第一章农业物料的工程性质1

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贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com1教学内容:1形状和尺寸、密度及其应用;2农业物料的机械特性、热特性;3农业物料的电磁辐射特性、电特性、磁特性;4农业土壤的工程特性。学习要求:1掌握基本概念。2掌握农业物料各工程特性;3掌握农业物料各工程特性的应用;教学重点:1基本概念;2农业物料各工程特性的应用。第一章农业物料的工程性质贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com21.1研究农业物料工程性质的重要意义谷物、种子、蔬菜、水果、鸡蛋、饲料以及纤维等农业油料的基本物理参数。(2)指导本科生毕业论文(设计)草莓梨苹果小麦玉米蔬菜大麦饲料农业物料的形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面积和含水量等在许多设计和研究中有重要意义。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com31.1研究农业物料工程性质的重要意义在设计收获、输送、分级、清选、干燥、冷却、贮藏、加工、检测控制仪表等机械和设备时,必须了解物料这些最基本的工程参数。收获分级输送贮藏秸杆加工水果加工线蔬菜加工线贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com41.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状在许多应用中,如机械分选和分级、气流输送和分离以及产品的热处理等都必须精确地确定物料的形状和尺寸。物料的形状和尺寸是不可分割的两个参数,要充分地描述一个物料的形状,同时需要这两个参数。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com51.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状农业物料的形状大多是不规则的。按其形态来说,有块体(如水果、块根等)、粒体(如种子和谷粒等)、粉体(如面粉和饲料等)以及茎叶体等。由于栽培和饲养条件、气象条件、含水量等不同,即使同一个品种或同一棵植株上的果实或谷粒,它们的形状也是各不相同的。由于农业物料形态差异很大,所以难以用统一的方法定义物体的形状和尺寸。目前采用的方法大部分是根据研究者的实际需要而自行定义的。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com61.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状圆形扁圆长椭圆圆锥形卵形歪斜形倒卵形椭圆形平头形不对称1.2.1.1圆形与球形贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com71.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.1圆形与球形为了将物体的实际形状与基准形状(如球体和圆等)进行比较,引入圆度与球度概念。(1)圆度圆度是表示物体角棱的锐度,表明物体在投影面内的实际形状和圆形之间的差异程度。用下式计算:R1R2R3R4R5RmRRmii1圆度贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com81.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.1圆形与球形(2)球度球度是表示物体实际形状和球体之间的差异程度。假定物体的形状为三维椭球,它们和三个座标轴的截距分别为a、b和c,外接球的直径是椭球的最大截距a,则根据上述定义球度s为:aabcs31贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com91.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.2尺寸的表示(1)粒径粒径是用来表示粒状或粉状物料的形状和尺寸的一种方法。可分为单个粒子的单一粒径和表示许多不同尺寸组成的粒子群体的平均粒径。表单一粒径表示法名称计算式名称计算式二轴算术平均值(a+b)/2几何平均值圆等值径(4f/π)1/2调和平均值定向径dg体积平均值3abc(ab+bc+ac)-1注:f——投影面积。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com101.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.2尺寸的表示(1)粒径:粒子群体的平均粒径。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com111.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.2尺寸的表示(2)粒径计算方法:1)粗颗粒按质量与粒子数根据球体积公式计算平均匀粒径;2)细粉平均粒径:筛分法。a.确定测定全部粒子的粒径分布。将一定量粉料用筛孔尺寸d1、d2、……dm+1个筛子的m+1个筛子进行分级;b.d1至d2的粒子其平均直径为D1=(d1d2)1/2,其质量百分数为x1;d2至d3的粒子其平均直径为D2=(d1d2)1/2,其质量百分数为x2;……dm至dm+1的粒子其平均直径为Dm=(dmdm+1)1/2,其质量百分数为xm;c.调和平均径为ds={∑(xi/di)}-1d.算术平均径为ds=∑(xidi)贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com121.2农业物料的形态特征1.2.1尺寸和形状1.2.1.2尺寸的表示(3)粒度分布粒度累积分布曲线d50粒径累积分布量(%)粒度累积分布曲线粒度频率分布曲线d50粒径分布量(%)贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com131.2农业物料的形态特征1.2.2密度农业物料的体积、密度和比重在许多场合是必不可少的原始数据。干草的干燥和贮存、青贮仓和贮存仓的设计、青贮料的机械压缩、颗粒饲料和草饼的稳定性、分离和分组、气流和水力输送、种子纯度测定和成熟度评定等都需要密度和比重的数据。物体每单位体积内所具有的质量称密度。物体的质量与同体积的l大气压、4℃的纯水的质量之比称比重。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com141.2农业物料的形态特征1.2.2密度1.2.2.1真实密度真密度又称固体密度,是把试料仔细粉碎除去物料内部空洞所占体积求得的密度。农业物料的密度及测量:浮力法、比重瓶法,比重梯度法、气比法和定容积压缩法液浸法—悬浮法气体置换法——压力比较法贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com151.2农业物料的形态特征1.2.2密度1.2.2.2容积密度与孔隙率容积密度是把试料装入已知体积的容器内,测量装入容器内的物料质量,根据容器体积和物料质量求得的密度。松散物料孔隙所占体积和整个物料所占体积之比为孔隙率。固体农业物料组成物的密度组成成分密度(kg/m3)组成成分密度(kg/m3)葡萄糖1560脂肪900~950蔗糖1590盐2160淀粉1500柠檬酸1540纤维素1270~1610水1000蛋白质1400贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com161.2农业物料的形态特征1.2.3农业物料形态特性在农业工程中的应用1.2.3.1品质评定良好的谷粒和种于都是颗粒健壮饱满、容积密度大的。1.2.3.2确定物料清选和分级工艺(1)根据密度分级、清选(2)根据形状分级、清选贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com17贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com18贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com191.3农业物料的机械特性1.3.1应力、应变与破坏农业物料的机械特性主要包括应力、应变与破坏特性、流体动力学特性、流变特性、摩擦特性等。农业物料的机械特性是运输、选择、搅拌、计量等工艺设计和机械配备的设计依据,是应优先考虑的问题之一。破坏的弊端:谷物破损易招虫和吸湿霉变,种子破损后发芽率降低,蔬菜和水果碰撞受伤后很快褐变霉烂,等等。破坏的应用:比如小麦制粉、饲料粉碎、青贮铡断、薯类打浆等,都希望易于破碎或部分易于粉碎,以便提高生产率和减少能耗。所以必须了解物料破坏原因及受力与变形、破坏的关系。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com201.3农业物料的机械特性1.3.1应力、应变与破坏1.破坏原因:机械力;其它应力;物料自身的生化作用。2.破坏形式:切割、拉伸、压缩、撞击、扭转等。3.农业工程中应根据物料的特性,选择适当的保护措施或利用其特性进行加工。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com211.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性在农业工程中以空气或水作为载运体,利用流体动力学原理对农业物料进行加工、输送和分离是比较常用的方法。这时,固体物料存在于流体之中,并受到来自流体的力的作用。因此,了解农业物料流体动力学特性是十分必要的。1.阻力与升力V——流体流速;FL——升力;FD——阻力。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com221.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力流体对物体的阻力是由摩擦阻力和形面阻力组成。摩擦阻力为作用在物体表面上的切向力沿相对运动方向上的总和。形面阻力或压差阻力是由于流体的附面层在物体后部产生分裂而形成涡流,使后部的压力降低所致,其数值为作用在物体表面上所有压力沿相对运动方向上的总和。在层流或低速流动中,流体的密度变化不大,粘性作用支配着流体的流动,形面阻力可以忽略不计。在紊流或高速流动中,流体受压缩而不受粘性作用支配,摩擦阻力可忽略不计,形面阻力占主导地位。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com231.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力流体的阻力可按下式计算:式中:FD——阻力;A——物体投向相对速度垂面上的面积;ρf——流体的密度;C一阻力系数,与物体的形状、表面状态和雷诺数有关,一般由实验确定。221vCAFfD贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com241.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力圆球和圆盘的阻力系数贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com251.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性1.阻力与升力表面光滑的圆柱周围的静压系数分布正压负压0°100°180°(a)贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com261.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度沉降速度:物料从静止的流体中自由下落,最终达到匀速向下运动,把这一速度称为该物料的沉降速度。悬浮速度:如果流体以物料沉降速度向上运动,则物料颗粒将会在某一水平上呈悬浮状态,把此流体速度称作物料的悬浮速度。悬浮速度和沉降速度其意义不同而数值相同,把沉降速度和悬浮速度统称为临界速度。贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com271.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度物料在静止流体中自由下落达到临界速度时,物料受到的流体阻力、重力和流体浮力将达到平衡,即Fg=Fb+Fr式中:Fg——重力,Fg=mg;Fb——浮力;Fb=m/ρsρfg,ρs——物料密度,ρf——流体密度;Fr——流体对物体的阻力,Fr=0.5CAρfv2则有物料的临界速度:221tffsvCAgmmgfsfstACmgv)(2FgFbFr贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com281.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(1)球形物料的临界速度质量:投影面积:临界速度:sdm361241dAffstCgdv3)(4贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com291.3农业物料的机械特性1.3.1流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度物料形状对临界速度影响很大。C不规则C球→当物料达到临界速度时,由于不规则形状物料和当量球体所受重力和浮力相等,所以二者所受阻力也相等,即brgFFF222121teeetsssvACvACtetsvv贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com301.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度式中:vts——不规则物料的临界速度;vts——当量球体的临界速度;φ——形状修正系数或球形折合系数,eessACACtetsvv1谷粒的形状修正系数谷粒种类水稻小麦高梁玉米大豆形状修正系数3.022.472.172.111.33贵州大学吴雪梅mail:xm_wu@163.com311.3农业物料的机械特性1.3.2流体动力学特性2.物料在流体中的临界速度(2)不规则物料的临界速度部分农业物料的临界速度物料临界速度
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