备的成本增加。 一一z l 丝堡 一一 i - - 支架2 一传动装置卜出料口4 一高速切削7 5 一螺旋输送机6 振动喂料器7 一料仓 图1 4 机械脱壳法简图 5 刀辊切割碾磨法 该方法是z l 9 5 1 0 1 2 2 1 5 公开的板栗脱壳技术，其结构原理如图1 - - 5 所示。 板栗由提升机输送到脱壳机上方，进入脱壳机，并由刮板式输料器从一端输送到 另一端。期间，由位于脱壳机下方的高速刀辊对板栗进行切割。经切割后的板栗 被送到链式干燥机内进行干燥，然后将板栗送到碾磨机上碾磨，将板栗外壳去掉， 1 一风机2 一栗仁容器3 一驱动装置4 一高速刀辊5 一板栗提升机6 一支架 7 一刮板式输料器8 一斗式提升机9 一链式干燥机 1 0 碾磨机l l 一分离器 图l 一5 刀辊切割碾磨法简图 最后经分离器将壳、衣、仁分离，并进行表面处理与护色。该技术设备仍存在栗 一5 一 丝堡 一一一一 仁的整仁率不高，工序过于复杂，设备一次性投资大等问题，使其推广应用受到 限制。 1 3 本课题的研究内容 本课题是陕西省教育厅专项科研计划项目“板栗的脱壳技术与设备”的主要 研究部分，其爆壳技术已申报国家发明专利并已公告，进入实质性审查。研究内 容包括以下几部分： 1 3 1 板栗真空爆壳的工艺性研究 在对现有的脱壳方法进行分析研究后，提出真空爆壳的方法，主要利用负压 效应使板栗壳内处于较高压力状态，在外壳被加热干燥产生应力应变的同时，栗 仁也被加热使其内部水分汽化，栗仁因失水而收缩，使其与内皮、外壳自行分离， 达到一定数值时就会使外壳和内皮爆裂。在整个爆壳的过程中，影响爆壳效率的 主要工艺参数包括温度、时间、真空度等。因此，对其工艺性进行研究的内容是 如何合理的控制加热温度及真空度，使用最少的能源和最短的时间获得最高的爆 壳率。通过实验测得的数据及真空系统的效率对爆壳时间进行估算和修正，完成 对真空度、加热时间及温度等工艺条件的确定。 l - 3 2 板栗真空爆壳机的研究 通过分析比较现有的真空设备的优缺点，设计板栗真空爆壳机。根据板栗真 空爆壳的原理和工艺要求，分析板栗在真空爆壳机内的状态，确定利于板栗外壳 破裂的结构方案，完成真空爆壳机的结构设计和辅助装置的设计。主要内容包括 机体的设计、加热系统及翻料机构的设计、真空系统的配置等。 1 3 3 板栗剥壳的工艺性研究 经真空爆壳后的板栗虽然内衣紧贴外壳上，与栗仁有一定的间隙，但爆裂后 的外壳、内衣仍包裹着栗仁，与栗仁还未分离，需对爆壳后的板栗进行剥壳，使 壳仁完全分离。对板栗剥壳的工艺性研究就是在对板栗不分选的条件下确定哪一 一6 一 堑笙 种剥壳的方式既可使壳仁分离，又能保证栗仁完整无损。通过实验验证和受力分 析，确定剥壳的工艺方案，获得影响剥壳的主要因素及其最佳的工艺参数，为板 栗剥壳机的结构设计提出合理的工艺要求。 1 3 4 板栗剥壳机的设计与研制 对板栗的剥壳工艺性进行研究后，通过受力分析及结构优化，确定出满足要 求的板栗剥壳机基本结构。再根据板栗机械剥壳的工艺要求，对其结构进行适当 的简化，研制出小型试验机进行原理性试验研究，根据试验结果，获得最佳的设 计方案，确定结构并完成样机设计。 1 4 本课题的意义及市场前景 板栗在我国种植已有3 0 0 0 多年的历史，目前栽培分布全国2 6 个省，种植面 积约7 0 万亩，年产量3 0 万吨，占世界板栗总产量的一半以上，居世界首位。板 栗是一种营养价值极高的“木本粮食”，每百克含糖及淀粉6 0 7 0 9 ，蛋白质5 l o g ，脂肪3 7 9 ，并含有多种维生素、无机盐和不饱和脂肪酸，不仅美味可口， 而且保健医用价值很高，祖国医学认为“栗为肾之果”，栗仁具有补肾固精，健脾 止泻等功用，栗壳具有治反胃、便血的功效；栗毛球( 即内皮) 具有治丹毒、百 日咳的功能。常食板栗还可达到抗衰老和延年益寿的目的。由此可见，在保证板 栗坚壳、毛球和栗仁成分、色泽不变的条件下，使其相互分离，实现板栗的综合 开发利用，具有显著的社会经济效益和广阔的发展应用前景。 板栗作为一种干鲜果以其独特的风味，高的营养价值和保健食用价值深受各 年龄段、各阶层的广大消费者所青睐。然而从古到今，对它的食用基本上仍停留 在最初的原始状态，即由家庭或小作坊炒制或蒸煮后，食用者自己剥开坚硬的外 壳，去掉内衣，才能品尝到香甜可口的栗仁。显然，这种传统的食用方式既不科 学，也不卫生，更不符合现代人们快节奏生活的需求。我国的板栗年产量虽然居 世界首位，但人均年占有量不足0 3 k g ，与此相比，在日本为0 7 k g ，意大利为 1 4 k g ，土耳其则达到4 6 k g 。近年来我国板栗产量年增长速度达1 0 ，尤其在陕 西省的秦巴山区，由于地理位置及气候条件等原因，特别适合板栗的生长，但每 年都存在“丰产不丰收”和“卖栗难”的现象，部分板栗严重积压和浪费，极大 地损伤了栗农的生产积极性。造成这种现象的主要原因是板栗贮藏、保鲜技术不 1 绪论 过关，产品加工能力低，综合开发利用不够，深加工未能形成规模化和产业化。 要解决板栗积压浪费的问题，需要加强对板栗的科学贮藏，以及进行有规模 的深加工，开发生产有一定科技含量的深加工新产品，而这一系列深加工的基础， 就要对板栗进行脱壳。国家计委、经贸委近日发布了当前国家重点鼓励发展的 产业、产品和技术目录。其中涉及到了农产品贮藏、保鲜、加工及综合利用等方 面的问题。如今我国许多省市都把板栗产业化列入农业产业化重点发展工程，可 见，对板栗的加工既存在着巨大的市场潜力，又有着广阔的发展应用前景。 如在陕西省建立一个年产5 0 0 0 吨栗子奶和年产5 0 0 吨栗子巧克力的生产企 业，年需消耗板栗分别为5 0 0 吨和4 0 吨以上，可吸收和消耗本地区甚至周边几个 地区的剩余板栗，使栗农“卖栗难”的现象得到缓解，对于提高栗农的种植积极 性，增加农民收入，促进农村经济快速发展，彻底改变贫困山区落后面貌，实现 小康生活，必将起到积极地促进作用。 8 一 堡墨塞室堡塞箜i ：堇堡婴塑一 2 板栗真空爆壳的工艺性研究 2 1 板栗真空爆壳原理 2 1 1 常压下板栗的爆壳难于实现 据相关资料显示“5 1 ，在板栗脱壳工序中，如果采用加热的方式，其加热温度 不应超过6 0 。c ，否则会有褐变的产生而严重破坏栗仁内部的组织结构。在常压下 对板栗进行加热，板栗壳外部受大气压强的作用，内部受栗仁中水分汽化后产生 的蒸汽压作用，其内部压力首先应克服大气压强的作用，进而对板栗的外壳施加 内压，在这一过程中，需对板栗进行长时间的高温加热，过长的时间和过高的温 度会导致栗仁表面的褐变，同时其内部水分汽化后不能达到足够的压力，这种t 腾 况使得板栗很难在常压下加热而爆裂。 当板栗与一定温度和湿度的空气相接触时，板栗将排除或吸收水分，设空气 d 的温度为t ，相对湿度为妒= ，并假定其状态保持不变，则板栗与此空气 p s 充分接触达平衡后，其温度亦应为t ，且板栗中水分的活度应等于空气的相对湿 度。倘若板栗中水分活度大于空气的, f l t i x 寸湿度时，板栗将失水而水分活度降低。 反之，如板栗中水分活度小于空气的相对湿度时，板栗将吸水而提高水分活度。 所以在常压下进行板栗的爆壳时，必将要获得足够干燥的空气环境，使板栗外壳 快速干燥，内部栗仁水分快速汽化达到高的蒸汽压，这样的工艺要求暂很难满足 实施。 2 1 2 真空加热机制的作用 真空机制的引入，既可使板栗内部水分在较低温度下汽化，又可以在加热过 程中有效控制氧化褐变的发生，从而获得品质优良的栗仁。主要原因是在真空条 件下，水的沸点降低，在大气压下水的沸点为1 0 0 。0 ，在6 1 3 2 8 p a 的绝对压力下， 水的沸点为o 。同时，真空加热蒸发温度常低于7 0 。c ，通常为3 5 4 5 。c ，相应 的压力为( 0 6 1 ) 1 0 4 p a 。在爆壳过程中，保持不同的真空度就可使板栗在爆壳 一9 一 堡墨塞窒堡壹塑王苎丝塑壅 ，一一 时获得不同的蒸发汽化温度，有效地控制栗仁的爆壳温度，防止栗仁因过热造成 褐变。 在真空条件下对板栗进行加热，其内部水分在很低的绝压下和非常稀薄的空 气中进行蒸发汽化，其主要特点如下： 1 加热蒸发温度低 板栗在真空条件下进行加热，水分的蒸发温度较低，可保存板栗的有效品质， 提高爆壳后栗仁的质量，在较低的温度下得到较高的蒸发速度，从能源利用上是 经济的： 2 加热蒸发速度快 在同样的加热温度、加热结构、布料状况下，由于低压强使水的沸点降低， 传热有效温度差增大，传热效率提高以及蒸发汽容易脱出并被及时排出之故，达 到相同蒸发程度时，真空加热蒸发远比常压加热蒸发所需时间少； 3 有效控制氧化褐变的发生 由于真空加热蒸发是在极稀薄的空气中和较低的温度下进行的，有效地阻滞 了氧化褐变的产生并能杀死嗜氧性细菌和某些有害微生物； 4 板栗外壳自动爆裂，栗仁完整无损 因较高的真空度可使水分在低温下快速干燥蒸发，造成了板栗壳内外的压力 差，实现外壳的自动爆裂，栗仁的风味变化和受热损伤极小。 5 稳定性和安全性好 真空条件下，整个工作操作过程是在负压条件下进行，设备工作安全性较高。 在合理配置真空系统的条件下，使设备的工作稳定性好，维修量极少。 2 1 3 板栗真空爆壳原理 板栗的真空爆壳技术在真空条件下，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 不断的蒸发而被移除，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，栗仁也将被加热并使其内部的水分汽化，栗仁因失水而收缩，使其与内 皮外壳自行分离；并由于栗仁的水分汽化后无法从外壳逸出，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。从而可以在保证栗仁色泽不 变，外形完整的情况下，很容易的脱去板栗的内外皮层。该技术的引入，使得在 一1 0 板墨塞窒堡壹塑三茎丝型窒 一 保持栗仁原有形状和质量的前提下，使板栗的外壳和软薄的内皮一次性爆开，从 而使去壳工序简化。 2 2 板栗爆壳的工艺实验 根据现有的真空干燥设备，结合板栗的真空爆壳原理，进行了如下几种方案 的实验： 2 2 1 板栗静置爆壳实验 板栗静置爆壳实验机如图2 一l 所示。该机真空室内部装有许多空心结构的 料盘架，空心部分与加热载体相连，真空室中的蒸发汽通过真空系统排出，工作 时，将板栗均匀排放在浅盘中，人工将浅盘放置在各料盘架上，关闭箱式真空室 外门，对其进行加热，借助于热传导和少量的辐射传热使被加热的板栗温度升高， 在某一真空度下，板栗外壳的水分蒸发汽化后被真空系统和冷凝器除去。 1 实验方案 ( 1 ) 方案一 原料：新鲜板栗 图2 1 箱式真空室板栗爆壳实验机 堡墨壅窒昼壅塑：! 苎丝竺茎一 称重：9 8 9 k g 实验步骤： a 将板栗均匀排放在浅盘中，人工将浅盘放置在各料盘架上； b 将真空室门关闭，锁紧破空阀，打开抽真空阀和加热蒸汽阀，对板栗进行 加热； c 当加热料盘温度升至4 0 5 0 范围时，保持其温度不变至整个爆壳过程； d 整个过程中爆壳室的真空度保持在3 8 0 4 5 0 p a 范围内： e 2 小时后，关闭抽空阀及加热蒸汽阀，打开破空阀及真空室门，将爆壳后 板栗取出。 ( 2 ) 方案二 原料：新鲜板栗 称重：9 o k g 实验步骤： a 前两步同方案一，第三步将加热料盘温度提升至7 0 8 0 | 0 c ，且在加热过 程中始终保持此温度范围； b 爆壳室的真空度仍保持在3 8 0 4 5 0 p a 范围内； c 整个工作过程持续2 小时，将爆壳后板栗取出。 ( 3 ) 方案三 原料：新鲜板栗 称重：9 5 k g 实验步骤： a 将板栗均匀排放在浅盘中，人工将浅盘放置在各料盘架上； b 将真空室门关闭，锁紧破空阀，打开抽真空阀和加热蒸汽阀，对板栗进行 加热； c 加热开始的l 小时内控制加热料盘温度在4 0 5 0 。c 范围内，真空度在3 8 0 4 5 0 p a 范围内； d 保持真空度不变，将加热料盘温度提升到6 0 7 0 范围内，对板栗加热1 小时； e 关闭抽空阀及加热蒸汽阀，打开破空阀及真空室门，将爆壳后板栗取出。 2 实验结果 对上述实验方案分别进行实验，将所得结果列于表2 1 中： 1 2 板栗真空爆壳的工艺性研究 表2 1 实验结果及数据表 实验结果及实验数据 a 从箱式加热室中取出的板栗表面温度在3 0 4 0 。c 范围内， 爆开的板栗栗仁与鲜栗仁颜色相同： b 未爆开的板栗外壳从外表面至内表面的韧性逐渐增大，脆 方案一 性逐渐降低，栗仁的收缩程度很小： c 经2 小时的加热蒸发，最终所得爆壳后板栗8 9 k g ，失水量 0 9 9 k g ，经统计计算爆壳率达2 0 。 a 从箱式加热室中取出的板栗表面温度在7 0 8 0 。c 范围内， 外壳爆裂的栗仁表面程淡紫色； 方案二 b 未爆开的板栗外壳脆性很大，用手轻捏可使外壳破碎，栗 仁的收缩量大，部分的表面已发干变脆； c 最终所得爆壳后板栗7 2 k g ，失水量i 8 k g ，爆壳率达3 0 。 a 从箱式加热室中取出的板栗外壳温度在3 0 4 0 。c 范围内且 呈十字形爆裂，其爆裂部位各不相同，露出的栗仁略带微黄色，与 未爆壳的栗仁相同； b 板栗在箱式真空室中经2 小时的加热蒸发，最终所得爆壳 方案三 后的板栗7 7 k g ，失水量为1 8 k g ，爆壳率8 8 ： c 对未爆开的板栗进行手工剥壳后发现，在占总量的l2 的 未爆开的板栗中存在如下情况：外壳有虫眼；内部生霉发烂：栗仁 未长成熟。这三种情况占了未爆开板栗的9 5 以上。由此推断，实 际爆开率比8 8 要高。 3 对实验过程及结果的分析 ( 1 ) 实验过程分析 a 整个加热过程热量的传递以热传导为主，兼有辐射传热，加热蒸汽的热 量先传给加热板，再传给板栗。故热传递速率与加热蒸汽平均温度“质流量眠。 ( k g s ) ，加热面积f l ( m 2 ) 成正比，t 3 和1 1 1 汽要根据板栗对温度的要求控制；与板 栗平均厚度6 r 、比热c 1 成反比，与含水量成正比；与料盘厚度4 、空隙平均 厚度成反l k ，与料盘与加热板接触系数h 2 ，板栗与料盘接触系数h i ，板栗平均 导热系数入( 或导温系数a ) 、板栗平均黑度e 成正比：与表面水蒸发时的饱和压 力p 1 下的温度t 2 、结合水蒸发时的平均饱和压力p 2 下的平均温度t 2 ，、真空室绝 对压力p 1 成反比；与板栗蒸发面积f 2 成正比： b - 方案一在真空度保持不变的i 青b g t ，进行板栗的低温加热，在整个加热 堡墨塞至堡塞竺：! ：苎丝堕壅一 过程中，单位时间内板栗水分的蒸发量很低，但不论是外壳还是栗仁都将有水分 的蒸发，外壳水分蒸发后，经真空系统而排除，内部栗仁的水分蒸发后将存在于 外壳与栗仁所产生的间隙内，由于蒸发量很低，内部蒸汽会缓慢地由壳向外溢出， 压力很难急剧升高而达到较高数值； c 方案二是采用真空度保持不变而提高加热温度的方式进行爆壳，板栗处 于高温加热状态，外壳水分不断蒸发的同时，栗仁表面水分将快速汽化，由于温 度的限制，蒸发的汽体将在栗仁的表面形成一定的压力，此压力可抑制水分的进 一步蒸发，从而破坏了料盘与板栗外壳以及外壳与栗仁之西j 的传热平衡，使栗仁 表面温度迅速上升，同时还阻止了压力的进一步增大； d 方案三开始的一小时内加热温度较低，其主要原因是将板栗外壳的水分 大量蒸发排出，而栗仁的水分蒸发量较小，以达到外壳变脆的效果。后期将加热 温度提高，使粟仁中的水分迅速蒸发，板栗壳内压力在较短的时问内达到较大的 数值，而大量蒸汽又无法从外壳逸出，进而可将外壳爆裂： e 整个实验过程板栗始终处于静止状态，传热方式主要以传导为主，板栗 与料盘接触一侧温度上升较快，吸收热量较多，控制板栗加热温度不超过6 0 是 指该侧内的温度； f 该实验过程的真空作业条件依靠蒸汽喷射器获得，可用蒸汽喷射器工作 时的泛汽对板栗进行加热，从能源节约的角度讲是经济的。同时，蒸汽喷射器的 工作稳定性较好。 ( 2 ) 实验结果分析 a 从方案一和方案二可以看出，保持真空度不变，加热温度过高或过低都 不利于壳内压力的迅速增大，温度过低，加热过程中水分的汽化速度低，温度过 高还会导致栗仁的褐变而影响爆壳后所得栗仁的品质； b 由于真空条件下抽吸具有制冷作用，导致了爆壳后的栗仁温度低于真空 室的环境温度。板栗在加热的过程中外壳的爆裂不是同时进行的，取决于栗仁的 含水率，内部水分的蒸发速度，外部的传热状况以及外壳的特性等诸多因素，爆 裂后的栗仁如果处于相对较高的温度，其褐变的程度将大增，正是因为抽吸的制 冷作用可抑制褐变的发生，保证栗仁的品质不受加热的影响； c 加热过程中的失水量来自两方面，一是外壳受热水分的蒸发，另一是栗仁 中水分的蒸发。外壳的材质近似于木质，故收缩量很小，栗仁中水分的蒸发必将 导致其收缩，可使栗仁与红衣和外壳产生一定的间隙： d 对爆壳率及未爆开的板栗进行分析，可以看出，板栗的质量对爆壳的影响 1 4 板栗真空爆壳的工艺性硎究 很大，外壳有虫眼的板栗，栗仁内部的水分蒸发后无法使蒸汽压力增大，最终结 果是外壳变脆，但不会爆裂，栗仁生霉发烂的板栗在加热时栗仁的收缩量很大， 使栗仁与外壳及红衣的间隙增大，即蒸发气体所处体积增大，导致压力降低而达 不到爆壳的要求，未成熟的板栗栗仁的收缩量会更大，压力也达不到爆壳的要求。 这三种形式的板栗在未爆开中所占的比例极大，即使可以得到完整的栗仁，也不 宜食用。根据这种情况，可将其作为去除生虫、发霉等板栗的一种工艺方法，在 这里不再论述。 4 爆壳时间的估算 由以上分析可知： 板栗吸收的总热量q = 板栗吸收的传导热量q c + 板栗吸收的辐射热量q f 假设板栗与加热腔板下表面的黑度及辐射系数均为e 和c ( i 3 辐射丽 的绝对温度为t ，板栗通过辐射吸收的热流量： 譬= 墨c e o - j ， - ， q r 、：掣( e 。一，) f ( w ) ( 2 ，2 ) 其中，加热板下表面对料盘板栗的辐射力： e ：c f 三 4 ( w m 2 ) l 1 0 0 黑体辐射力：。= 兰( w m 2 ) 板栗表面的有效辐射：，：墨一( 三一1 ) g ( w m a ) 板栗通过传导吸收的热量 q = 9 - q r 、 ( q ，、+ q ：、+ q ，、) = 国、q 2 、q 一# 1 ( 岛一，) r ( w )( 2 3 ) 板栗通过传导吸收的热量 警叫f ，舻百a t ( w ) ( 2 4 ) 将式( 2 1 ) 分离变量，得： 堡墨塞窒堡堂堕三堇丝堕堑一 弘= l 古q c q 孓 尺 根据边界条件：f = 0 ，q 。、= o ，求解式( 2 5 ) ，得 f ：堕( s ) ( 2 6 ) f r 上式得出的爆壳时间是从板栗吸收热量的角度考虑的一般通式，只能作为爆 壳时问的大体估算，因为爆壳时间的确定不仅与吸收的热量有关，还与加热温度、 真空度等其它因素有联系。这里应特别提起注意。 2 2 2 板栗动态爆壳实验 板栗动态爆壳实验机如图2 2 所示，该机采用转鼓型真空加热爆壳室，使有 图2 2 转鼓式真空室板栗爆壳实验机 对称夹套的对称圆锥形容器旋转，并借内部的提升器或圆锥体本身的倾斜度使板 栗不断搅拌，通过旋转接头由旋转轴的一侧送入蒸汽或载热体，并借助设于另一 端轴中心带过滤网的排气管排气，一面保持所要求的真空度，一试利用传导或辐 射加热进行加热蒸发。 这种加热爆壳设备与箱式实验机相比，其主要特点为，板栗在被加热过程中 一1 6 堡墨壅笙堡塞盟三三茎垡堕墅一 随转鼓一起翻滚，同时该机可达到较高的真空度，适于板栗的低温加热蒸发，其 内部结构简单，清扫容易，卸料时板栗能一次性全部排出。此外，因容器本身回 转壁面上无积料传热系数较高，与箱型相比干燥时间短，并能得到优质产品。其 缺点是单机的生产能力因回转体的限制而较小，很难实现连续化生产。 1 实验方案 ( 1 ) 方案一 原料：新鲜板栗 称重：i o o k g ( 实验所用转鼓容积2 5 秆) 实验步骤： a 将称好的1 0 0 k g 新鲜板栗由料斗送入转鼓型真空加热爆壳设备中，使其密 封： b 锁紧破空阀，打开真空泵及加热蒸汽的开关，使蒸汽在夹层中流过对板栗 进行加热，蒸发后的蒸汽由真空泵抽出； c 整个真空加热室内无翻料装置，开始加热的i 小时内，通过l 型温度计控 制加热温度在4 0 5 0 之间，真空度在3 8 0 4 6 0 p a 之间； d 保持真空度不变，迅速提升加热温度到6 0 7 0 之间，加热i , j 、i i c j ； e 停止加热及抽吸，破空，将板栗倒出。 ( 2 ) 方案二 原料：新鲜板栗 称重：l o o k g ( 实验所用转鼓容积2 5 m 3 ) 实验步骤： a 将称好的1 0 0 k g 板栗放入水中浸泡0 5 小时后，取出将水空干由料斗送入 转鼓型真空加热爆壳设备中，使其密封： b 同方案一； c 同方案一； d 保持真空度不变，迅速提升加热温度到6 0 7 0 c 之间，加热2 小时； e 同方案一； ( 3 ) 方案三 原料：新鲜板栗 称重：i o k g ( 实验所用转鼓容积0 4 一) 实验步骤： a 将称好的l o k g 新鲜板栗由料斗送入转鼓型真空加热爆壳设备中，使其密 一1 7 板栗真空爆壳的工艺性研究 _ - _ 一 封； b 锁紧破空阀，打开真空泵及加热蒸汽的开关，使蒸汽在夹层中流过剥板栗 进, 7 7 d n 热，蒸发后的蒸汽由真空泵抽出； c 真空加热室内设置加热翻料板，开始加热的1 小时内，通过l 型温度计控 制加热温度在4 0 5 0 。c 之间，真空度在3 8 0 4 6 0 p a 之间； d 保持真空度不变，迅速提升加热温度到6 0 - 一7 0 c 之间，加热j 小时； e 停止加热及抽吸，破空，将板栗倒出。 ( 4 ) 方案四 原料：新鲜板栗 称重：2 0 k g ( 实验所用转鼓容积0 4 m 3 ) 实验步骤： 同方案三 2 实验结果 对上述所提方案分别进行实验，将实验数据及结果列于表2 2 中 表2 2 实验数据及结果 实验数据及结果 a 爆壳后板栗表面温度在3 0 4 00 c 范围内，爆开的板栗栗仁1 与鲜栗仁颜色相同； 方案b 爆壳后栗仁称重8 6 5 k g ，失水量1 3 5 k g ，爆壳率6 0 ； c 板栗的受热程度很不均匀，有部分板栗外壳的色泽、强度 及韧性与鲜板栗区别不大。 a 同方案一的结果； b 爆壳后栗仁称重8 9 5 k g ，失水量1 0 5 k g ，爆壳率3 0 ； 方案二 c 未爆开的板栗外壳的韧性大增，部分板栗的栗仁含水率甚 至高于鲜板栗的含水率 a 爆壳后的板栗具有外部温度低于栗仁内部温度的特点，外 壳呈十字形爆裂，栗仁的颜色呈微黄色，与未爆壳的鲜板栗栗仁相 同； 方案三 b 爆壳后的板栗称重7 9 e g ，失水量2 1 k g ，破壳率9 0 ； c 对未爆开的板栗手工剥壳后发现同样存在虫眼、栗仁霉烂 等现象。 a 同方案三所得结果； ，7b 有部分爆蠢后的板栗栗仁表面程淡紫色，爆壳后的板栗称 方案四 重k 斌g ，失水量导涨g ，破壳率5 0 ： c 未爆开的板栗栗仁表面同样存在褐变现象。 一1 8 一 堡墨基至堡至塑兰茎丝竺塞一 3 实验过程及实验结果的分析 ( 1 ) 实验过程分析 a 方案一和方案二均在加热室无任何翻料装置的前提下进行真空加热爆 壳，在加热过程中，热量主要靠转鼓的内壁获得，故加热效率低下，有效传热面 积小，同时，板栗在真空室内的受热不均匀； b 转鼓型真空室加热爆壳设备所能达到的真空度较高，板栗在真空室中被 翻转加热，故受热均匀，且受冲击力的作用，使外壳易于破裂； c 加热过程热量的传递以传导为主， 热传递速率与加热蒸汽平均温度1 ；3 、 质流量1 1 1 汽、加热面积f l 、接触系数h 2 成正比。但是，t 3 和i i i 汽要受板栗加热温 度的限制。与空隙平均厚度6g 成反比；与鲜板栗加入量r l l 、单粒平均最大半径6 r 、比热c 1 、含水量6 0 成反比：与导热系数 ( 或导温系数a ) 成正比，与鲜板 栗粘度n 、形成糊层的平均厚度62 成反比；与真空室绝对压力p 1 成正比，与表 面水蒸发时的饱和压力p l 下的温度i ；2 、结合水蒸发时的平均饱和压力p 2 下的平 均温度1 ；2 成反比；与板栗蒸发面积f 2 成正比，而翻料回转速度n 太快影响传热， 太慢影响散热，应适宜为好； d 加热蒸汽从夹层中通入，使得整个转鼓受热均匀，延长板栗传导受热时间， 可缩短加热时间，爆壳过程中能源的利用率提高。 ( 2 ) 实验结果分析 a 从板栗爆壳后的失水量可得，其与静置板栗爆壳设备的失水量大体相当， 可将该失水量作为衡量板栗爆壳情况的参考数据； i o 板栗在加热过程中始终处于运动状态，有利于传热面积的增大，同时在加 热过程中，板栗之间还会有相互的撞击，所以在相同的加热时间下，其破壳率比 静置的破壳率高； c 加热翻料板的存在与否对爆壳率的影响很大，这种现象可用有效加热面积 及热量的传递效率来解释，方案二的破壳率明显降低，可见，通过增大板栗的含 水量来获得短时间内蒸汽量的迅速增加是不可取的；因为通过浸泡的板栗外壳和 栗仁水分同时增加，低温加热阶段，外壳的外表面失水，内表面和栗仁的外表面 的水分蒸发后，在栗仁与外壳的间隙之间的压力增大，此间隙的蒸汽在高温加热 段时继续膨胀而阻止了栗仁内部水分的蒸发； c 方案四将板栗的一次性加入量增大，虽有翻料板的翻动作用，但过大的 板栗投入量，使其工作空间受到限制，板栗在真空室内无法顺畅翻动，从而受热 不均匀，影响了爆壳率； 一1 9 一 板栗真空爆壳的工艺性研究 4 爆壳时间的估算 由以上分析可知 将上式分离变量 板栗吸收的热流量： 警叫f 胪等k ( 渺)d f 得： 沁= s 去d q 、 r ( 2 7 ) ( 2 8 ) 根据边界条件：t = 0 ，q7 = 0 ，求解上式，得： r ：罢( s ) ( 2 9 ) f 一 。 r 这里所列的爆壳时间与静置爆壳的时间概念相同。 2 3 影响板栗爆壳的因素及分析 从上述实验的结果可以看出，影响板栗爆壳的因素主要有真空度、温度、加 热方式、在加热过程中板栗所处的状态、装料量的多少等。下面分别加以分析： 2 3 1 真空度的影响 在整个爆壳过程中，真空度起着很大的影响作用。由爆壳机理知，板栗外壳 受内压的作用，如果在常压下干燥，内压必须先克服大气压强，才能使外壳爆裂。 真空机制的引入，外压减小，使得爆裂内压也相应降低，从理论上讲，真空度应 尽可能的高将有利于爆壳，但过高的真空度使得整个真空设备的造价提升，同时 从实验中可以看出，其真空度在4 0 0 7 0 0 p a 范围内时已满足工艺要求，其爆壳的 时间大大缩短，在此基础上增大或减小真空度对爆壳的影响不大。 由于