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1、第一章 农业物料的基本物理特征,主 要 内 容,第一节 形状和尺寸 第二节 农业物料的密度及测量 第三节 孔隙率 第四节 表面积 第五节 含水量 第六节 基本物理特征在农业工程中的应用,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。如果要充分地描述一个物料的形状，则同时需要这两个参数。,第一节 形状和尺寸,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料的形状和尺寸。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。 因此，用不同测定方法和表示方法所得数值之间难以进行分析比较。此外，由于栽培和饲
2、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物，它们的形状也是各不相同的。因此，在研究农业物料形状和尺寸时，除了提供一些统计数据外，还需研究适合农业物料的测定和表示方法，并逐渐使其达到标准化。,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。,一、图形比较法,基本概念：图形比较法是将物料的纵剖面和横剖面的形状绘制成图并和标准图形上列举的形状进行比较，以确定物料的形状。,一、图形比较法,形状 定义 圆 形 接近于球体； 扁圆形 柄端和顶端是扁平的； 长椭圆 垂直直径大于水平直径； 圆锥形
3、朝顶端方向其尺寸逐渐变小； 卵 形 鸡蛋形且柄端处较宽； 歪斜形 连接柄端和顶端的轴线是倾斜的； 倒卵形 倒转的卵形； 椭圆形 接近于椭球体， 平头形 顶端和柄端两处是方形或扁平的；,一、图形比较法,形状 定义 不对称 两半大小不相等； 肋 形 在横剖面内其边是角形的； 规 则 在横剖面内形状类似于圆； 不规则 在横剖面内形状是不规则的，与圆相比其 差异较大。,物体实际形状和标准图形进行直观比较是一种非常简单的方法。但由于这是一种主观的评定，所以不同观察者往往会得出不同的结果。另外，这种方法不能用具体的数值加以表示，使用起来很不方便。,二、用类似的几何体表示,如物料的形状和球体、立方体、圆柱体
4、等一类规则几何体相类似时，则可用相类似几何体来表示物料的形状和尺寸。例如： 1. 长球体，它是由椭圆绕其长轴旋转时形成的，如柠檬、哈密瓜等， 2. 扁球体，它是由椭圆绕其短轴旋转时形成的，如葡萄柚等； 3. 截头正圆锥体或圆柱体，如胡萝卜和黄瓜等。,二、用类似的几何体表示,判别物体的形状以后，它的体积和表面积可以用相应的公式计算。 1. 长球体 长球体的体积V和表面积S多用下式计算：,式中a、b分别表示回转椭圆的长半轴和短半轴，e是偏心距，由以下公式求出:,二、用类似的几何体表示,2. 扁球体 体积V和表面积S多用下式计算：,3. 截头正圆锥体 体积V和表面积S用下式计算:,体积和表面积按上述
5、公式估算后，用实验方法确定物体的实际体积和表面积。求出计算值和实测值之间的比例系数，从而确定各种农产品针对典型形状的校正系数。,三、形状指数,基本概念:形状指数是把物体的实际形状与基准形状，如球体和圆等，进行比较的一个物理量。,各种圆度定义,（一）圆度（roundness）:表示物体角棱的锐度。它表明物体在投影面内的实际形状和圆形之间的差异程度。 已提出了一些方法用以确定圆度的大小，下面是一些常用的圆度定义。,三、形状指数,- 圆度,- 物体在自然静止位置 时的最大投影面积,- 的最小外接圆面积,式中：r-物体各棱角处的曲率半径 R-最大内切圆半径 N-相加的棱角总数,有时，圆度也可用圆度比表
6、示:,- 圆度比 R -与物体投影面积相等的圆的半径 r - 物体投影面中最小锐角处的曲率半径,三、形状指数,（二）球度（Sphericity）:表示物体实际形状和球体之间的差异程度，定义如下：,三、形状指数,球度表达式表示了以相同体积球体为基准的物体形状特征。 假定物体的形状为三维椭球，它们和三个坐标轴的截距分别为a 、b、c，外接球的直径是椭球的最大截距a，则球度可定义为:,由此式可知，三维椭球的球度为三个轴向尺寸的几何平均值与最大轴向尺寸之比值。经测定表明，苹果、桃子和梨等水果的球度为8997。球度数值愈大，说明物体形状愈接近于球体。,a - 最大截距 b - 垂直于a的最大截距 c -
7、 垂立于a和b的最大截距 这些截距不需要彼此相交于一点。,四、轴向尺寸,谷粒和种子一类较小的物料，可采用照片放大器或投影仪描绘其外形轮廓，并用三轴尺寸a、b、c表示物料的形状和大小。,四、轴向尺寸,三个轴向尺寸不同，可描述不同物料的形状: 当abc，谷粒呈扁长形，可描述小麦等物料； 当ab=c,宽度和厚度相等但小于长度，可描述如谷粒等呈圆柱形物料，如小豆等； 当a=bc，长度和宽度相等但大于厚度，可描述呈扁圆形物料，如野豌豆等； 当a=b=c，三个轴向尺寸相等，可描述呈球形物料，如大豆和豌豆等。,五、粒径,基本概念: 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。粒径可分为表示单个粒子的
8、单一粒径和表示许多不同尺寸粒子组成的粒子群的平均粒径。,（一）单一粒径 单一粒径有各种表示法，如表所示。,五、粒径,（二）粒子群平均粒径 要确定由不同尺寸粒子组成的粉粒状物料的平均粒径，需要先测定各个粒子的单一粒径，然后再加以平均即可。平均方法如表所示。,五、粒径,（三）粒径实用计算方法 1、粗颗粒的平均粒径计算 首先从试样中任意地广泛采集n个粒子（一般取200粒以上，越多越好），用普通天平测其总质量为 ,设粒子密度为 ，则平均粒径 可按下式计算,由上式计算出的粒径相当于把所有粒子均看作等体积的球形粒子时的平均粒径。,五、粒径,2、细粉平均粒径计算(筛分法) 首先用筛分法测定全部粒子的粒径分布
9、。将一定量的粉料（大约50-100克左右），用筛孔尺寸分别为的 m+1个筛子进行分级 , 设:,五、粒径,则全部粒子的平均粒径可用调和平均径或算术平均径计算。调和平均径为 ：,筛分法通常使用普通的金属丝网筛子。对25.4mm以上开孔，直接以开孔尺寸表示孔的大小；对25.4mm以下的孔，用25.4mm长度上的孔数表示孔的大小，称为目，有时称为网目。我国常用泰勒标准筛，它有两个序列。一个是基本序列，筛比为 ，即每两个相邻筛号的筛子其筛孔尺寸相差 倍，筛孔面积相差2倍；另一个是附加系列，筛比是 。一般采用基本序列，在要求有更窄的粒级时可插入附加序列的筛序。常用标准筛直径为200mm，高度为50mm。
10、,六、曲率半径,尺寸较大的水果和蔬菜的曲率半径：,七、曲率半径,较小物体如小麦等，可用以下公式近似确定曲率半径 ：,第二节 农业物料的密度及测量,密度的定义：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。根据体积测定方法不同，密度有不同的定义。 （一）容积密度（bulk density） （二）粒子密度（Particle density） （三）真密度（true density）,一、密度的基本定义,一些农业物料的容积密度和粒子密度如表所示,二、农业物料密度测量,农业物料密度基本测试方法液浸法 液浸法是将物料浸入容易润湿物料表面的液体中，通过测
11、定物料质量和排出的液体体积的方法求密度。,三、农业物料的密度,在大部分工程问题中，一般都假定固体和液体是不可压缩的，即当温度和压力适度变化时物料密度不变。事实上，水和其它物质的密度是随温度而变化的。几乎在所有情况下，密度是随温度增加而下降的。例如，当温度变化为0一80时棉籽油密度变化为935881kg/m3 , 玉米油变化为933879kg/m3。 如果不计物料内部可能存在的空洞，则固体农业物料的组成物的密度如表所示。,三、农业物料的密度,从理论上讲，如果已知农业物料的组成成分，则密度可由下式计算：,三、农业物料的密度,例如：苹果的质量组成成分中，水为84.4%、糖为14.55%、脂肪为0.6
12、 %、蛋白质为0.2%，则苹果的密度为： 实际上，苹果的密度约为846kg/m3,通常情况下浮在水面。上式所得数值偏大，其原因是苹果内部空洞内存在相当数量的空气而造成的。 如果已知各组成成分体积占总体积的百分数，则也可用下式计算物料密度：,式中 为各组成成分体积占总体积的百分数（用小数表示）。,三、农业物料的密度,水在0时的密度为999kg/m3，冰在0时的密度为916kg/m3。冰的密度随温度下降而增大。冰冻水果和蔬菜的密度要比鲜水果和蔬菜的密度小，但冰冻鱼反而比鲜鱼密度大。,第三节 孔隙率,松散物料如青贮、干草、谷粒和其它多孔物料在堆放或装入容器中时物料之间的间隙称为孔隙。松散物料孔隙所占
13、体积和整个物料所占体积之比称为孔隙率。孔隙体积与物料固体物质体积之比称为孔隙比。在研究气流和热流运动时经常要用到这些参数。孔隙率和孔隙比之间存在以下的关系：,一般物料堆积时为0.2580.476之间。随机充填时孔隙率为0.4左右，它与物料形状、堆积或充填方式、物料尺寸分布和含水量等有关。,测定孔隙率的简单方法如图所示。容器l和容器2具有相同的体积。在容器2中装入待测物料。将阀门2关闭，向容器l中充入压缩空气。当压力表达到一定数值时将阀门1关闭，待其平衡后由压力表测出压力为 。此时由理想气体定律得出：,现在将阀门3关闭，打开阀门2，测出压力为p2。在阀门1和阀门3同时关闭时，设空气总质量为M,
14、充填容器1的质量为M1和充填在容器2孔隙中的质量为M2。,第四节 表面积,研究表面积的现实意义: (1) 植物某些部分的表面积如叶子面积和水果表面积是有用的原始数据，叶面积反映了植物光合作用的强弱和生长速率。测量叶面积在研究植物对光和营养的吸收，植物、土壤和水的相互关系，确定农药和杀菌剂的应用次数等方面是有用的数据。 (2) 烟叶的叶面积直接反映了产量的高低。同样，水果表面积在研究喷雾作用距离，喷雾残留物消除，冷却和加热过程中热传导研究方面都有重要意义。,测量叶子和茎秆表面积有很多方法: (1) 在光敏纸上接触晒印，并用求积仪测量面积； (2) 在方格纸上画出其表面形状并数方格数； (3) 用
15、投影仪描绘其形状并求出表面积； (4) 利用光遮断法并用光电管测量光遮断量求出表面积； (5) 气流求积仪； (6) 测量叶子长度和宽度并把测量结果和表面积相关； (7) 在均匀厚度的薄纸上画出叶子，并剪下称重。,为了测量水果表面积，可把水果皮削成窄条，然后把这些窄条所画的面积求积，即为水果实际表面积。水果实际表面积也可用以下各种方法估算，并将其结果和测定值进行比较。 (1) abc的椭球表面积， (2) 最大横向截面积 (3) 纵向截面积,第五节 农业物料的含水量,研究农业物料含水量的意义： (1) 农业物料和食品中都含有一定的水分。 (2) 水是维持动、植物生存必不可少的物质之一。 (3)
16、农业物料中水分不仅是影响物料其它所有物理特性最重要的成分，而且它还影响食品的风味，腐败和发霉。农业物料含水量对其鲜度、硬软性、流动性、呈味性、保藏性和加工性等许多方面有着极为重要的关系。 农业物料中含有的水可分为两种： (1) 自由水或游离水(free water) 。 (2)与蛋白质活性基和碳水化合物活性基以氢键结合而不能自由运动的结合水(bound water)。,第五节 农业物料的含水量,含水量表示方法： (1) 湿基表示法（w.b）： (2) 干基表示法（d.b）：,第五节 农业物料的含水量,农业物料含水量测定方法： (1) 常压恒温烘干法，较为准确并适合不含有易热解和易挥发性成分的样
17、品。 (2) 减压烘于法适用于含有易热解成分但不含易挥发性油的样品。 (3) 甲苯蒸馏法适用了含有易挥发性油和干性油的样品。,第六节 基本物理特征在农业工程中的应用,农业物料的基本物理特征，广泛应用于农产品的品质评价和分选、分级以及水力或气力输送中。,例一：谷物的品质评价 稻谷等种子的品质评价往往用千粒重、整粒率、形状质量等判断。容积密度大的谷物，真真密度也大，整粒率高，形质也好，但按粒度分布，其中可能混杂有相当数量的次粒。根据三轴尺寸，可以用筛选或风选进行分级。但判断种子的发芽率用比重清选比较合适，如稻种采用盐水(密度1.05)选种比机械选种的精度高得多。 大米中的碎米含量是评判米质的指标之一。碎米与完整米粒的密度相同，因此不能采用密度分选法，只能利用米粒长轴径的不同采用窝眼选粮筒进行选别。,例二：新鲜果蔬的评价 苹果常按平均粒径和形状进行分级，柑橘按果径分级，葡萄、柿子、梨、桃子等水果多按单果重量进行分级。胡萝卜一类蔬菜按形状分选比较困难，由于胡萝卜的重量与长度和直径之间存在一定的函数关系，故可按重量分级。,例三：新鲜牛奶的检别 刚挤出正常新鲜牛奶放置2-3小时后密度要比刚挤出正常新鲜牛奶升高0.001, 因此可利用牛奶密度来判断牛奶存放时间的长短, 以便测其新鲜的程度。,Thanks for your attention,