农业物料的工程性质概述课件.ppt
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- 农业 物料 工程 性质 概述 课件
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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
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