19 Теплофизические и массообменные свойства зерна и продуктов его переработки.

К теплофизическим свойствам зерна и продуктов его перера­ботки относятся теплоемкость, теплопроводность и температу­ропроводность.

Теплоемкость. Количественным выражением теплоемкости служит показатель удельная теплоемкость, характеризующийся количеством теплоты, необходимой для нагревания единицы мас­сы материала на 1 С (или на 1 К).

При необходимости точных расчетов следует учитывать род зерновой культуры, а также то, что удельная теплоемкость зер­на зависит не только от влажности, но и от температуры, влия­ние которых на примере зерна пшеницы (по данным А.П. Мака­рова в обработке Г. А. Егорова).

В диапазоне положительных температур это влияние можно охарактеризовать линейной зависимостью, представленной для зерна (и ядра) ряда крупяных культур при одинако­вом влагосодержании (по данным В. Н. Старовойтова в обработ­ке Г. Н. Дегтяренко).

Теплопроводность. Под теплопроводностью понимают свойство тел переносить теплоту от участков с более высокой температурой к участкам с низкой температурой.

Теплопроводность зерновой массы возрастает с увеличением ее влажности и снижается с уве­личением ее скважистости. Последнее является следствием того, что теплопроводность отдельно взятого зерна выше теплопро­водности зернового слоя, скважины которого заполнены возду­хом.

Количественным выражением теплопроводности служит коэф­фициент теплопроводности h, [Вт/(м * К)], который показывает, ка­кое количество теплоты передается в единицу времени через еди­ницу поверхности при снижении температуры на 1 °С (или на 1 К) на единицу длины.

Существенное влияние на теплопроводность зерна оказывают его влажность и температура, а также специфические особенности, связанные с особенностями строения, химическим составом зерна и характерными формами связи влаги.

В диапазоне положительных температур это влияние можно охарактеризовать линейной зависимостью, например, для зерна (и ядра) ряда крупяных культур при одинаковом влагосодержании (по Г. А. Егорову).

Теплопроводность зернового слоя вследствие наличия запол­ненных воздухом скважин в 3...4 раза ниже, чем единичного зерна.

Для сравнения: коэффициенты теплопроводности воздуха и воды при 20 С составляют соответственно 0,0252 и 0,590 Вт/(м * К), т. е. коэффициент теплопроводности воды больше коэффициента теп­лопроводности воздуха примерно в 23 раза, а коэффициент тепло­проводности единичного зерна пшеницы влагосодержанием 20 % (соответствует влажности 16,7 %) примерно в 1,3 раза меньше ко­эффициента теплопроводности воды и примерно в 18 раз выше коэффициента теплопроводности воздуха.

Мука, крупа и комбикорма, как и зерно, имеют низкую теплопроводность. Поэтому муку с характерной для нее низкой газо­проницаемостью рекомендуется закладывать на хранение в охлаж­денном состоянии.

Температуропроводность. Теплоинерционные свойства материа­лов выражаются температуропроводностью. Количественным вы­ражением температуропроводности служит коэффициент темпера­туропроводности а (м²/с), характеризующий скорость распростра­нения температурных изменений в процессе нагревания или ох­лаждения различных материалов.

Чем больше произведение (ср_н), тем медленнее будет нагре­ваться или охлаждаться материал (например, зерновой слой или единичные зерна).

Зерновая масса — хороший теплоизолятор, в котором темпера­турные изменения происходят с низкой интенсивностью. Харак­тер изменения и значения коэффициента температуропроводности единичного зерна и слоя зерна пшеницы при различных зна­чениях влагосодержания (влажности) и температуры (по данным Г. А. Егорова).

Для сравнения: коэффициенты температуропроводности воздуха и воды при 20 °С составляют соответственно 2- 10 -⁵ и 1,4- 10-⁷м2/с, т. е. коэффициент температуропроводности воды меньше коэф­фициента температуропроводности воздуха примерно в 143 раза, а коэффициент температуропроводности слоя зерна пшеницы влажностью 14...20% примерно в 1,5 раза меньше коэффици­ента температуропроводности воды.

Температуропроводность муки и отрубей ниже температуропроводности зерновой массы, из которой они выработаны.

Температуропроводность рассыпных и гранулированных ком­бикормов по количественной характеристике и характеру измене­ния близка к температуропроводности зернового слоя.

Низкая тепло- и температуропроводность зерна и продуктов его переработки с точки зрения сохранности имеет две стороны: положительную и отрицательную.

Положительным фактором является то, что заложенные на хра­нение охлажденное зерно и продукты его переработки могут при правильно организованных режимах длительное время сохранять низкую температуру даже в летнее время. Храпение при понижен­ных температурах приводит к замедлению и даже приостановке всех характерных физиологических процессов (дыхание, жизнеде­ятельность микроорганизмов, насекомых и клещей).

Отрицательным фактором является то, что заложенные на хра­нение в неохлажденном состоянии зерно и продукты его перера­ботки могут длительное время сохранять плюсовую температуру (даже в зимнее время), если их не охладить с наступлением холо­дов. Более того, выделяемая в результате физиологических про­цессов теплота может задерживаться в хранящихся зерне и про­дуктах его переработки и приводить к повышению температуры вплоть до самосогревания.

МАССООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА Гигроскопичность и равновесная влажность материалов. Вода яв­ляется обязательным компонентом зерна. Полностью обезвожен­ное зерно теряет функции живого организма. При хранении зерно активно обменивается влагой с окружающей средой. В связи с этим под гигроскопичностью понимают способность ма­териалов (зерна и продуктов его переработки) поглощать и от­давать влагу.

Явление поглощения материалом водяных паров (или каких-либо газов) называют сорбцией, а испарение влаги из материалов и переход ее в окружающую среду (воздух) — десорбцией. Десорбция протекает только в том случае, если парциальное давление водя­ных паров на поверхности материала больше парциального давле­ния водяных ларов в окружающей среде. В противном случае ма­териал увлажняется вследствие сорбции.

В состоянии равновесия с влажным воздухом температура ма­териала равна температуре воздуха, а парциальное давление водя­ных паров на поверхности материала равно парциальному давле­нию водяных паров в воздухе. В этот момент влажность материала имеет определенное значение и называется равновесной влажнос­тью (иногда — равновесным влагосодержанием).

Максимальное значение равновесной влажности материала,

соответствующее относительной влажности воздуха (р = 100 %, принято называть гигроскопической влажностью.

Необходимо отметить, что гигроскопическая влажность всегда меньше максимальной влагоемкости, которая достигается при не­посредственном контакте материала с жидкостью (в результате намокания или смачивания).

При исследовании гигроскопических свойств материалов ис­пользуют тензиметрический (статический) метод. Для этого ста­канчик с образцом материала определенной массы и влажности помещают в эксикатор с раствором серной кислоты известной концентрации (каждой определенной концентрации серной кислоты соответствует определенная относительная влажность воздуха) или с насыщенным раствором некоторых солей. Стаканчик с об­разцом материала периодически взвешивают до тех пор, пока его масса не станет постоянной.

Изотер­му, полученную в результате увлажнения материала, называют изотермой сорбции, а в результате испарения влаги — изотермой де­сорбции.

Исследователи отмечают две возможные причины сорбционного гистерезиса. Согласно первой длительность взаимодействия влажного коллоидного материала с воздухом по достижении со­стояния фактического равновесия чрезвычайно велика (может длиться несколько месяцев). Следовательно, зафиксированная в опытах равновесная влажность сорбции меньше истинной, а рав­новесная влажность десорбции больше истинной. Согласно вто­рой явление сорбционного гистерезиса капиллярно-пористых тел является следствием наличия в них воздуха, попадающего в ка­пилляры тела при удалении капиллярной влаги в процессе сушки и адсорбируемого на стенках капилляров. При последующем ув­лажнении происходит неполное смачивание и, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, необходимо увеличить парциальное дав­ление пара (путем увеличения ф).

На практике во избежание увлажнения хранящегося зерна и продуктов его переработки необходимо иметь данные об их сорбционной равновесной влажности. Последняя в значительной мере определяется температурой окружающей среды: чем выше температура, тем меньше значение равновесной влажности, и наоборот. Данная закономерность справедлива для всех зерновых культур. Следовательно, при понижении (напри­мер, в результате суточных коле­баний) температуры окружающей среды и соответствующем повы­шении относительной влажности воздуха зерно и продукты его пе­реработки могут увлажняться.

Количество поглощаемой мате­риалом влаги при стремлении к достижению состояния равновес­ной влажности зависит от его хи­мического состава. Например, се­мена масличных культур (сои и подсолнечника) имеют меньшую гигроскопичность, чем семена зла­ковых. При этом, чем выше масличность (например, подсолнечника), тем меньше гиг­роскопичность. Исследованиями установлено, что даже зерна твердой и мягкой (в том числе стек­ловидные и мучнистые зерна) пшеницы обладают разницей в гигроскопических свойствах, что объясняется различным строени­ем их крахмальных клеток.

Мука в результате увеличе­ния суммарной поверхности час­тиц, образующихся при размоле зерна, характеризуется значи­тельной величиной активной по­верхности на единицу массы. Именно по этой причине она способна значительно быстрее поглощать пары воды из воздуха и быстрее, чем зерновая масса, достигать значения равновесной влажности. Равновесная влажность муки в силу значительно меньшей степени капиллярной конденсации всегда меньше рав­новесной влажности зерна. Бо­лее того, в хранящейся в мешках муке в силу слабой ее газопрони­цаемости быстрое изменение влажности наблюдается лишь в омываемых воздухом слоях, т. е. прилегающих к мешковине (мак­симум до 10 см). Внутри мешка влажность практически не изме­няется.

Мука значительно быстрее отдает влагу сухому воздуху (напри­мер, в летних условиях), чем восстанавливает свою исходную влажность в среде с влажным воздухом (например, в осенне-зимний период). По мере увеличения продолжительности хранения в результате сорбционного гистерезиса равновесная влажность муки снижается; снижение может достигнуть 1...1,5 %.

Крупе, как зерну и муке, также свойственно явление сорбцион­ного гистерезиса. Крупа, выработанная из зерен с плодовыми и цветковыми оболочками пористой структуры (например, из зерна риса, ячменя и пшеницы), обладает меньшей гигроскопичностью, чем нешелушеные зерна соответствующей культуры. И наоборот, пшено имеет большую равновесную влажность, чем зерно проса, из которого оно выработано.

Комбикорм по сравнению с зерном большинства зерновых культур несколько быстрее достигает равновесной влажности и обладает большей гигроскопичностью. Скорость достижения рав­новесной влажности в значительной мере зависит от вида комбикормов, химического состава их компонентов, относительной влажности и температуры воздуха. Комбикорма, содержащие рыб­ную, мясокостную муку и другие виды сырья животного проис­хождения, могут увлажняться при хранении, особенно в районах с влажным климатом. Увеличение влажности влечет за собой акти­визацию физиологических процессов и ухудшение качества ком­бикормов.

В силу сорбционных свойств зерно, крупа и мука способны сорбировать пары других веществ и газов и приобретать несвой­ственные им запахи.

Термовлагопроводность. Термовлагопроводность зерна — это яв­ление перемещения влаги от участков зерновой насыпи с более высокой температурой к участкам с пониженной температурой.

Подобное явление наблюдается, например, в слоях зерна, омываемых воздухом окружающей среды с температурой ниже средней температуры зернового слоя/ либо в слоях, примы­кающих к наружной стенке хранилища "(силоса, склада, бункера) или размещенных на холодном полу.

Вследствие нарушения однородности температурного поля в насыпи материала возникает градиент температуры до/дп, направ­ленный в сторону большего значения температуры. Градиент тем­пературы — векторная величина, численно равная приращению температуры на единицу длины нормали и направленная по нор­мали в сторону большей температуры. Под действием этого гради­ента, который является движущей силой явления термовлагопроводности, возникает поток влаги, направленный в сторону, противоположную градиенту температуры, и численно равный количе­ству влаги, переносимой в единицу времени через единицу изопотенциальной поверхности.

Возникающая неоднородность температурного поля, приводя­щая к перемещению влаги в сторону более низких температур, способствует нарушению однородности поля влагосодержания и возникновению градиента влагосодержания (ди/дп), являющегося движущей силой явления влагопроводности и имеющего направ­ление, противоположное градиенту температуры. Плотность по­тока влаги, возникающего вследствие явления влагопровод­ности, значительно меньше более мощного потока влаги. В результате суммарный поток влаги имеет направление в сторону более низких по температуре (и более увлажненных) слоев мате­риала.

Негативным последствием возникающего градиента температу­ры является перемещение влаги к более холодным слоям материа­ла не только вследствие термовлагопроводности, наблюдаемой даже при низкой влажности материала, но и в результате конвек­ции (в виде водяных паров, переносимых конвективными потока­ми от участков с меньшей плотностью воздуха к более холодным участкам, с большей плотностью воздуха).

При хранении зерновых масс подобное перемещение влаги может привести к концентрации в отдельных слоях насыпи значи­тельного количества влаги (в том числе в виде смачивающей конденсатной пленки) со всеми последующими негативными явле­ниями в результате активизации физиологических процессов. В не­которых случаях возможны явления набухания и даже прораста­ния отдельных зерен.

При хранении муки в мешках подобное явление может привес­ти к образованию корки, к возникновению очагов активизации физиологических процессов.