Теплофизические свойства зерновой массы и их технологическое значение при хранении и обработке зерна
Обновлено: 15.09.2024
Партии зерна, хранящиеся в насыпях называют зерновыми массами. Любая з.м. состоит из: 1) зерна (сем.) основной к-ры, а т.ж. др. культурных р-ний, которые по характеру использования и ценности сходны с зерном основной к-ры. 2) примеси мин. или орг. происхождения, в т.ч. семена дикорастущ. и культурных р-ний не отнесенных к основному зерну. 3) микроорганизмы – постоянный и существенный компонент з.м. Присутствуют всегда, но мы их не видим. Микрофлора з.м. состоит из сапрофитных (включая эпифитные), фитопатогенных и патогенных мк.орг. 4) воздух межзерновых пространств.
Кроме этих постоянных компонентов в отдельных партиях зерна появляется еще одно живое начало – насекомые и клещи. Их рассматривают как 5 нежелательный компонент з.м. При сильном размножении они приводят к потерям хранящ-ся зерновых продуктов.
Знание теплофизич. св-в необходимо для понятия явлений теплообмнена, кот. Учитывается при хранении и акт. вентилировании.
Теплоемкость – хар-ся кол-вом тепла, требуемого для нагрева зерна. Возрастает с увеличением влажности зерна. Теплоемкость учитывают при тепловой сушке, т.к. расход тепла зависит от исходной влажности зерна
+ в том, что существует возможность сохранять в з.м. понижен температура в теплый п-д года, замедл-ся физиол. Пр-сы.
- выделяемое тепло может приводить к самосогреванию.
Термовлагопроводность - перемещение влаги в насыпи под воздействием перепада температур в ее участках. Влага при хранении перемещается от более нагретых участков к менее нагретым. Явление может наблюдаться в з.м. любой влажности.
Сыпучесть и самосортирование относят к физическим свойствам зерна. Зерновая масса состоит из множества отдельных твердых частиц, различных по размеру и плотности, поэтому обладает большой подвижностью - сыпучестью. Наибольшей сыпучестью обладают округлые зерна с гладкой поверхностью (просо, горох), у зерна продолговатого с шероховатой поверхностью сыпучесть снижается.
Скважистость- заполненные воздухом промежутки между зернами в насыпи. Обычно скважистость выражают в процентах к общему объему данной насыпи. Плотность укладки зерновой массы в объеме хранилища и, следовательно, ее скважистость зависят от формы, размеров и состояния поверхности зерен, от количества и характера примесей, от массы и влажности зерновой насыпи, формы и размеров хранилища. Однородное по крупности зерно, а также зерно с шероховатой поверхностью имеют скважистость большую, чем зерна разной крупности и округлой формы. Так, скважистость составляет (в %): ржи и пшеницы - 35 - 45, гречихи и риса (зерна) - 50 - 65, овса - 50 - 70.
Запас воздуха в межзерновых пространствах имеет большое значение для сохранения жизнеспособности семян. Большая газопроницаемость зерновых масс позволяет проводить активное вентилирование, регулировать состав газовой среды в межзерновых пространствах, вводить пары ядохимикатов для борьбы с амбарными вредителями. Однако наличие межзерновых пространств и кислорода в них благоприятствует развитию амбарных вредителей.
Теплопроводность и температуропроводность относятся к теплофизическим характеристикам зерновой массы.
Теплопроводность — это передача тепла от одного зерна к другому при непосредственном их контакте, а также передача тепла путем конвекции частицами воздуха. Для зерна и воздуха характерна очень низкая теплопроводность. Поэтому и зерновая масса в целом обладает низкой величиной теплопроводности. Ее значение несколько возрастает с увеличением влажности зерна.
Температуропроводность — это скорость изменения температуры в зерновой массе. Данный показатель для зерна также довольно низкий.
Низкие теплопроводность и температуропроводность зерновой массы могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Так, охлаждение партий зерна способствует их более длительному хранению. С другой стороны, то тепло, которое выделяется в процессе жизнедеятельности самого зерна, а также микроорганизмов, клещей, насекомых и др., не уходит из зерновой массы в окружающую среду, а остается и накапливается, что приводит к повышению температуры зерновой массы и ее самосогреванию.
В зерновой массе существует также явление термовлагопроводности, т. е. перемещения влаги в более холодные участки зерновой массы вместе с потоком тепла. При этом перемещаются и растворенные в ней вещества.
Явление термовлагопроводности существенно влияет на состояние зерновой массы и на ее хранение. Так, влага, перемещаясь в отдельные участки зерновой массы, приводит к переувлажнению зерна, его набуханию, а иногда и к прорастанию зерна.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
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 °C (или на 1 К).
Приближенно удельную теплоемкость зерна с [кДж/(кг*К)] принято рассчитывать по формуле смешения
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) представлено на рис. 2.1.
В диапазоне положительных температур это влияние можно охарактеризовать линейной зависимостью, представленной на рис. 2.2 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. Tеплопроводность 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 λ [Вт/(м*К)), который показывает, какое количество теплоты передается в единицу времени через единицу поверхности при снижении температуры на 1 °C (или на 1 К) на единицу длины.
Существенное влияние на теплопроводность зерна оказывают его влажность и температура (рис. 2.3), 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, представленной на рис. 2.4, 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 °C 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 α (м2/с), характеризующий скорость распространения температурных изменений в процессе нагревания или охлаждения различных материалов. Определяется из отношения
Чем больше произведение (срн), 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) показаны на рис. 2.5 и 2.6.
Для сравнения: коэффициенты температуропроводности воздуха и воды при 20 °C составляют соответственно 2*10в-5 и 1,4*10в-7 м2/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. Хранение 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.
Тепловые свойства зерна определяются его теплофизическими характеристиками: удельной теплоемкостью c , теплопроводностью ? и температуропроводностью α. Знание их необходимо для выполнения расчетов процессов нагрева, сушки и охлаждения зерна. теплофизические характеристики зерна оказывают влияние на протекание тепловых процессов. Они определяют развитие процессов переноса и накопления тепла в различных участках зернового слоя. От численного соотношения этих двух процессов зависят скорость изменения температуры и теплового потока на каждом участке зернового слоя, скорость распространения температурной волны, глубина проникания тепловой зоны, затраты теплоты на нагрев зерна и т.д.
Процесс переноса тепла определяется теплопроводностью λ, накопление тепла — объемной теплопроводностью (сρ). Совокупное влияние их на общий процесс учитывается температуропроводностью α=λ/сρ, которая характеризует способность зерна пропускать температурную волну.
Теплофизические характеристики единичного зерна зависят от его влажности и температуры, а характеристики зернового слоя , кроме того, орт формы и размера зерен, плотности их укладки.
Удельная теплоемкость единичных зерновок и зернового слоя практически одинакова, поскольку масса воздуха в межзерновом пространстве слоя пренебрежительно мала в сравнении с массой зерна. удельная теплоемкость зерна зависит от его влажности и температуры. С увеличением влажности удельная теплоемкость зерна возрастает.
Удельная теплоемкость сухого вещества зерна составляет 1,55 кДж/(кг·k) или (0,37 ккал/(кг×град); удельная теплоемкость воды —
4,19 кДж/(кгּk) или 1 ккал/(кгּград).
Теплопроводность. Теплопроводность единичного зерна и зерновой массы существенно различны. Если теплопроводность единичного зерна составляет около 0,3 Вт/(мּК), то теплопроводность зернового слоя в 2,5-3 раза ниже. Низкая теплопроводность зернового слоя соизмерима с теплопроводностью теплоизоляционных материалов. Вследствие плохой теплопроводности теплота в зерновой массе задерживается, в основном, в тонком слое, непосредственно контактирующем с горячими поверхностями сушилки. Зерно в этом слое может быстро перегреться, а качество его ухудшиться.
Теплопроводность зернового слоя с повышением влажности зерна вначале увеличивается, а затем снижается.
Читайте также: