彭 飛 張國(guó)棟 孔丹丹 楊 潔 王紅英,2
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院1,北京 100083) (農(nóng)業(yè)部國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心2,北京 100083)
豆粕熱物理特性的試驗(yàn)研究
彭 飛1張國(guó)棟1孔丹丹1楊 潔1王紅英1,2
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院1,北京 100083) (農(nóng)業(yè)部國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心2,北京 100083)
為研究豆粕熱物理特性的測(cè)定方法及不同濕基含水率、溫度下的相關(guān)規(guī)律,以5種濕基含水率(分別為4.85%、8.94%、12.81%、16.72%、20.87%)的豆粕為試驗(yàn)材料,在5種溫度梯度下(分別為30、45、60、75、90 ℃),對(duì)其比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱物理特性進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明:豆粕的比熱在2.073~5.170 J/(g·K)之間,其熱導(dǎo)率在0.066~0.097 W/(m·K)之間,其熱擴(kuò)散系數(shù)在0.416×10-7~0.787×10-7m2/s之間;含水量和溫度對(duì)其熱物理特性影響顯著;其比熱、熱導(dǎo)率均隨濕基含水量和溫度的升高而增大;熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大,隨濕基含水量的增加而減小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分別擬合出比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)與濕基含水量、溫度的回歸方程。
豆粕 含水量 溫度 熱物理特性
豆粕是大豆提取豆油后得到的一種副產(chǎn)品,其蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)43~48%,且營(yíng)養(yǎng)豐富均衡,含多種礦物質(zhì)和維生素,同時(shí)具有氨基酸平衡、適口性好、消化率高、供應(yīng)充足、不易被病原菌污染或氧化腐敗和安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[1-3],是動(dòng)物飼料的主要原料,在食品及抗菌素領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[4-5]。比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)是農(nóng)產(chǎn)品和食品熱物理特性的3個(gè)重要參數(shù),是研究物料干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱過(guò)程中數(shù)學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)[6-8]。熱物理特性指標(biāo)受到化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)、物質(zhì)狀態(tài)、含水率、溫度等因素影響[9]。
國(guó)內(nèi)外在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域尤其是谷物和油料的熱物理特性方面做了一定的研究[10-13]。Razavi等[14]研究了在4種水分含量和4種溫度下開(kāi)心果比熱的變化;Kempkiewicz等[15]測(cè)得了含水量0.96%~34.3%條件下燕麥籽粒(品種為Mercury)和含水量0.3%~29.8%時(shí)大麥籽粒(品種為Aramir)的比熱特性;Deshpande等[16]測(cè)定了含水量8.1%~25%時(shí)大豆的比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù),并分析了其隨水分的變化規(guī)律;楊洲等[17]研究了稻谷熱特性參數(shù)與含水量的關(guān)系,并擬合了回歸方程;趙學(xué)偉等[18]匯總了有關(guān)小麥及其制品熱導(dǎo)率的測(cè)定結(jié)果,并論述了溫度、水分及結(jié)構(gòu)特性對(duì)其熱導(dǎo)率的影響。Kayisoglu等[19]分析了不同含水量小麥、玉米和葵花籽粒的熱導(dǎo)率隨水分的變化規(guī)律。有研究表明,含水量和溫度是影響農(nóng)產(chǎn)品物料熱物理特性的重要因素[10-12, 14]。前人研究為農(nóng)產(chǎn)品物料的熱物理特性測(cè)定及其回歸模型的建立提供了參考,為探索豆粕的熱物理特性提供了研究方法和模型驗(yàn)證等理論基礎(chǔ)[15-17, 19]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)谷物和油料等農(nóng)產(chǎn)品熱物理特性的研究重點(diǎn)為其籽?;蚍垠w,對(duì)于其進(jìn)一步加工后的副產(chǎn)品研究較少;豆粕作為大豆的副產(chǎn)品,目前研究主要為其在飼料、食品中的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及其對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)性能、生化指標(biāo)的影響等方面[20-21],對(duì)于豆粕的熱物理特性研究很少,而這方面的研究對(duì)于豆粕的加工生產(chǎn)尤其是在飼料行業(yè)中的利用具有重要的指導(dǎo)意義。
本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同含水量、不同溫度的豆粕的比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,分析其熱物理特性隨含水率、溫度的變化規(guī)律,特別是為研究飼料行業(yè)內(nèi)以豆粕為主要原料的干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱過(guò)程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為其加工過(guò)程中工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。
1.1 試驗(yàn)材料
豆粕:武漢中海糧油工業(yè)有限公司(2014年),粗蛋白43.62%、粗脂肪0.65%、粗灰分5.56%、酸性纖維6.21%和中性纖維10.11%。取樣后放入到自封袋中,在4 ℃的環(huán)境下進(jìn)行貯藏。
1.2 試樣制備
試驗(yàn)前,按照飼料廠豆粕加工生產(chǎn)的粒度要求將豆粕粉碎到合適粒徑,粉碎時(shí)過(guò)2.0 mm孔徑的篩片;基于十四層篩法,測(cè)得豆粕過(guò)該篩片后的幾何平均粒徑為356.82 μm。接著將粉碎后的豆粕烘干,測(cè)得其含水量為11.69%,含水量的測(cè)定采用105 ℃烘箱干燥法,參考GB/T 10358—2008。豆粕作為飼料的重要原料,在飼料生產(chǎn)加工過(guò)程中其含水量變化范圍通常為10%~18%,研究將豆粕含水量處理為4.85%、8.94%、12.81%、16.72%和20.87%;含水量的調(diào)節(jié)方法為:由公式(1)計(jì)算調(diào)節(jié)到目標(biāo)水分應(yīng)添加蒸餾水的質(zhì)量,然后稱取蒸餾水并均勻噴灑到豆粕上,將賦水處理后的豆粕放置于密封袋中一晝夜期使水分均勻。
(1)
式中:Q為需要添加蒸餾水的質(zhì)量/g;wi為豆粕的質(zhì)量/g;mi為豆粕含水量/%;mf為調(diào)節(jié)后豆粕含水量/%。
1.3 試驗(yàn)儀器
DSC-60型差示掃描量熱儀、密封鋁制坩堝:日本島津公司;KD2 Pro熱特性分析儀:美國(guó)Decagon公司;JFSD-100型粉碎機(jī):上海嘉定糧油儀器有限公司;規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6003.1—1997的十四層標(biāo)準(zhǔn)篩:河南新鄉(xiāng)市同心機(jī)械有限責(zé)任公司。
1.4 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法
1.4.1 比熱的概念和測(cè)定方法
比熱是指單位質(zhì)量物質(zhì)溫度每升高(或降低)1 ℃所增加(或減少)的能量,其原理計(jì)算方法如公式(2)所示。
(2)
式中:Cp為比熱/J/(g·K);Q為熱量/J;m為質(zhì)量/g;ΔT為溫差/℃。
試驗(yàn)采用差示掃描量熱法間接測(cè)定豆粕的比熱[22-23],該原理是利用程序調(diào)控,使得樣品和參比物溫度保持一致,測(cè)定輸送給被測(cè)樣品和參比物之間的能量差值與溫度之間的關(guān)系,進(jìn)而求得樣品比熱。具體方法為:首先,DSC儀器的左右2個(gè)樣品池中均放入空白坩堝,計(jì)算機(jī)程序同時(shí)加熱并控制兩者升溫速度一致,設(shè)定初始溫度為25 ℃,以10 ℃/min的速度升溫到125 ℃,保持10 min,然后將儀器冷卻,得到第1條基線;接著,換用一種比熱容已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品(藍(lán)寶石),以相同條件獲得第2條基線;最后,將樣品池左側(cè)放入空坩堝,右側(cè)放入稱有5~10 mg試驗(yàn)樣品的坩堝,重復(fù)上述步驟,得出該樣品的DSC曲線,試驗(yàn)過(guò)程原理如圖1所示。每個(gè)樣品試驗(yàn)3次,取平均值作為最后結(jié)果。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣品與試驗(yàn)樣品的DSC曲線圖
數(shù)據(jù)空白、標(biāo)準(zhǔn)樣品和試驗(yàn)樣品的DSC曲線,由式(3)可計(jì)算樣品的比熱:
(3)
式中:Cp、Cp..std分別為試驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品在溫度T時(shí)的比熱/J/(g·K);ms、mstd分別為試驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量/mg;DSCs、DSCstd、DSCb1分別為試驗(yàn)樣品曲線、標(biāo)準(zhǔn)樣品曲線和基線在溫度T時(shí)的DSC信號(hào)值/mW。
1.4.2 熱導(dǎo)率的概念和測(cè)定方法
熱導(dǎo)率是材料傳遞能量的能力,單位為W/(m·K)。對(duì)于固態(tài)金屬材料,熱量傳遞主要通過(guò)自由電子的流動(dòng)和晶格的振動(dòng),而對(duì)于氣體和液體,熱量的傳遞主要通過(guò)分子碰撞[24]。
熱導(dǎo)率測(cè)定采用美國(guó)Decagon公司的KD2 pro熱特性分析儀,基于探針?lè)ㄔ?,通過(guò)檢測(cè)某一給定電壓下線性熱源的熱消散和溫度來(lái)計(jì)算試樣的熱導(dǎo)率,一個(gè)測(cè)量周期包括平衡、加熱和冷卻時(shí)間,在加熱和冷卻階段進(jìn)行溫度測(cè)量,基于非線性最小二乘程序?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合和線性校正,使得測(cè)量精度達(dá)到最優(yōu)化。具體操作為:將被測(cè)物料置于某一恒溫環(huán)境中,當(dāng)探針插進(jìn)物料后,加熱絲提供一定的熱量,熱電偶不斷測(cè)量溫度的變化。經(jīng)一段時(shí)間后,溫度T和時(shí)間的對(duì)數(shù)lnt出現(xiàn)線性關(guān)系。根據(jù)此直線的斜率可以求出材料的熱導(dǎo)率k。
(4)
式中:Q為探針單位長(zhǎng)度上輸入的能量/W/m;ΔT為樣品任意時(shí)刻溫度與環(huán)境溫度之差/℃;ΔT0為開(kāi)始時(shí)刻樣品溫度與環(huán)境溫度之差/℃;t0為開(kāi)始時(shí)間,即系統(tǒng)穩(wěn)定后的時(shí)間/s。
1.4.3 熱擴(kuò)散系數(shù)的概率和測(cè)定方法
熱擴(kuò)散系數(shù)又稱導(dǎo)溫系數(shù),單位為m2/s,它反映導(dǎo)熱過(guò)程中物料導(dǎo)熱能力和儲(chǔ)熱能力之間的關(guān)系,是衡量物料受熱后溫度傳導(dǎo)能力的一個(gè)重要參數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)越大表明介質(zhì)內(nèi)熱量的滲透作用越快,熱量遷移所需要的時(shí)間越少[25],即周圍溫度環(huán)境發(fā)生改變時(shí),介質(zhì)熱擴(kuò)散系數(shù)越大,越能更快地到達(dá)新的熱平衡,該系數(shù)由KD2 pro熱特性分析儀測(cè)得。
2.1 溫度和含水量對(duì)豆粕熱導(dǎo)率的影響
通過(guò)KD2 pro熱特性分析儀,分別測(cè)得5種濕基含水量、5種溫度下豆粕的的熱導(dǎo)率,重復(fù)3次試驗(yàn)后得到豆粕熱導(dǎo)率的平均值,通過(guò)軟件OriginPro 8.5繪圖,結(jié)果如圖2所示。
通過(guò)SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,如表1所示。由分析可知,濕基含水量F=50.06,P<0.01,差異極顯著;溫度F=126.05,P<0.01,差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明,濕基含水量、溫度對(duì)豆粕的熱導(dǎo)率都有極顯著性影響。如圖2所示,豆粕濕基含水量為12.81%時(shí),豆粕在不同溫度下的熱導(dǎo)率分別為0.072、0.075、0.079、0.083、0.088 W/(m·K),熱導(dǎo)率隨著溫度增大呈遞減趨勢(shì)。濕基含水量4.85%、8.94%、16.72%、20.87%時(shí),熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律與濕基含水量12.81%情況下的規(guī)律相似,表明溫度越高,豆粕熱導(dǎo)率越大。這一現(xiàn)象與大量農(nóng)產(chǎn)品熱導(dǎo)率隨溫度變化的規(guī)律相似[10-13],這可能是因?yàn)闇囟壬撸蛊煞肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)增強(qiáng),同時(shí)豆粕空隙中空氣的導(dǎo)熱和孔隙壁間的輻射作用也隨之加強(qiáng),故熱導(dǎo)率升高。如圖2所示,同一溫度下,隨著含水量的升高,豆粕熱導(dǎo)率逐漸增大,這可能是因?yàn)殡S著豆粕含水量增大,豆粕分子空隙中水分增加,豆粕空隙中蒸汽的擴(kuò)散和水分子的運(yùn)動(dòng)起主要傳熱作用,其中水的熱導(dǎo)系數(shù)比空氣熱導(dǎo)系數(shù)大20倍左右[9],同時(shí)豆粕分子間的連接點(diǎn)和接觸面積大幅度上升,因此豆粕熱導(dǎo)率隨含水量升高而增大。基于豆粕的熱導(dǎo)率特點(diǎn),在其熱加工利用過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和水分等條件,來(lái)控制豆粕的導(dǎo)熱能力,即單位時(shí)間內(nèi)其傳導(dǎo)熱量的多少,對(duì)于豆粕的加工工藝參數(shù)等研究具有指導(dǎo)意義。
圖2 溫度和含水量與豆粕熱導(dǎo)率的關(guān)系
表1 豆粕熱導(dǎo)率方差分析表
注:R2=0.978(調(diào)整R2=0.967)。
基于SPSS進(jìn)行線性回歸分析,可建立溫度、含水量與豆粕熱導(dǎo)率之間的關(guān)聯(lián)方程,如式(5)所示。經(jīng)方差分析,相關(guān)系數(shù)R2=0.965,回歸方程擬合度較高,可以用來(lái)預(yù)測(cè)豆粕在不同濕基含水量、不同溫度下的熱導(dǎo)率值。
k=0.058+6.80×10-4M+4.31×10-4T(R2=0.965)
(5)
式中:k為熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1;M為含水量/%;T為溫度/℃。
2.2 溫度和含水量對(duì)豆粕比熱的影響
通過(guò)差式掃描量熱儀DSC,測(cè)得豆粕在5種濕基含水量、5種溫度下的比熱值,由軟件OriginPro 8.5繪圖,曲線如圖3所示。
圖3 溫度和含水量與豆粕比熱的關(guān)系
利用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,如表2所示。由分析可知,濕基含水量F=93.86,P<0.01,差異極顯著;溫度的F=143.54,P<0.01,差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明,濕基含水量、溫度對(duì)豆粕的比熱都有極顯著性影響。如圖3所示,同一含水量條件下,豆粕比熱均隨著溫度的升高而增大,且不同含水量條件下曲線均呈升高趨勢(shì)。同一溫度下,隨著濕基含水量的升高,豆粕比熱值逐漸增大,5種溫度下比熱均呈升高趨勢(shì)。這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)物料的比熱主要取決于組成成分和含量,水的比熱值最大,常溫下約為4.2 J/(g·K),是其他組成成分(蛋白質(zhì)、碳水化合物、灰分等)的2~3倍[9]。因此隨著含水量的增加,豆粕的比熱值增大。基于豆粕的比熱特點(diǎn),在實(shí)際加工生產(chǎn)時(shí),如在干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱過(guò)程中,需要對(duì)比熱值高的豆粕提供更多的能量,對(duì)于豆粕的熱加工具有指導(dǎo)意義。
表2 豆粕比熱方差分析表
注:R2= 0.983(調(diào)整R2=0.975)。
基于SPSS進(jìn)行線性回歸分析,可建立豆粕含水量、溫度與比熱值之間的關(guān)聯(lián)方程,如式(6)所示。經(jīng)方差分析,該回歸方程擬合度較高,可以用來(lái)預(yù)測(cè)在不同濕基含水量、不同溫度下豆粕的比熱值。
Cp=1.01+7.92×10-2M+2.72×10-2T
(R2=0.939)
(6)
式中:Cp為比熱/J/(g·K);M為含水量/%;T為溫度/℃。
2.3 溫度和含水量對(duì)豆粕熱擴(kuò)散系數(shù)的影響
通過(guò)KD2 pro熱特性分析儀,分別測(cè)得5種濕基含水量、5種溫度下豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù),通過(guò)OriginPro 8.5繪圖,如圖4所示。
用SPSS軟件進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。分析可知,濕基含水量的F=54.49,P<0.01,差異極顯著;溫度的F=104.83,P<0.01,差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明,濕基含水量、溫度對(duì)豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù)都有極顯著性影響。如圖4所示,濕基含水量12.81%時(shí),在5種溫度梯度下,豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù)分別為0.482、0.531、0.548、0.561、0.646×10-7m2/s,熱擴(kuò)散率隨著溫度的升高而增大。其他4種含水量的豆粕,熱擴(kuò)散率隨溫度的變化規(guī)律與含水量12.81%時(shí)相似。如圖4所示,在同一溫度下,豆粕含水量越高,其熱擴(kuò)散系數(shù)就越小。通過(guò)線性回歸分析,建立豆粕含水量、溫度與熱擴(kuò)散系數(shù)值之間的關(guān)聯(lián)方程,如式(7)所示。經(jīng)方差分析,該回歸方程擬合度較高,可以用來(lái)預(yù)測(cè)在不同濕基含水量、不同溫度下豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù)值。
α=(0.484-0.008M+0.03T)×10-7(R2=0.898)
(7)
式中:α為熱擴(kuò)散系數(shù)/m2/s;M為含水量/%;T為溫度/℃。
圖4 溫度和含水量與豆粕熱擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系
表3 豆粕熱擴(kuò)散系數(shù)方差分析表
注:R2= 0.976(調(diào)整R2= 0.963)。
試驗(yàn)研究了不同濕基含水量(分別為4.85%、8.94%、12.81%、16.72%、20.87%)和不同溫度(分別為30、45、60、75、90 ℃)下豆粕的比熱、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱物理特性參數(shù),分析了該熱物理參數(shù)隨含水量和溫度的變化規(guī)律,擬合了回歸方程,并對(duì)本質(zhì)原因進(jìn)行了探討。
在5種濕基含水量、5種溫度梯度下,豆粕的比熱值變化范圍為2.073~5.170 J/(g·K)。5種濕基含水量的豆粕,在溫度為30 ℃時(shí),其比熱值分別為2.073、2.374、2.656、3.005、3.714 J/(g·K);溫度為45 ℃時(shí),其比熱值分別為2.952、2.977、3.133、3.405、4.239 J/(g·K);溫度為60 ℃時(shí),其比熱值為3.290、3.441、3.575、3.663、4.526 J/(g·K);溫度為75 ℃時(shí),其比熱值為3.595、3.709、3.884、4.346、4.804 J/(g·K);溫度為90 ℃時(shí),其比熱值為4.009、4.054、4.181、5.170 J/(g·K);濕基含水量、溫度均對(duì)豆粕的比熱值具有極顯著性影響。進(jìn)一步分析,濕基含水量相同時(shí),溫度越高,豆粕比熱值越大;同一溫度條件下,豆粕濕基含水量越高,其比熱值也就越大。
豆粕的熱導(dǎo)率變化范圍在0.066~0.097 W/(m·K)之間。經(jīng)顯著性分析可知,濕基含水量、溫度均對(duì)豆粕的熱導(dǎo)率有極顯著性影響。當(dāng)濕基含水量相同時(shí),溫度越高,豆粕熱導(dǎo)率越大;同一溫度條件下,豆粕濕基含水量越高,其熱導(dǎo)率也就越大。
豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù)變化范圍是0.416~0.787×10-7m2/s。濕基含水量、溫度對(duì)豆粕的熱擴(kuò)散系數(shù)都有極顯著性影響。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)濕基含水量相同時(shí),溫度越高,豆粕熱擴(kuò)散系數(shù)越大;同一溫度條件下,豆粕濕基含水量,其熱擴(kuò)散系數(shù)越小。
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Experimental Research on Thermal Physical Properties of Soybean Meal
Peng Fei1Zhang Guodong1Kong Dandan1Yang Jie1Wang Hongying1,2
( College of Engineering, China Agriculture University1, Beijing 100083)(National Agricultural Products Processing Technology & Equipment Research and Development Center of Ministry of Agriculture2, Beijing 100083)
In order to study the determination method of thermal physical properties of soybean meal and related laws with different wet basis moisture content and temperature, five wet basis moisture content (4.85%, 8.94%, 12.81%, 16.72%, 20.87%, respectively), and five kinds of temperature gradient (30, 45, 60, 75, 90 ℃) of soybean meal were measured and compared. The three parameters, specific heat, thermal conductivity and thermal diffusivity under different moisture content and temperature of soybean meal were analyzed, respectively. The experimental results showed that the specific heat of soybean meal ranges from 2.073 to 5.170 J/(g·K), the thermal conductivity of soybean meal was 0.066~0.097 W/(m·K) and thermal diffusivity was 0.416×10-7~0.787×10-7m2/s, respectively. The moisture content and temperature had significant influence on thermophysical properties; The specific heat and thermal conductivity of soybean meal increased with the increase of moisture content and temperature; while the thermal diffusivity of soybean meal increased with the increase of temperature and decreased with the increase of moisture content. The fitted equations about the relationship between the thermal physical properties and the two parameters (moisture content and temperature) could be established.
soybean meal, moisture content, temperature, thermal physical properties
公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203015)
2015-11-03
彭飛,男,1989年出生,博士,飼料加工工藝及裝備
王紅英,女,1966年出生,教授,博士生導(dǎo)師,飼料加工工藝及裝備
S816.43
A
1003-0174(2017)05-0032-06