含水量对谷物热传导性能的影响

安徽农业科学，Journal ofAnhui A ．Sci．2010，38(21)：11453—11454，11456 责任编辑 常俊香 责任校对 卢瑶 含水量对谷物热传导性能的影响 罗伟，戴希碧 (武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023) 摘要 [目的]提高谷物导热系数的测量精度。[方法]采用热线法分别测定4种不同含水率小麦、高粱、水稻、玉米的导热系数，并考 察4种谷物含水率与其导热系数的关系。[结果]含水率对4种谷物热传导性能的影响规律基本一致，即各种谷物的导热系数均随含 水率的升高而升高；在谷物含水率从 5％ ～20％的变化过程 中，小麦、高梁、水稻、玉米的导热系数分别提高了0．072、0．035、0．022、0．027 W／(M·K)；4种谷物中，小麦含水率的变化对其导热性能的影响最大。[结论]采用热线法测定谷物导热系数具有简单、快捷、易操作 等优点，该方法同样适用于测定其他颗粒材料的导热系数。 关键词 热线法：谷物：导热系数；含水率 中图分类号 s12 文献标识码 A 文章编号 O517—6611(2010)21—11453—02 Innuence of W ater Content on the Thermal Conductivity Performance of Grain LU0 Wei et al (School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan，Hubei 430O23) Abstract f Objective 1 The aim was to enhance the measuring precision of toefficient of thermal conductivity of grain．『Method]The coemcients of thermal conductivity of wheat．sorghum ，rice and corn with 4 different water contents were measured by using hot line method and the relation— ships between water content and coefficient of thermal conductivity in 4 kinds of grains were investigated．1 Resuh I I1he irffluence laws of water content on thermal conductivity performance of 4 kinds of grains were basically identica1．The coefficients of thermal conductivity in various grains were increased along with increase of water content：while the water content in grains varied from 5％ to 20％ ．the coefficients of thermal condue— tivity of wheat，sorghum，rice and COrn were enhanced for 0．072，0．035，0．()22 and 0．O27 w／(M ·K)resp．Among the 4 grains，the change of water content in wheat had maximum influence on its thennal conductivity performance．I Conclusion I e measuring of coefficients of therinal conductivity of grains by using hot line method had advantages of simple．rapid and easy to operate．This method was also suitable for measuring the coefficients of thermal conductivity of other particle materials． KeY words Hot line method：Grain：Coefficient of therm al conductivity：Water content 谷物的导热系数是反映材料导热性能的重要物理参数， 也是研究实际粮食储存过程中谷物热量传递的重要数据。 了解谷物的导热性能(即导热系数)对于其贮存、干燥以及加 工研究具有重要意义，但是由于谷物本身的特殊性质，采用 常规方法很难准确测定其实际状态下的导热系数 j。 目前 ，测试材料导热系数最普遍的方法为稳态平板法 ， 即使确定的热流流过一定厚度的试样，在试样两侧造成温 差，通过测量流过试样的热流密度、试样厚度及其两侧的温 差，利用傅立叶定律计算求出试样的导热系数 j。该方法存 在的问题是：在实际操作过程中，测量的导热系数易受试验 参数以及热源、环境温度的影响，导致测量结果的精度不高。 而且测试时间较长，易造成谷物内水分蒸发(影响谷物含水 率)，所以测试结果不能反映实际工作状态下谷物的导热性 能川。 近年来，有关粮食谷物在贮存、干燥和加工过程中热量 传递的研究较多，因此有必要对粮食谷物的导热性能进行更 精确的研究 。笔者采用热线法测量谷物的导热系数 ，测试 过程中加热系统对试样的影响较小 ，谷物的导热性能不会发 生明显变化，能够反映实际状态下谷物的导热性能。 1 试验原理和设备 该研究采用热线法(非稳态法能)对样品进行测试，其原 理是测量沿式样长度方 向埋设在试样 中线形热源在一定时 间内的温升。通过焊接在热线 中点的热电偶测量热线温度 随时间的变化。该线的温度变化即为被测材料导热系数的 函数。对各状态点进行数字化显示。也可人工完成测试 ，满 足材料检测部门对材料导热系数的高精度测试要求。 作者简介 鸣 谢 收稿 日期 罗伟(1988一 )，男，江西吉水人，本科生，专业：土木工程。 在试验操作和撰写过程中，得到西南石油大学刘建军教授、 武汉工业学院董莪副教授的指导和帮助，在此示感谢1 2010-04-06 根据非稳态传热学原理，假定在某足够大的固体物质中 放入一根理想的无限长无限细的线性热源，该热源在单位长 度单位时间内放射的热量为一定值，则在一定时间内，试样 在该线性热源中会有一定的温度变化，而热源周围的固体物 质的温度变化速度取决于该固体物质的导热系数。温度变 化的过程可通过热电偶信号输入计算机测试系统中，再利用 计算机模拟数学模型进行测试，计算出该固体物质的导热 系数。 基于非稳态传热学理论建立的数学模型为： Z (t2／t1) 4~rL 0，一0， 式中，A为导热系数[W／(M·K)]；，为加热电流(A)；V为热 线两端温度(V)； 为热线长度(In)；f。、t：分别为加热电流接 通后测量的时间(min)；0 、02分别为热线在 t。、t：时对应的 温度(℃)。 试验原理如图 1所示。试验所用仪器由高精度稳压 电 源、测温仪表 、试验温度加热器、计量功率加热器、测温热 电 偶、计算机测试系统组成。①试件部分：包括恒温装置；②加 热系统：环境温度加热器和计量功率加热器；③测温系统：采 用数显高精度仪表，保证其精度和稳定性，并实现零点内部 补偿；④计量功率：采用可编程高精度电源，数字显示，精度 高于0．5％；⑤计算机测试部件：计算机 1套，通讯组件及 软件。 2 试验步骤 该试验主要测定小麦、高粱、水稻、玉米4种谷物含水率 与导热系数的关系。对上述4种谷物分别进行4组试验，试 验步骤‘ 如下(以小麦为例)： (1)选购试样。每种谷物的测试样品颗粒饱满、均匀、无 虫蛀。 11454 安徽农业科学 2010年 K 图1 试验原理 Fig．1 11he experimental principle 图2 试验设备 Fig．2 Experimental equipment (2)制样。试验过程中分别对6组不同含水率的试样 进行测试。 (3)装样。将 l块已刻槽的砖块支座(上表面为 125 mm ×10 mm)安放在炉底上(必要时可增放 2条支座)。将热 线、热电偶等对应镶嵌在刻槽内，均匀地在支座表面铺满样 品，测试过程中样品须完全覆盖刻槽内的热线和热电偶，然 后小心的叠放上另 1块砖块，砖块必须盖住小麦表面，并用 铝箔片裹住砖块间的合缝处。 (4)加热。打开电源，按试验要求设定好电路升温曲线， 然后启动电炉工作，自动升温至试验所需温度。 (5)测量。①当试样边缘温度至中心温度的温差不大于 6 oC，且中心温度10 min内的稳定度不大于0．2℃时，即可 开始测量。②调节合适电压(合适电压是向热线输人合适的 电流、电压、使其连续加热 10 min，总的热线温度升高5～10 ℃。可根据经验判断，也可测试 1次确定电压)。③同时合 上加热开关和计时开关，连续记录热线的温度变化，分别记 录热线通电后 2 min(t )、10 min(t。)时的电流、电压和中心 温度值。④每一试验温度下，应按步骤① 一③重复测定 3 次，然后计算其平均值。每一测定值与平均值的偏差最大不 得超过 10％，否则需重新测定。 (6)手工计算或计算机控制。完成上述测量后，可将测 试数据代入下面的公式进行计算。如果配置有计算机控制， 从(4)加热步骤开始，以后所有的工作均可由计算机完成。 (7)绘制图表。对试验数据进行整理，并绘制图表， 试验结果。 3 试验结果 根据试验数据，可得到小麦、高粱、水稻、玉米 4种谷物 的含水率与导热系数的关系。 由图3～6可知，含水率对谷物热传导性能的影响规律 基本一致。各种谷物含水率对导热系数的影响呈递增关系。 口 苦 耋 毛 图3 小麦含水率与导热系数的关系 Fig．3 Relationship between thermal conductivity and water content of wheat Q 苦 毫 蔓 图4 高粱含水率与导热系数的关系 Fig．4 Relationship be tween thermal conductivity an d water content of sorghum Q 若 耋 趸 童 含水率 Water content ％ 图5 水稻含水率与导热系数的关系 Fig．5 Relationship between thermal conductivity and water content of rice Q 苦 = 亳 毛 卫 图6 玉米含水率与导热系数的关系 Fig．6 Relationship betw een therntal conductivity an d water content of corn 在谷物含水率从5％ ～20％的变化过程中，小麦的导热系 数提高了0．072 W／(M·K)，高粱的导热系数提高了0．035 (下转第11456页) 11456 安徽农业科学 系列溶液。Mn标准系列的质量浓度分别为：0、0．100、 0．200、0．40O、0．600、0．800、1．000，1．200 ml；Pb、Cd标准 系列的质量浓度均为：0、0．010、0．020、0．040、0．080、0．160、 0．320，0．64O；用原子吸收分光光度计测量 Mn、Pb、Cd的吸光 度，以吸光度A对质量浓度 C作标准曲线，在仪器操作条件 范围内，各待测元素线性关系遵循朗伯一比尔定律，建立线 性 回归方程，见表 2。 表2 Mn、Pb、Cd的标准曲线 Table 2 Standard curve ofMn．Pb and Cd 将样品溶液直接喷入火焰，分别测量各待测元素的吸光 度，从标准曲线查找出样品溶液中待测元素 Mn、Pb、Cd的实 际浓度，从而计算出样品中Mn、Pb、Cd的含量。Mn为 l5．5 mg／kg，而 Pb、Cd未检出。按照样品处理方法配制 9个空 白 溶液，分别测量各待测元素的吸光度，计算其标准偏差 ，由 标准曲线的斜率 计算检出限3~／K，结果见表2。 2．2 精密度和加标回收率 准确称取烘干磨细后的6份硒 锌精米 1．000 0 g，加入适量的 Mn、Pb、Cd标准溶液，消化处 理后，将消解液移入 25 ml比色管中，用 5％HNO 定容 ，按试 验方法分别连续测定待测元素的吸光度9次，计算平均回收 率和相对标准偏差(表3)。结果表明，该方法的准确度和精 密度均较高。 3 结论 利用微波消解技术代替传统消解样品的方法，减少了环 境污染，减轻了劳动强度。用火焰原子吸收光谱法测定黔东 南州丹寨县原生态优质硒米中Mn、Pb、Cd的含量，结果发 (上接第 11454页) W／(M·K)，水稻的导热系数提高了0．022 W／(M·K)，玉 米的导热系数提高了0．027 W／(M·K)。 4 结论 该研究采用流线法对4种谷物不同含水率下的热传导 性能进行了研究，结果表明，各种谷物的导热系数均随含水 率的升高而升高；4种谷物中小麦含水率的变化对其导热性 能影响最大；该试验所使用的设备为国内最新测试导热系数 的仪器，测试方法简单、快捷、易操作，同样适用于其他颗粒 材料导热系数的测定。 现，Mn含量为 15．5 mg／kg，重金属元素 Pb、Cd均未检出，表 明贵州省黔东南苗族侗族自治州丹寨县的黔丹牌硒锌精米 属原生态绿色优质大米，可放心食用。 表3 精密度和回收率试验 Table 3 Precision and recovery test 参考文献 [1]蒋天智，唐文华，张文华，等．FAAS法测定原生态硒米中的微量元素铁 和镍[J]．安徽农业科学，2010，38(6)：2770—2771． [2]包莫目根高蛙，许良，屈白呤．微 肖解 一火焰原子吸收分光光度法测 蒙古炒米中6种微量元素[J]．化学试剂，2OO8，30(11)：851—852，864． [3]徐卫河，陈复生．小麦中微量金属元素的分析[J]．食品科技，2O08，33 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