搜索
《农业工程概论》电子教案教材：《农业工程概论》，张伟主编，中国农业出版社，1997年，第一版。主要参考书：1、《农业物料学》，周祖锷主编，农业出版社，1994年；2、《农业生物环境工程》，崔引安主编，农业出版社，1994年；3、《农产品加工机械与贮藏》，沈再春主编，农业出版社，1995年；4、《农业系统工程》，朱永达主编，农业出版社，1993年。绪论第一章农业物料的工程性质第二章农业机械化第三章农业电气化及农业应用电子技术第四章农业建筑与农业生物环境工程第五章农业水土控制第六章农产品加工工程第七章农业环境保护与农村能源第八章农业系统工程《农业工程概论》电子教案第一章农业物料的工程性质§1研究的意义农业物料——一般指：动植物产品、加工成品、半成品、以及与农业作业有关的土壤、肥料、农药等。（即：产品和作业对象）意义：有利于正确的设计工艺与设备；质量的评估。§2农业物料的形态特征一、尺寸和形状尺寸和形状（一）圆形和球形圆度式中：圆度表示与理想圆的接近程度；r指各棱角的曲率半径；R值最大内接圆的半径。（P6图1-1）对于类球体：球度=式中：di指类球体的最大投影面积图形的最大内切圆直径dc指类球体的最大投影面积图形的最小外接圆直径对于椭球：球度====（二）尺寸的表示（1）粒径（非类球物料）测定计算平均粒径的简易方法：Δ粗颗粒的平均粒径（可以一粒一粒的分拣）按表1-2的算法会存在d3d2d1d7d4d5d6的不同结果Δ粉状物的平均粒径（取为50~100g试样）（调和平均粒径）或用算术平均粒径相邻筛子之间物粒的名义直径（）Xi为d’i下方，d’i+1上方的物料占总质量的百分数。（权重）应根据测定的目的选用，如（2）单项尺寸的测定，用（三）尺寸分布可代表一批物料粒径的平均尺寸二、密度（一）真实密度（truedensity）：（成分、水含量等）测量方法主要有（二）容积密度（bulkdensity）与孔隙率（度）：（物料总质量与视在体积或称虚表容积之比）孔隙度（率）孔隙所占体积与整个物料所占体积之比（孔隙比——孔隙体积与物料固体物质体积之比）三、农业物料形态特征在农业工程中的应用（一）品质评定：1．谷物成熟程度（与尺寸有关）、杂质含量、均匀度等与有关；土壤紧实程度2．牛奶放置时间长，变大。（二）确定物料清选和分级工艺根据①球度的大小影响滚动性②尺寸形状的差异影响选择分选方法的设备由尺寸的分布规律，确定分选的可能性及筛孔的大小等（1）分选可能性（分离程度）和孔型（图1-4不同的物料的尺寸—频率分布曲线）（2）筛孔（窝眼）大小的选择：根据分选的目的和要求确定（图1-5）（三）设计计量装置或容器——根据容积密度§3．农业物料的机械特性一、应力、应变与破坏有助于选择加工方法（一）应力与应变：△农业物料的流变特性是研究物料在外力作用下产生的变形和流动，以及载荷作用的时效。※变形——弹性变形；流动：流变特性用应力、应变和时间三个参数表示。※应力松弛——指物料突然地变形到给定值并保持不变时，应力随时间变化的函数关系。（与蠕变对应）东农303马铃薯的应力松弛模量方程（P11.图1-7）弹性模量：※农业物料的应力——应变关系，因农业物料通常具有等特点，而变得非常复杂（P12.图1-8）。（二）农业物料的破坏（1）破坏的原因①机械力：挤压、切断、碰撞、颠簸等。※谷粒的损伤与受力大小和水分高低密切相关（P12.图1-9）②其他应力（物理化学的作用）：热应力（烘干与冷却过程）；乙醇促使苹果边熟腐烂；湿应力（西瓜番茄水分过大的裂口）。③物料自身的生化作用——呼吸代谢作用——在温度湿度较高条件下（受伤后速度变快），导致生命缩短而坏死（呼吸加快，营养消耗加快）。甘薯受伤后呼吸量加大（P13.图1-10）（2）破坏的类型：切断（正切、斜切、歪切、滑切）粉碎（击磨——玉米；压磨——小麦、大蒜）去壳（克剥——核桃；热胀应力——松籽、板栗；撞击——葵花籽）碎土（弯曲——犁地）（3）有害性破坏的防止二、流体动力学特性（※流体——以空气、水（形变介质）为载运体）与物料的输送、装卸、分离等作业有关系（一）流体对农业物料的作用力（1）阻力与阻力系数根据因次（量纲）分析，流体的总阻力C为阻力系数（一般由试验确定）A为物体垂直于平面内的投影面积㎡ρ为流体密度g/cm3V为流体和物体的相对速度m/s阻力系数※动力粘度的定义（P21）——单位面积、单位速度梯度时所受到的剪力。※1Pa•S（帕•秒）=10P（泊：达因•S/cm2；克/cm•S）=1000CP(厘泊；毫帕•秒)C=f(Re)的关系复杂，一般为3~4个区域（2）物料在流体（形变介质）中的临界速度（即重力—浮力=阻力时的相对速度V0））①球状物体重力—浮力：时球体的体积和投影面积分别为πd3/6和πd2/4，一般情况下，C≈0.44则②非球状物体※实验证明：当Re50,一般不规则形状的物体的阻力系数C与球体的阻力系数C相差很小（见P14.图1-12）。∵当达到临界速度时，不规则物体和当量球体所受的重力和浮力相等，故二者的阻力也相等。∴工程中，先求当量球体（质量和密度相同的球体）的临界速度，然后加以修正——求不规则物体的临界速度。即：（当量球体）Kψ——球形折合系数（形状修正系数），P15.表1-3给出了一般谷粒的Kψ值。③有限空间对临界速度的影响例如：物料在管道中，使流体的通过面积减小、周边流速增高、产生局部阻力（静压差变大），导致临界速度减小。据乌斯吕斯基试验（钢球）得出经验公式：D为管道直径，ds为物体直径，V0为无限空间时的临界速度。④群体物料（浓度）对临界速度的影响相互摩擦和碰撞，激起紊流，改变了混合（液）体的密度等，将导致临界速度减小（是一个很复杂的问题），钱宁对均匀沙粒所做实验表明：V0为单粒的临界速度，m0为沙粒的体积浓度（实验值为5~25%），β值见P15表1-4。※此公式适用于非粘性粗粒泥沙（二）物料流体动力学特性在农业工程中的应用（1）清选分离中的应用气流分选P16，图1-14、15、16、17（2）物料输送中的应用三、流变特性（一）流变特性的某些特点：用应力、应变、时间三个参数描述；具有应力松弛或蠕动（的表现）（二）流变模型1、基本元件①弹性元件（弹簧）或（卷簧的剪切公式）②塑性元件（滑杆）只要有变形，就有：P≥F(即拉力大于等于最大摩擦力)③粘性元件（牛顿液体阻尼器）（即应力等于动力粘度乘以应变速率）2、粘弹性物料的流变模型①麦克斯韦尔模型（Maxwell实质是流体模型）※应力相等，应变相加。（P19.图1-21）②开尔文模型（Kelvin实质是固体模型，如纺织、塑料绳等）※应变相等，应力相加。弹簧的运动是非线性的（延迟弹性变形）。（P19.图1-22、23）（P19.图1-21）（P19.图1-22、23）③其他模型a广义麦克斯韦尔模型：多个麦克斯韦尔单体并联，主要描述复杂的应力松弛现象b广义开尔文模型：多个开尔文单体串联，主要描述具有一个以上松弛（或延迟）时间的物料。c伯格斯模型（Burgers）：在外力作用下，同时呈现出瞬时弹性变形、延迟弹性变形和粘性流动的性质。是用来预测物料蠕变特性最著名的流变模型之一。d宾汉模型：由粘性和塑性元件并联，有时共同串联一个弹性元件。※用表描述外力超过屈服应力时，物料才开始流动的现象。如：粘泥、果酱、油漆等。伯格斯模型宾汉模型（三）流变特性的应用（1）调节和利用物料的表观粘度（指非牛顿液体在不同剪切速率或剪切应力下动力粘度）※倚时性非牛顿液体具有触稠性（如肉丸）和触稀性的特点。在某一剪切应力τi作用下，非牛顿液体的粘度为：（2）物料品质检验：纯蜂蜜和假蜂蜜的粘度不同；牛奶的粘度与脂肪含量成正比。（3）利用粘弹性物体拉伸后回缩的特性进行模口设计（P20.图1-24）（P20.图1-24）四、摩擦特性（一）固体物料的摩擦：库仑定律：摩擦力（1）正压力的影响：影响凹凸不平的平面上凸峰的变形——→F的变化。（2）速度的影响：①物料变形；②磨掉芒毛→F↑↓；③产生静电等。（3）水分的影响：含水物料与钢板（一般为不易吸水材料）等接触时，会产生粘附力μ，则.（4）其他影响：滑动摩擦角、物料的方向性、尘埃等影响。（二）流动物料的摩擦：指流体与非流体以及各流体层之间的剪切应力。※某些流体的粘度值见表1-6（三）散粒物料的摩擦休止角，越大，散落性就越小，内摩擦角就越大。（※内摩擦角——反映散粒物料间摩擦特性和抗剪强度的参数）（四）摩擦特性的应用（1）改变物料的运动状态，刹车片、千斤顶、地轮（减少打滑）、禾秆夹持等。（2）合理设计料仓。（3）评定物料质量：休止角§4农业物料的热特性一、热量的传输过程二、农业物料的具体热特性（一）比热：单位质量的物质温度每升高或降低1度（K）所吸收或放出的热量。依据加热过程有∵含水量的波动及影响，计算方法：果蔬的比热计算：※随温度的升高，C略有增大。（二）导热系数（导热率，λ）：单位面积、单位时间、单位温度梯度传导的热量（W/m•K），表示导热的能力。※物料的密度对导热系数有影响，固体液体气体；水的导热系数为0.06W/m•K。果蔬的导热系数：肉类：λ=0.0798+0.00517M（※当温度为0～60℃，含水率60～80%时）（三）导温系数（热扩散系数，α）：反映导热过程中物料导热能力和储热能力间的关系，是衡量物料受热后温度传导能力的重要参数。（单位：m2/s）三、农业物料热特性的应用（一）设计烘干和冷却工艺参数和规范供热和升温与比热有关物料层的厚度和加热均匀度与导热系数有关热特性跟温度和水分的关系等（二）品质检验：如牛奶比热C=0.93若偏离过大即为掺假或变质。§5农业物料的电磁辐射特性不同的物料对不同波有不同的反射、折射、绕射（衍射）、散射和吸收作用，能引起内部组织和结构的变化。一、农业物料的可见光特性（约为0.4～0.77μm）（一）反射特性：光反射率I0和IR分别表示射向物料总辐射强度和反射回的辐射强度（即单位面积上的光通量，W/m2）。※不同物料或同物料的不同发育阶段其R不相同。（P27.图1-31）※为了消除物料外形、光源的强弱所产生的误差，通常采用两种波长的光测其反射率差△R或反射率比R1/R2作为判断标准。（二）光透射特性透射率：T=IT/I0×100%※实际应用中，常采用吸光度，能够同时反映物料的外表特征和内部密度等。（三）延迟发光特性物料经过照射，使叶绿素分子离子化，产生自由电子，使最低能级的叶绿素放出延迟光，然后逐渐衰减（P27.图1-32）。二、农业物料的其它光辐射特性（红外光：0.77～1000µm；紫外光：0.04～0.39µm）红外线辐射有显著的热效应和较强的穿透力。红外辐射特性（R、T、A等）与物料的厚度、结构、密度、水分以及照射条件有关。用近红外光谱分析法，可以快速、准确测定物料的品质和成分；远红外探测器，可探测森林火灾、作物长势和预报病虫害等。紫外线辐射（0.04～0.39μm），有激发光现象（不同物质发出不同颜色的荧光），用于分拣、鉴定纯度等。※生物受适当强度的紫外光照射，可促进维生素D的转化，有利于健康；过强的紫外线能消毒杀菌，但有害于健康。三、农业物料的其它电磁辐射特性（一）微波（0.1～0.01µm）辐射特性(R、T、A等)比短波显著。1、原理：※通过极性水分子振荡，导致细胞膜破裂和细胞间的氢键松弛破坏而难以存活；但有时可能激活细胞，增加种子发芽率等。2、用途（二）X射线和放射性辐射波1、原理：穿透力强，使水和其它物质电离，从而影响新陈代谢——2、用途：①推迟果菜完熟期；②推迟蘑菇破膜开伞；③诱变育种；④杀菌保鲜（大蒜）。四、电磁辐射的应用——（见P29.表1-10）§6农业物料的电特性和磁特性一、生物电受精蛋两端电位差植株受伤部分和完整部分间存在电位差，且伤势严重，则电位升高。二、介电特性※介电常数：ε=D/E(D——电通量密度；E——电场强度)相对介电常数=ε/ε0=C/C0(ε0和C0为真空介电常数和电容。表示提高电容量的能力)介质损耗角正切：tgδ==IR/Ic(表示物料在交流