1挑战杯资料 汇编 挑战杯作品 自然科学 二等奖 6

稻谷热特性参数的试验测定 *本作品获第六届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖杨 洲 指导老师：罗锡文 李长友 摘 要：采用非稳态热流法测定不同含水率稻谷的热导率和热扩散系数，进而求出比热容。研究稻谷热特性参数与含水率的关系。结果表明，热导率、热扩散系数和比热容与稻谷含水率呈良好的线性关系。关键词：稻谷 热导率 热扩散系数 比热容引言 稻谷的热导率、热扩散系数和比热容是研究稻谷干燥机理，实现干燥过程动态控制的基础参数。本文以南方早稻为试验材料，以镍铬电阻丝为恒流线热源，采用非稳态热流法，单点测温，测出稻谷的热导率和热扩散系数，进而求出比热容。1 测定原理在无限大的恒温均质测定系中，插入一能够连续供给稳定热流的线热源，此时，从线热源中心沿径向的温度分布在圆柱坐标系中可以表达为如下的热传导方程式12： （br0 (1)在实际测定中，线热源也有一定的直径，并有一定的蓄热能力，热源与稻谷间也会有一定的热传导率。考虑实际情况则初始条件为： （=0） （2）边界条件为： r=b;0 (3)r=b;0 (4)从而求得式（1）的近似解析解35为： （5）式中 T=（2）/b2； 0线热源与稻谷的初始温度， 1线热源的温度， 2稻谷的温度， 加热时间，s 2稻谷的热扩散系数，m2/s 2稻谷的热导率，J/（msK） c1线热源的比热容，J/（kgK） 12线热源与稻谷间的热导率，J/（msK） M1线热源单位长度上的质量，kg/m q线热源单位时间单位长度上的发热量，W/m b线热源的半径，m 欧拉常数，=0.5772 令 =1-0 则式（5）可变形为： (6)其中： (7) (8) (9) (10)当被测物料与较细的线热源良好接触时，线热源与物料间的热传导率会很大，如果测定时间足够长，式（6）便可简化为： (11) （12）由试验测出线热源的温度随加热时间的变化曲线，便可按式（7）、（12）计算出被测物料的热导率和热扩散系数。2 测定装置与方法2.1 测定装置测定装置如图1所示。测试圆筒由直径为150mm的PVC管截制而成，其长度为400mm。直径为0.2mm的镍铬电阻丝由底盖和顶端固定架张紧并固定在圆筒中心，电阻丝的电阻率为30.64/m。以WD990型微机电源作为稳压电源，给电阻丝提供5V的稳定电压。将直径为0.3mm的K型镍铬-镍硅热电偶固定在电阻丝的中部，用以测定电阻丝的温度。温度的采集使用DR240型数据综合记录仪。该仪器A/D转换器共30个通道。有效通道数可在30个以内任意设定。数据记录间隔可按设定的A/D转换速度的整数倍随意设定。记录的数据可直接传送至计算机，也可直接存入记录仪上的磁盘再拷贝到计算机，也可直接从记录仪打印数据。本试验使用的温度采集间隔为4s。V图1 测定装置简图 稳压电源 电源开关 电压表 热电偶 电阻丝 测试圆筒 稻谷 数据记录仪 计算机2.2 测定方法2000年7月从华南农业大学试验农场收获的早稻华航一号，热风干燥至不同的终含水量，分别取样5kg用密封袋封好放置在室温下使各样品内稻谷的含水率均匀一致，一个月后测定各样品的含水率进行热特性参数的测定。稻谷的含水率测定采用5g谷样，105，24h烘箱法进行。为了避免因含水率过高带来测试准确度的降低，本试验采用了含水率较低的稻谷进行测定，对于含水率较高的稻谷，其热特性参数可以根据热特性参数与含水率的关系趋势进行推算，这样的考虑在实际应用中已足够精确。试验时将被测稻谷自然装入测试圆筒并盖上顶盖，打开数据记录仪，观察电阻丝的温度，等到所显数值稳定不变时，说明电阻丝与稻谷的温度已稳定相等，打开微机电源开关，同时开始保存温度数据。本试验测定时间为30min左右。每个谷样测定两次。3 测定结果与分析3.1 热源温度随加热时间的变化本试验均在室温2830条件下完成，稻谷含水率的变化范围在814%(w.b.)之间。现以含水率为11.96%(w.b.)的稻谷测试为例，热源温度随通电时间的变化曲线如图2所示，热源温升与时间对数的关系曲线如图3所示，图2 热源温度随加热时间的变化曲线 图3 热源温升与时间对数的关系曲线 热源温升和时间对数之间呈良好的线性关系，经数据回归得到方程=1.7293ln-1.1554，相关系数R2达到0.9847。经过前述计算得到稻谷的热导率为0.1021J/（mKs），热扩散系数为1.118410-7m2/s。3.2 热导率 热导率表征了稻谷传导热量的能力，从图4热导率随稻谷含水率的变化曲线可以看出，其受含水率的影响较大，并随含水率的增加而增大，这主要是因为水分将从高温区向低温区迁移而传递热量，它们之间一般呈线性关系，回归方程为 =0.0024M+0.0741 R2=0.8801 （13）3.3 热扩散系数热扩散系数表征稻谷被加热或冷却时，其内部各处温度均匀一致的能力。在同样的加热条件下，稻谷的热扩散系数越大，稻谷内部各处的温度差别就越小。试验得到稻谷的热扩散系数与其含水率的关系如图5，呈线性负相关，回归方程为 =(1.6402-0.0419M)10-7 R2=0.8365 （14） 图4 热导率与稻谷含水率的关系 图5 热扩散系数与稻谷含水率的关系3.4 比热容 测定稻谷在自然放置状态下的容积密度如图6，由图可见稻谷的容积密度与其含水率呈线性正相关，回归方程为 =5.2298M+509.82 R2=0.9942 （15） 图6 容积密度与稻谷含水率的关系 图7 比热容与稻谷含水率的关系 根据热导率、热扩散系数、比热容和密度之间的关系式=/（c）计算出稻谷的比热容如图7，其比热容与含水率也呈线性正相关，回归方程为 c=0.0763M+0.6663 R2=0.9621 （16）4 结 论4.1 本试验结果和国外学者采用其它测试方法得到的结果相似，进一步说明了测试方法的可靠性。本测试方法简单、快捷、易操作，同样适用于其它颗粒、粉状物料热特性参数的测定。4.2 室温2830条件下，含水率在8% 14%(w.b.)之间，测得稻谷的热导率为0.0923 0.1087J/（mKs），热扩散系数为(1.06321.2522)10-7 m2/s，比热为1.3321.756kJ/（kgK）。4.3 稻谷的热导率和比热容与其含水率均呈良好的线性正相关，热扩散系数与其含水率呈线性负相关。参考文献1.岩郑和則,上出順一. 含水多孔体对象熱物性值迅速简便測定. 農業機械学会誌, 1993,55(3): 73792.李长友，熊福祥. 发酵糟渣旋流闪蒸干燥及其热物性参数的快速测定. 农业工程学报，1997，13（增刊）：1541573.Blackwell J H. A transient-flow method for determination of thermal constants of insulating materials in bulk. J of