农业物料的工程性质概述课件.ppt

1、2023年2月2日星期四农业物料的工程性质概农业物料的工程性质概述述 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）草莓草莓梨梨苹果苹果小麦小麦玉米玉米蔬菜蔬菜大麦大麦饲料饲料 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。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。收获收获 分级分级 输送输送 贮藏贮藏秸杆加工秸杆加工 水果加工线水果加工线 蔬菜加工线蔬菜加工线1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 在许多应用中，如机械

2、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。1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 农业物料的形状大多是不规则的。农业物料的形状大多是不规则的。按其形态来说，有块体按其形态来说，有块体(如水果、块根等如水果、块根等)、粒体、粒体(如种子和谷粒等如种子和谷粒等)、粉体粉体(如面粉和饲料等如面粉和饲料等)以及茎叶体等。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

3、，它们的形状也是各不相同的。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。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。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。1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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 1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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

4、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：R1R2R3R4R5R1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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：1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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

5、径。表表 单一粒径表示法单一粒径表示法名称名称计算式计算式名称名称计算式计算式二轴算术平均值二轴算术平均值（a+b）/2几何平均值几何平均值圆等值径圆等值径(4f/)1/2调和平均值调和平均值定向径定向径dg体积平均值体积平均值3abc(ab+bc+ac)-1注：f投影面积。1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 1.2.1.2 尺寸的表示(1)粒径：粒子群体的平均粒径。1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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

6、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=（d1 d2）1/2，其质量百分数为x1;d2至d3的粒子其平均直径为D2=（d1 d2）1/2，其质量百分数为x2;dm至dm+1的粒子其平均直径为Dm=（dm dm+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)1.2.1 1.2.1 尺寸和形状尺寸和形状 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(%)1.2.2 1.2.2 密度 农业

7、物料的体积、密度和比重在许多场合是必不可少农业物料的体积、密度和比重在许多场合是必不可少的原始数据。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、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。要密度和比重的数据。物体每单位体积内所具有的质量称物体每单位体积内所具有的质量称密度密度。物体的质量与同体积的物体的质量与同体积的l l大气压、大气压、44的纯水的质量之的纯水的质量之比称

8、比重。比称比重。1.2.2 1.2.2 密度 1.2.2.1 1.2.2.1 真实密度真实密度 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。内部空洞所占体积求得的密度。农业物料的密度及测量：农业物料的密度及测量：浮力法、比重瓶法，比重梯度法、浮力法、比重瓶法，比重梯度法、气比法和定容积压缩法气比法和定容积压缩法 液浸法液浸法悬浮法悬浮法气体置换法气体置换法压力比较法压力比较法1.2.2 1.2.2 密度 1.2.2.2 1.2.2.2 容积密度与孔隙率容积密度与孔隙率 容积密度容积密度是把试料装入已知体积的容器内，测量装是

9、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。度。松散物料孔隙所占体积和整个物料所占体积之比为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12701610水1000蛋白质14001.2.3 1.2.3 农业物料形态特性在农业工程中的应用农业物料形态特性在农业工程中的应用 1.2.3.1 1.2.3.1 品质评定品质评定 良好的谷粒

10、和种于都是颗粒健壮饱满、容积密度大的。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 1.2.3.2 确定物料清选和分级工艺确定物料清选和分级工艺 (1)(1)根据密度分级、清选根据密度分级、清选 (2)(2)根据形状分级、清选根据形状分级、清选 1.3.1 1.3.1 应力、应变与破坏应力、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。体动力学特性、流变特性、摩擦特性等。农农业物料的机械特性是业物料的机械特性是运输、选择、搅拌、计量等运输、选择、搅拌、计量等工艺设工艺设计和机

11、械配备的设计依据，是应优先考虑的问题之一。计和机械配备的设计依据，是应优先考虑的问题之一。破坏的弊端破坏的弊端：谷物破损易招虫和吸湿霉变，种子破损后发：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。芽率降低，蔬菜和水果碰撞受伤后很快褐变霉烂，等等。破坏的应用破坏的应用：比如小麦制粉、饲料粉碎、青贮铡断、薯类：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。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。所以必须了解物料破坏原因及受力与

12、变形、破坏的关系。1.3.1 1.3.1 应力、应变与破坏应力、应变与破坏 1.1.破坏原因：破坏原因：v机械力；机械力；v其它应力；其它应力；v物料自身的生化作用物料自身的生化作用。2.2.破坏形式破坏形式：切割、拉伸、压缩、撞击、扭转等。切割、拉伸、压缩、撞击、扭转等。3.3.农业工程中应根据物料的特性，选择适当的保护措施或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。利用其特性进行加工。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 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

13、是比较常用的方法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。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。作用。因此，了解农业物料流体动力学特性是十分必要的。1.1.阻力与升力阻力与升力V V流体流速；流体流速；F FL L升力；升力；F FD D阻力。阻力。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 1.1.阻力与升力阻力与升力v流体对物体的阻力是由流体对物体的阻力是由摩擦阻力摩擦阻力和和形面阻力形面阻力组成。组成。v摩擦阻力摩擦阻力为作用在物体表面上的切向力沿相对

14、运动方向上为作用在物体表面上的切向力沿相对运动方向上的总和。的总和。v形面阻力或压差阻力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。在物体表面上所有压力沿相对运动方向上的总和。v在在层流层流或低速流动中，流体的密度变化不大，粘性作用支或低速流动中，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。配着流体的流动，形面阻力可以忽略不计。v在在紊流紊流或高速流动中，流体受压缩而不受粘性作用支配，或高速

15、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。摩擦阻力可忽略不计，形面阻力占主导地位。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 1.1.阻力与升力阻力与升力 流体的阻力可按下式计算：流体的阻力可按下式计算：式中：式中：F FDD阻力；阻力；A A物体投向相对速度垂面上的面积；物体投向相对速度垂面上的面积；f f流体的密度；流体的密度；C C一阻力系数，与物体的形状、表面状态和雷诺数有关，一般一阻力系数，与物体的形状、表面状态和雷诺数有关，一般由实验确定。由实验确定。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 1.1.阻力与升力阻力与升力 圆

16、球和圆盘的阻力系数圆球和圆盘的阻力系数1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 1.1.阻力与升力阻力与升力表面光滑的圆柱周围的静压系数分布表面光滑的圆柱周围的静压系数分布正压负压0 100 180 (a)1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度物料在流体中的临界速度 沉降速度沉降速度：物料从静止的流体中自由下落，最终达到：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。匀速向下运动，把这一速度称为该物料的沉降速度。悬浮速度悬浮速度：如果流体以物料沉降速度向上运动，则物如果流体以物料沉降速度向上运动，则物

17、料颗粒将会在某一水平上呈悬浮状态，把此流体速度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。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速度和悬浮速度统称为临界速度临界速度。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度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/sfg，s物料密度，f流体密度；Fr流体对物体的阻力，Fr

18、=0.5CA fv2则有则有物料的临界速度：物料的临界速度：FgFbFr1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度物料在流体中的临界速度 (1)(1)球形物料的临界速度球形物料的临界速度 质量：投影面积：临界速度：1.3.1 1.3.1 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度物料在流体中的临界速度 (2)(2)不规则物料的临界速度不规则物料的临界速度 物料形状对临界速度影响很大。物料形状对临界速度影响很大。C C不规则不规则CC球球 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当物料达到临界速度时，由于不规则形状物料和当

19、量球体所受重力重力和浮力和浮力相等，相等，所以二者所受阻力也相等，即所以二者所受阻力也相等，即1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度物料在流体中的临界速度 (2)(2)不规则物料的临界速度不规则物料的临界速度 式中：vts不规则物料的临界速度；不规则物料的临界速度；vts当量球体当量球体的临界速度；的临界速度；形状修正系数或球形折合系数，形状修正系数或球形折合系数，谷粒的形状修正系数谷粒的形状修正系数谷粒种类谷粒种类水稻水稻小麦小麦高梁高梁玉米玉米大豆大豆形状修正系数形状修正系数3.023.022.472.472.172.172.112.111.3

20、31.331.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.物料在流体中的临界速度物料在流体中的临界速度 (2)(2)不规则物料的临界速度不规则物料的临界速度 部分农业物料的临界速度部分农业物料的临界速度物料物料临界速度临界速度(m/s)(m/s)物料物料临界速度临界速度(m/s)(m/s)物料物料临界速度临界速度(m/s)(m/s)小麦小麦9-119-11玉米玉米9.8-149.8-14苹果苹果38.5-41.338.5-41.3面粉面粉2-32-3花生花生12.5-1512.5-15砂糖砂糖8.7-128.7-12大麦大麦8.4-10.88.4-10.8高梁高梁9.8-11.8

21、9.8-11.8李子李子31.931.9稻谷稻谷8.1-10.18.1-10.1小米小米13.213.2大豆大豆1010菜籽菜籽8.28.2茶叶茶叶6.96.9马铃薯马铃薯23.2-32.923.2-32.91.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用 (1)(1)物料清选分离物料清选分离 气流分级、分离机风臂筛网风机喂料单道气流分选机单道气流分选机1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用 (1)(1)物料清选分离物料清选分离 1 1、阶梯抖动板、阶梯抖动板 2 2、风扇、风扇 3 3、筛子、筛子 4 4、

22、谷物螺旋推运器、谷物螺旋推运器 5 5、杂余螺旋推运器、杂余螺旋推运器气流筛子式构造气流筛子式构造1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用 (2)(2)气力输气力输送送 影响物料流动状态的因素主要是气流影响物料流动状态的因素主要是气流速度和物料在气流中的浓度。速度和物料在气流中的浓度。v高速气流物料悬浮流动，管内下部密度大高速气流物料悬浮流动，管内下部密度大(图图a)a)；v 气流速度降低时，物料出现疏密不均状态，气流速度降低时，物料出现疏密不均状态，在管底出现砂丘：比堆积层在管底出现砂丘：比堆积层(图图b)b)；v流速再降低时，砂丘堆积会阻塞管道

23、，形流速再降低时，砂丘堆积会阻塞管道，形成物料的间断流动成物料的间断流动(见见c)c)；v流速进一步降低会使管底物料堵塞不动，流速进一步降低会使管底物料堵塞不动，仅有一部分在管顶呈波状前进仅有一部分在管顶呈波状前进(图图d)d)。1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用 (2)(2)气力输气力输送送 实际设计中，应有足够的气流速度及流量以保证管道不堵塞。气流速度应根据理论研究及实验结果综合选取，通常可按下式确定 式中 速度系数。部分农业物料的常用气流输送速度部分农业物料的常用气流输送速度物料物料输送速度输送速度(m/s)(m/s)物料物料输送速度输

24、送速度(m/s)(m/s)物料物料输送速度输送速度(m/s)(m/s)小麦小麦15-2415-24玉米玉米25-3025-30碗豆碗豆17-2717-27面粉面粉10-1810-18花生花生1515砂糖砂糖2525大麦大麦15-2515-25棉籽棉籽2323盐盐27-3027-30稻谷稻谷16-2516-25亚麻籽亚麻籽2323大豆大豆18-3018-30大米大米16-2016-20谷壳谷壳14-2014-20荞麦荞麦15-2315-231.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用(2)(2)气力输气力输送送 1.3.2 1.3.2 流体动力学特性流体

25、动力学特性 2.2.临界速度应用临界速度应用(3)(3)水力输水力输送送 水力输送主要用于饲料、畜禽水力输送主要用于饲料、畜禽粪便、水果和蔬菜等的输送。粪便、水果和蔬菜等的输送。按输送方式可分为敞开式沟槽按输送方式可分为敞开式沟槽和封闭式管道两种。和封闭式管道两种。水力输送的优点是比较经济而水力输送的优点是比较经济而且可减小物料的损伤，在输送且可减小物料的损伤，在输送过程个又对物料进行了清选。过程个又对物料进行了清选。1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 农业物料的流变特性是研究物料在外力作用产生的变形和农业物料的流变特性是研究物料在外力作用产生的变形和流动，以及载荷作用的时效。用应力、应

26、变和时间三个参流动，以及载荷作用的时效。用应力、应变和时间三个参数来表示。数来表示。研究应力、应变和时间关系及物体的变形与流动科学称为研究应力、应变和时间关系及物体的变形与流动科学称为流变学。流变学。农业物料如种子、水果、蔬菜、饲料等固体生物物料弹性农业物料如种子、水果、蔬菜、饲料等固体生物物料弹性随着育龄和生理状态而变化，液体农业物料大部分是非牛随着育龄和生理状态而变化，液体农业物料大部分是非牛顿流体，所以研究较为复杂。顿流体，所以研究较为复杂。研究农业物料的流变特性有利于深入了解物料的结构，改研究农业物料的流变特性有利于深入了解物料的结构，改进农业产品加工中的质量，为加工设备提供设计论据，

27、等。进农业产品加工中的质量，为加工设备提供设计论据，等。1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 1.理想物体的流变特性理想物体的流变特性 物体在外力作用下产生变形，其表现形式为变形和流物体在外力作用下产生变形，其表现形式为变形和流动，其中流动又可分为粘性流动和塑性流动，所以弹性、动，其中流动又可分为粘性流动和塑性流动，所以弹性、粘性和塑性是描述固体农业物物料流变特性的三种基本性粘性和塑性是描述固体农业物物料流变特性的三种基本性质。质。理想弹性体理想弹性体虎克体虎克体 理想粘性体理想粘性体牛顿流体牛顿流体 理想塑性体理想塑性体圣维南体圣维南体 研究时常以上三个理想体的不同组成合建立实际物料研究

28、时常以上三个理想体的不同组成合建立实际物料的流变模型。的流变模型。理想弹性本应力应变关系可用虎克定律表示如下：E=/E弹性模量拉伸或压缩应力拉伸或压缩应变 当理想弹性体受到剪应力时，其剪切模量可由下式求出 G=/G剪切模量剪切应力剪切应变1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 1.理想物体的流变特性理想物体的流变特性（1 1）理想弹性体）理想弹性体 当理想弹性体受到静液压力作用时，体积模量由下式求出 K=P/V K体积模量 P静液压力V体积变化应变应力 =式中：式中：剪切应力剪切应力 粘度粘度 剪切应变速率剪切应变速率 1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 1.理想物体的流变特性理想物体

29、的流变特性（2 2）理想粘性体）理想粘性体 液体阻碍或抵抗自己流动的性质称为液体阻碍或抵抗自己流动的性质称为粘性粘性。流体在静止、流动状态下。流体在静止、流动状态下都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示.理想粘性体剪切应力和剪切理想粘性体剪切应力和剪切应变成正比，即：应变成正比，即：剪切速度剪切速度剪切应力剪切应力 1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 1.理想物体的流变特性理想物体的流变特性（3 3）理想塑性体）理想塑性体当 b 应变应力 1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 2.粘弹性粘弹性 实际物料性质与理想物料的性质有很大的差别。表现在：实

30、际物料性质与理想物料的性质有很大的差别。表现在：(1)(1)固体的应力与应变关系和液体的应力与应变速率比虎固体的应力与应变关系和液体的应力与应变速率比虎克体或牛顿流体的关系更为复杂；克体或牛顿流体的关系更为复杂；(2)(2)应力和应变关系与应变速率及时间的高阶微分方程有应力和应变关系与应变速率及时间的高阶微分方程有关。关。粘弹性粘弹性：物料的应力、应变、应变速率与时间相关产生物料的应力、应变、应变速率与时间相关产生的特性，既有液体的特性，又有固体的特性，是两种特性的的特性，既有液体的特性，又有固体的特性，是两种特性的综合。综合。1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 3.流变模型流变模型 农

31、业物料不是简单的弹性体、粘性体、塑性体，单一模农业物料不是简单的弹性体、粘性体、塑性体，单一模型不能表达物料的性质，必须将理想基本模型组合才能建立型不能表达物料的性质，必须将理想基本模型组合才能建立物料的流变模型。物料的流变模型。建立流变模型必须满足以下条件：建立流变模型必须满足以下条件：(1)(1)模型必须能预测任何应力模型必须能预测任何应力应变情况下的实际物料性质；应变情况下的实际物料性质；(2)(2)模型必须能适应拉伸和压缩应力及其对应的应变；模型必须能适应拉伸和压缩应力及其对应的应变；(3)(3)在实际物料中，当流变特性发生变化时必须能依据模型在实际物料中，当流变特性发生变化时必须能依

32、据模型参数加以解释。参数加以解释。1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 3.流变模型流变模型EABp=v=s=Es弹性元件弹性元件 粘性元件粘性元件 塑性元件塑性元件(1)(1)流变模型的基本单元和流变方程式流变模型的基本单元和流变方程式1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 3.流变模型流变模型(2)(2)麦克斯韦模型麦克斯韦模型应变应变应力应力时间时间t时间时间t麦克斯韦模型应力松弛曲线麦克斯韦模型应力松弛曲线麦克斯韦模型麦克斯韦模型E1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 3.流变模型流变模型(3)(3)开尔文模型开尔文模型应变应变时间时间t时间时间t应力应力开尔文模型开尔文模型

33、E1.3.3 1.3.3 流变特性流变特性 4.实际物料的流变特性实际物料的流变特性1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 1.1.滑动摩擦角滑动摩擦角 滑动摩擦角滑动摩擦角表示散粒物料与接触固体相对滑动时，散表示散粒物料与接触固体相对滑动时，散粒物科与接触面间的摩擦特性，其正切值为滑动摩擦系数粒物科与接触面间的摩擦特性，其正切值为滑动摩擦系数f。影响滑动磨擦角的因素：影响滑动磨擦角的因素：(1)(1)物料的含水率。一般随含水率增加而增加。物料的含水率。一般随含水率增加而增加。(2)(2)接触面的材料和粗糙度。接触面的材料和粗糙度。(3)(3)运动速度。运动速度。式中：式中：F F摩擦力；摩

34、擦力；N N正压力。正压力。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 1.1.滑动摩擦角滑动摩擦角物物 料料农业物料的滑动摩擦角农业物料的滑动摩擦角钢板钢板木板木板橡胶板橡胶板水泥板水泥板小麦小麦2222282830303232大麦大麦2525323233333131稻谷稻谷2727292931313636玉米玉米2020222223232424大豆大豆191924242525高梁高梁2020232337372727面粉面粉333335351919豌豆豌豆141415152626蚕豆蚕豆202024242626向日葵向日葵272724243030马铃薯马铃薯2727292930301.3.4

35、1.3.4 摩擦特性摩擦特性 1.1.滑动摩擦角滑动摩擦角 应用：应用：(1)(1)维持或改变物料的运动状态。维持或改变物料的运动状态。如：如：在物料输送中，选用摩擦系数在物料输送中，选用摩擦系数较小的材料做螺旋叶片和外壳，减少正压力以降低摩擦力；添加润滑剂较小的材料做螺旋叶片和外壳，减少正压力以降低摩擦力；添加润滑剂以降低摩擦系数；物料精选中选用具有相应摩擦系数的筛片或网面以降低摩擦系数；物料精选中选用具有相应摩擦系数的筛片或网面 。(2)(2)应用摩擦特性。应用摩擦特性。如：如：常用带式摩擦分选装置主要部件为一条具有一定倾角的回转带。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 1.1.滑动摩

36、擦角滑动摩擦角 应用：应用：(3)(3)合理设计结构。合理设计结构。整体流整体流 漏斗流漏斗流 如果散粒物料在料仓和料斗的中心部分如果散粒物料在料仓和料斗的中心部分产生漏斗状的局部流动，而周围其它区产生漏斗状的局部流动，而周围其它区域的物料停滞不动，则称为域的物料停滞不动，则称为中心流或漏中心流或漏斗流斗流。漏斗流流动时，漏斗流流动时，先装进去的物料后流出先装进去的物料后流出来来，漏斗状通道周围的静止物料形成死，漏斗状通道周围的静止物料形成死区，减少了料仓的有效空间。在狭窄的区，减少了料仓的有效空间。在狭窄的漏斗状通道中流动不稳定，速度不均匀，漏斗状通道中流动不稳定，速度不均匀，容易在料斗内容

37、易在料斗内“结拱结拱”，引起流动中断。，引起流动中断。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 1.1.滑动摩擦角滑动摩擦角 应用：应用：(3)(3)合理设计结构。合理设计结构。设计料斗时应使物料获设计料斗时应使物料获得得整体流整体流。由图可知，当物料滑动由图可知，当物料滑动摩擦角和料斗锥顶角较摩擦角和料斗锥顶角较小时可形成整体流。小时可形成整体流。料斗锥顶半角一般在料斗锥顶半角一般在15152020之间较为合适。之间较为合适。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 2.2.流体物料的摩擦特性流体物料的摩擦特性 v流体接触固体部分受摩擦牵动后会影响其相邻层，并不断向远处传递，流体接触固体部分

38、受摩擦牵动后会影响其相邻层，并不断向远处传递，其逐层摩擦牵动主要受流体粘性的作用。流体粘性越大，其摩阻也越大，其逐层摩擦牵动主要受流体粘性的作用。流体粘性越大，其摩阻也越大，驱动时要更大的力，流动中减速也快。驱动时要更大的力，流动中减速也快。v液体的流动性用液体的流动性用粘度粘度来表示。来表示。v粘度的定义：是指距离粘度的定义：是指距离lmlm的流体内有的流体内有lmlms s的速度梯度时的速度梯度时,在垂直于该在垂直于该速度梯度面单位面积上所受的力，表示为速度梯度面单位面积上所受的力，表示为PasPas（帕秒）。（帕秒）。v影响粘度的因素：影响粘度的因素：1 1）温度）温度液体的粘度液体的粘

39、度2 2）压力（高压）压力（高压）液体的粘度液体的粘度3 3）溶液浓度）溶液浓度液体的粘度液体的粘度1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 2.2.流体物料的摩擦特性流体物料的摩擦特性 1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 2.2.流体物料的摩擦特性流体物料的摩擦特性 应用：应用：主要用于主要用于评定物料的质量。评定物料的质量。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 3.3.散粒物料的摩擦特性散粒物料的摩擦特性v休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角。成的圆锥体母线与底平面的夹角。

40、v休止角反映了散粒物料的休止角反映了散粒物料的内摩擦特性和散落性能，内摩擦特性和散落性能，表示表示单粒单粒物料在物料在料堆上滚落能力。料堆上滚落能力。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 3.3.散粒物料的摩擦特性散粒物料的摩擦特性影响休止角的因素：影响休止角的因素：形状形状：粒子愈接近于球形，其休止角愈小。：粒子愈接近于球形，其休止角愈小。尺寸尺寸：对于同一种物料，粒径愈小休止角愈大。这是由于细小的对于同一种物料，粒径愈小休止角愈大。这是由于细小的粒子之间相互粘附较大的缘故。粒子之间相互粘附较大的缘故。含水率含水率：随含水率增加而增大等有关。这是因为每个粒子被潮湿：随含水率增加而增大等有

41、关。这是因为每个粒子被潮湿的表层包围，使其内摩的表层包围，使其内摩按力和粒子间粘附作用增加。按力和粒子间粘附作用增加。堆放条件堆放条件：如果对物料进行振动，则休止角减小。物料粒子愈接如果对物料进行振动，则休止角减小。物料粒子愈接近于球形、粒径愈大，振动影响愈显著。近于球形、粒径愈大，振动影响愈显著。1.3.4 1.3.4 摩擦特性摩擦特性 3.3.散粒物料的摩擦特性散粒物料的摩擦特性应用：应用：v散粒物料的半流体性质对散粒物料的半流体性质对仓壁有较大。仓壁有较大。v侧压卸料口应安排在仓底侧压卸料口应安排在仓底中部以防侧口卸料造成仓中部以防侧口卸料造成仓壁偏压倒塌。壁偏压倒塌。侧偏力侧偏力卸料卸

42、料侧卸形成侧偏侧卸形成侧偏v农产品销售前往往经受各种类型的热加工，如加热、冷却、干燥、农产品销售前往往经受各种类型的热加工，如加热、冷却、干燥、冷冻、脱水等，产品温度的变化很大程度上取决于它本身的热特性。冷冻、脱水等，产品温度的变化很大程度上取决于它本身的热特性。v农业物料的加热或冷却可采用导热、对流和辐射等方式完成农业物料的加热或冷却可采用导热、对流和辐射等方式完成 。v比热、导热率、导温系数、对流换热系数、热辐射系数等是设计热比热、导热率、导温系数、对流换热系数、热辐射系数等是设计热加工设备或预测加工过程的基本数据。加工设备或预测加工过程的基本数据。v在加热或冷却过程中为保持产品品质，必须

43、限制产品的温度，这同在加热或冷却过程中为保持产品品质，必须限制产品的温度，这同样需要了解其热特性。样需要了解其热特性。v热处理必须选择适当的温度与时间以保证最佳效果，这些参数的选热处理必须选择适当的温度与时间以保证最佳效果，这些参数的选择都与热特性密切相关。择都与热特性密切相关。v农业物料的热特性随成分、物理结构、物质状态、含水率、温度的农业物料的热特性随成分、物理结构、物质状态、含水率、温度的变化面改变。变化面改变。1.4.1 1.4.1 传热的基本方式传热的基本方式 热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。1.1.导热导热 热量从温度较高的物体传

44、到温度较低的物体，或者从从一个物体热量从温度较高的物体传到温度较低的物体，或者从从一个物体中温度较高的部分传到温度较低的部分为导热。中温度较高的部分传到温度较低的部分为导热。2.2.对流换热对流换热 流体各部分之间发生相对位移，把热量从一处带到另一处，这种现流体各部分之间发生相对位移，把热量从一处带到另一处，这种现象称为象称为对流对流。流体内部存在温度差时，因流体密度随温度改变所引起的流体流动流体内部存在温度差时，因流体密度随温度改变所引起的流体流动称为称为自然对流自然对流。流体依赖外力产生的流动称为。流体依赖外力产生的流动称为强制对流强制对流。流体对流时和固体表面之间热量传递过程称为流体对流

45、时和固体表面之间热量传递过程称为对流热热对流热热。3.3.辐射辐射 辐射是固体、液体和气体因温度不同，物体间相互进行的辐射和吸辐射是固体、液体和气体因温度不同，物体间相互进行的辐射和吸收形成的换热过程。收形成的换热过程。1.4.2 1.4.2 1.1.比热比热 一定量物质温度每升高一定量物质温度每升高1K1K所吸收或放出的热量称为该物质的比热。所吸收或放出的热量称为该物质的比热。恒压过程中的比热称为定压比热。恒压过程中的比热称为定压比热。恒容过程中的比称称为定容比热。恒容过程中的比称称为定容比热。农业物料的比热随组成成分、含水率、温度而变化。农业物料的比热随组成成分、含水率、温度而变化。189

46、2 1892年年SiebelSiebel提出，农业物料比热可取物料中水的比热以及与水结提出，农业物料比热可取物料中水的比热以及与水结合在一起的固体物质的比热之和。由下式计算：合在一起的固体物质的比热之和。由下式计算：C=C=（Cw-CdCw-Cd）M+CdM+Cd式中：式中：C C农业物料的比热；农业物料的比热；Cw Cw水的比热；水的比热；Cd Cd固体干物质的比热；固体干物质的比热；M M湿基含水率湿基含水率1.4.2 1.4.2 1.1.比热比热 1.4.2 1.4.2 1.1.比热比热 (1)(1)农业物料的比热随含水率而变，一般呈线性关系；由于物料干农业物料的比热随含水率而变，一般呈

47、线性关系；由于物料干物质的比热远小于水的比热，所以农业物料的比热值视含水量而变。物质的比热远小于水的比热，所以农业物料的比热值视含水量而变。(2)(2)一般，农业物料的比热随温度的升高而增大。一般，农业物料的比热随温度的升高而增大。1.4.2 1.4.2 2.2.导热系数导热系数 导热系数又称导热率，是两个具有温度梯度的平面间的单位面积传导热系数又称导热率，是两个具有温度梯度的平面间的单位面积传导的热量，反映了物料的导热能力。导的热量，反映了物料的导热能力。农业物料含有大量水分，和比热一样，物料的导热率也可根据它们农业物料含有大量水分，和比热一样，物料的导热率也可根据它们的含水率和固体干物质导

48、热加以计算，如下式：的含水率和固体干物质导热加以计算，如下式：K=MKw+(1-M)Kd K=MKw+(1-M)Kd式中：式中：KwKw、Kd Kd分别为水和固体干物质的导热率。分别为水和固体干物质的导热率。1.4.2 1.4.2 2.2.导热系数导热系数 (1)(1)农业物料的导热率随含水率而变，一般呈线性关系。农业物料的导热率随含水率而变，一般呈线性关系。1.4.2 1.4.2 2.2.导热系数导热系数 (2)(2)除水和甘油外，大多数液体物料的导热率随温度的升高而降低，除水和甘油外，大多数液体物料的导热率随温度的升高而降低，气体的导热率随温度升高而增加，冰的导热率大于水。谷物农业物料的气

49、体的导热率随温度升高而增加，冰的导热率大于水。谷物农业物料的导热率在冰点以上随温度升高而增大；冰点下则相反。导热率在冰点以上随温度升高而增大；冰点下则相反。(3)(3)物料的导热率受子粒尺寸的影响。在相同含水率和温度时，籽物料的导热率受子粒尺寸的影响。在相同含水率和温度时，籽粒尺寸越大大，其导热率也越大。粒尺寸越大大，其导热率也越大。(4)(4)物料的导热率受容积密度的影响。在相同含水率和温度时，物物料的导热率受容积密度的影响。在相同含水率和温度时，物料的导热率随容积密度的增加而增加。料的导热率随容积密度的增加而增加。1.4.2 1.4.2 3.3.导温系数导温系数 导温系数导温系数又称热散系

50、数，是单位时间沿法向通过单位面积的热量除以比又称热散系数，是单位时间沿法向通过单位面积的热量除以比热、密度和温度梯度的乘积，是衡量物料受热后温度传导能力的一个重要参数。热、密度和温度梯度的乘积，是衡量物料受热后温度传导能力的一个重要参数。=K/C=dQ/dA(dT/dx)C 如果导热率一定，体积热容愈大则导温系数愈小，即物料贮存热能能力愈大，如果导热率一定，体积热容愈大则导温系数愈小，即物料贮存热能能力愈大，物料不易加热升温。物料不易加热升温。1.4.3 1.4.3 1.1.为烘干和冷却设计工艺参数和规范为烘干和冷却设计工艺参数和规范加热烘干热量多少加热烘干热量多少比热，从而确定烘干温度与时间