Лекция 3: Характеристика зерновых масс, как объектов хранения

План

1.Состав зерновой массы и характеристика ее компонентов.

2.Физические свойства зерновой массы: сыпучесть, самосортирование, скважистость.

3.Сорбционные свойства: равновесная влажность и теплофизические характеристики зерна

1. Партии зерна, хранящиеся в насыпях, принято называть зерновыми массами. Термин «зерновая масса» следует понимать как технический, приемлемый для зерна или семян культур любого семейства или рода, используемых на разнообразные нужды.

Любая зерновая масса состоит из: 1) зерен (семян) основной культуры, составляющих как по объему, так и по количеству основу всякой зерновой массы; 2) примесей; 3) микроорганизмов.

Разнообразная конфигурация зерен и примесей, их различные размеры приводят к тому, что при размещении их в емкостях образуются пустоты (скважины), заполненные воздухом. Он оказывает существенное влияние на все компоненты зерновой массы, видоизменяется сам и может существенно отличаться по составу, температуре и даже давлению от обычного воздуха атмосферы. В связи с этим воздух межзерновых пространств также относят к компонентам, составляющим зерновую массу. Кроме указанных постоянных компонентов, в отдельных партиях зерна- могут быть насекомые и клещи. Поскольку зерновая масса «служит для них средой, в которой они существуют и влияют на ее состояние», их считают пятым дополнительным и крайне нежелательным компонентом зерновой массы.

Таким образом, любую зерновую массу при ее хранении и обработке следует рассматривать прежде всего как комплекс живых организмов. Каждая группа этих организмов или отдельные представители при известных условиях могут в той или иной степени проявлять жизнедеятельность и, следовательно, влиять на состояние и качество хранимой зерновой массы.

2. Изучение свойств зерновой массы показало, что по своей природе они могут быть разделены на две группы: физические и физиологические. Многие из свойств каждой группы взаимосвязаны, и только с учетом этих связей может быть наиболее рационально организовано хранение зерновых масс.

Для практики хранения представляют интерес следующие физические свойства зерновой массы: сыпучесть и самосортирование, скважистость, способность к сорбции и десорбции различных паров и газов (сорбционная емкость) и теплообменные свойства (теплопроводность, температуропроводность, термовлагопроводность и теплоемкость).

Сыпучесть. Зерновая масса довольно легко заполняет емкость любой конфигурации и при известных условиях может истекать из нее. Большая подвижность зерновой массы — ее сыпучесть — объясняется тем, что она в основе своей состоит из отдельных мелких твердых частиц — зерен основной культуры и различных примесей. Так, в 1 т зерновой массы пшеницы насчитывается 30-40 млн. зерен, а в 1 т проса - 150—190 млн. зерен. Хорошая сыпучесть зерновых масс имеет огромное практическое значение. Так, зерновые массы можно легко перемещать при помощи норий, транспортеров и пневмо-транспортных установок, загружать в различные по размерам и форме транспортные средства (автомашины, вагоны, суда) и хранилища (закрома, склады, траншеи, силосы элеваторов). Наконец, они могут перемещаться самотеком. Это свойство широко используют при хранении, обработке зерновых масс и погрузочно-разгрузочных работах; на нем основана вся поточность процессов на элеваторах, мельницах и крупяных заводах. Сыпучесть зерновой массы характеризуют углом трения или углом естественного откоса. Находящиеся в зерновой массе примеси, как правило, понижают ее сыпучесть. Угол естественного откоса у овса может быть от 31 до 54°, у ячменя — 28—45°, у пшеницы — 23—38°, у проса — от 20 до 27°.

Самосортирование. Содержание в зерновой массе твердых частиц, различных по размеру и плотности, нарушает ее однородность при перемещении. Это свойство зерновой массы, проявляющееся и как следствие ее сыпучести, называют самосортированием. Так, при перевозках зерна в автомашинах или вагонах, передвижении по ленточным транспортерам в результате толчков и встряхиваний легкие примеси, семена в цветочных пленках, щуплые зерна и др. перемещаются к поверхности насыпи, а тяжелые уходят в ее нижнюю часть.

Самосортирование наблюдается и в процессе загрузки зерновой массы в хранилища. При этом самосортированию способствует парусность — сопротивление, оказываемое воздухом перемещению каждой отдельной частицы.

Скважистость. При характеристике зерновой массы уже отмечалось, что в ней имеются межзерновые пространства — скважины, заполненные воздухом. Скважины составляют значительную часть объема зерновой насыпи и оказывают существенное влияние на другие ее физические свойства и происходящие в ней физиологические процессы.

Величина скважистости зерновой массы зависит в основном от факторов, влияющих на натуру зерна. Так, с увеличением влажности уменьшается сыпучесть, а следовательно, и плотность укладки. Крупные примеси обычно увеличивают скважистость, мелкие легко размещаются в межзерновых пространствах и уменьшают ее. Зерновые массы, содержащие крупные и мелкие зерна, обладают меньшей скважистостью. Выравненные зерна, а также шероховатые или со сморщенной поверхностью укладываются менее плотно. Зная объем, занимаемый зерновой массой, и ее скважистость, легко установить объем находящегося в скважинах воздуха. Это количество воздуха при активном вентилировании принимается за один обмен.

Скважистость (S) определяют по формуле:

S = W-v/W*100, где W— общий объем зерновой массы; v— истинный объем твердых частиц зерновой массы.

3. Сорбционные свойства. Зерно и семена всех культур и зерновые массы в целом являются хорошими сорбентами. Они способны поглощать из окружающей среды пары различных веществ и газы. При известных условиях наблюдается обратный процесс — выделение (десорбция) этих веществ в окружающую среду.

В зерновых массах наблюдаются такие сорбционные явления, как адсорбция, абсорбция, капиллярная конденсация и хемосорбция. Их значительная способность к сорбции объясняется двумя причинами: капиллярно-пористой коллоидной структурой зерна или семени и скважистостью зерновой массы.

Исследование структуры зерна и семян различных культур показало, что между их клетками и тканями имеются макро- и микрокапилляры и поры. Диаметр макропор равен 10^-3-10^-4 см, а микропор - 10^-7 см. Стенки макро- и микрокапилляров во внутренних слоях зерна являются активной поверхностью, участвующей в процессах сорбции молекул паров и газов. Кроме того, по системе макро- и микрокапилляров перемещаются ожиженные пары.

Принято, что активная поверхность зерна пшеницы и ржи превышает его истинную примерно в 20 раз.

Равновесная влажность. Влагообмен между зерновой массой и соприкасающимся с ней воздухом в той или иной степени идет непрерывно. В зависимости от параметров воздуха (его влажности и температуры) и состояния зерновой массы влагообмен происходит в двух противоположных направлениях: 1) передача влаги от зерна к воздуху; такое явление (десорбция) наблюдается, когда парциальное давление водяных паров у поверхности зерна больше парциального давления водяных паров в воздухе; 2) увлажнение зерна вследствие поглощения (сорбции) влаги из окружающего воздуха; этот процесс происходит, если парциальное давление водяных паров у поверхности зерна меньше парциального давления водяных паров в воздухе.

Влагообмен между воздухом и зерном прекращается, если парциальное давление водяного пара в воздухе и над зерном одинаково. При этом наступает состояние динамического равновесия. Влажность зерна, соответствующая этому состоянию, называется равновесной. Иначе говоря, под равновесной понимают влажность, установившуюся при данных параметрах воздуха — его влагонасыщенности, температуре и давлении.

В связи с различными условиями созревания и разной сорбционной емкостью влажность зерна и семян при уборке урожая и перед их хранением колеблется от 7 до 32—36 %.

Теплофизические характеристики. Представление о них необходимо для понятия явлений теплообмена, происходящих в зерновой массе, которые необходимо учитывать при хранении, сушке и активном вентилировании.

Теплоемкость. Удельная теплоемкость абсолютно сухого вещества зерна примерно 1,51 —1,55 кДж/(кг°С). С увеличением влажности зерна возрастает и его удельная теплоемкость. Так, при влажности зерна пшеницы 20 % его удельная теплоемкость равна 2,22 кДж/(кг °С). Теплоемкость учитывают при тепловой сушке зерна, так как расход тепла зависит от исходной влажности зерна.

Коэффициент теплопроводности зерновой массы находится в пределах 0,42—0,84 кДж/(м. ч. °С), а отдельно взятого зерна пшеницы — 0,68 кДж/(м. ч. °С). Низкая теплопроводность зерновой массы обусловлена ее органическим составом и наличием воздуха, коэффициент теплопроводности которого всего лишь 0,084 кДж/(м.ч.°С). С увеличением влажности зерновой массы ее теплопроводность растет (коэффициент теплопроводности воды 2,1 кДж/(м.ч.°С), но все же остается сравнительно низкой. Для сравнения напомним, что у хороших проводников тепла коэффициент теплопроводности равен у меди 1190—1430 кДж/(м.ч.°С) или у железа 168—252 кДж/(м.ч.°С). Плохая теплопроводность зерновых масс, так же как и низкая температуропроводность, играет при хранении и положительную, и отрицательную роль.

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры в материале, его теплоинерционные свойства. Скорость нагревания или охлаждения зерновой массы определяется величиной коэффициента температуропроводности:

а = L/cy м²/ч,

где L — коэффициент теплопроводности зерна, кДж/(ч м °С); с — удельная теплоемкость, кДж/(кг °С); у — объемная масса зерна, кг/м².

Зерновая масса характеризуется очень низким коэффициентом температуропроводности, т. е. обладает большой тепловой инерцией. По данным отечественных авторов, коэффициент температуропроводности колеблется в пределах 6,15*10^-4—6,85*10^-4 м²/ч. У хороших проводников тепла он равен (3700—4000) 10^-4 м²/ч.

Термовлагопроводность. Изучение возникновения и развития процесса самосогревания, показало, что влага в зерновой массе перемещается вместе с потоком тепла. Такое явление миграции влаги в зерновой массе, обусловленное градиентом температуры, получило название термовлагопроводности.

В зерновых массах, обладающих плохой тепло- и температуропроводностью в отдельных участках, особенно периферийных (поверхность насыпи, части насыпи, прилегающие к стенам или полу хранилища), происходят перепады температур, приводящие к миграции влаги (главным образом в виде пара) по направлению потока тепла.

Литература:

1.Манжесов В.И., Попов И.А., Щедрин Д.С. Технология хранения растениеводческой продукции: учебное пособие. - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - 249 с.

2.Вобликов Е.М. Технология элеваторной промышленности.- Санкт-Петербург: Лань, 2010. — 384 с.

3.Трисвятский Л.А., Лесик Г.В., Кудрина В.Н. Хранение и технология сельскохозяйственной продукции. - М.: Агропромиздат,1991. -415с.

4.Личко Н.М. Стандартизация и подтверждение соответствия сельскохозяйственной продукции.-М.: ДеЛи плюс, 2013.- 512с.