Физические свойства зерновой массы

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.

Хорошая сыпучесть зерновых масс имеет огромное практическое значение. Правильно используя это свойство и применяя необходимые устройства и механизмы, можно полностью избежать затрат ручного физического труда. 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. Зерновая масса, поднятая норией на верхний этаж элеватора или мельницы, самотеком спускается вниз и по пути ее обрабатывают на различных машинах. При загрузке и выгрузке хранилищ также используют самотек.

Степень заполнения хранилища зерновой массой зависит от сыпучести: чем она больше, тем легче и лучше заполняется емкость. Сыпучесть учитывается и при статистических расчетах хранилища (давление зерновой массы на пол, стены и другие конструкции).

Сыпучесть зерновой массы характеризуют углом трения или углом естественного откоса. Угол трения — наименьший угол, при котором зерновая масса начинает скользить по какой-либо поверхности. При скольжении зерна по зерну его называю углом естественного откоса, или углом ската.

Кроме этих показателей, известны коэффициенты трения зерновой массы, перемещающейся по самотекам и находящейся в покое.

Сыпучесть зерновой массы зависит от формы, размера, характера и состояния поверхности зерна, его влажности, количества примесей и их видового состава, материала, формы и состояния поверхности, по которой самотеком перемещают зерновую массу.

Наибольшей сыпучестью обладают массы, состоящие из семян шарообразной формы (горох, просо, люпин). Чем больше отклоняется форма зерен от шарообразной и чем более шероховата их поверхность, тем меньше сыпучесть. Примером может служить относительно малая сыпучесть зерновых масс риса, некоторых сортов овса, ячменя и др.

Находящиеся в зерновой массе примеси, как правило, понижают ее сыпучесть. При большом содержании легких примесей (соломы, мякины и других примесей такого рода), а также при значительном содержании семян сорняков с цепкой и шероховатой поверхностью сыпучесть может быть почти потеряна. Такую зерновую массу без предварительной очистки не рекомендуется загружать в хранилища, запроектированные на выпуск зерновой массы самотеком.

С увеличением влажности зерновой массы ее сыпучесть также значительно понижается. Это явление характерно для всех зерновых масс.

В связи с влиянием рассмотренных факторов сыпучесть зерновых масс может колебаться в значительных пределах. Так, угол естественного откоса у овса может быть от 31 до 54°, у ячменя — 28—45°, 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. Крупные, тяжелые зерна и примеси с меньшей парусностью опускаются отвесно и быстро достигают основания хранилища или поверхности образовавшейся насыпи. Щуплые, мелкие зерна и примеси с большой парусностью опускаются медленнее; они отбрасываются вихревыми движениями воздуха к стенам хранилища или скатываются по поверхности конуса, образуемого зерновой массой.

Самосортирование — явление отрицательное, так как при этом в зерновой массе образуются участки, неоднородные по физиологической активности, скважистости и т. д. Скопление легких примесей и пыли создает больше предпосылок к возникновению процесса самосогревания. В связи с самосортированием необходимо строго соблюдать правила взятия первичных проб для составления средней пробы.

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.

Так, воздух, циркулирующий по скважинам, конвекцией способствует передаче тепла и перемещению паров воды. Значительная газопроницаемость зерновых масс позволяет использовать это свойство для продувания их воздухом (при активном вентилировании) или вводить в них пары различных химических веществ для обеззараживания (дезинсекции). Запас воздуха, а следовательно, и кислорода создает в зерновой массе на какой-то период (иногда очень длительный) нормальный газообмен для ее живых компонентов.

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.

В связи с самосортированием скважистость в различных участках зерновой массы может быть неодинаковой, что приводит к неравномерному распределению воздуха в отдельных ее участках. При большой высоте насыпи зерновых масс происходит их уплотнение и скважистость уменьшается. 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

где W — общий объем зерновой массы; v — истинный объем твердых частиц зерновой массы.

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 ячменя превышает его истинную примерно в 20 раз. Однако, используя современные физико-химические методы исследования и расчеты, некоторые авторы считают, что активная поверхность зерна ячменя, включающая площадь поверхности капилляров, во много раз превышает его истинную поверхность.

О связи сорбционных свойств зерна с его качеством сообщалось выше (запахи, влажность и т. д.). Не меньшее значение имеют они в практике хранения, обработки и транспортирования зерна. Так, рациональные режимы сушки или активного вентилирования зерновых масс могут быть осуществлены только с учетом их сорбционных свойств. Изменение влажности и массы хранимых или транспортируемых партий зерна также чаще всего происходит вследствие сорбции или десорбции паров воды. Последнее не только имеет технологическое значение, но и связано с материальной ответственностью людей (заведующих складами, кладовщиков и т. д.), хранящих большие массы зерна. В связи с этим в практике хранения зерновых масс и работы с ними очень важно иметь представление о процессах влагообмена.

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.

Как показали исследования, для достижения полного равновесия требуется стационарный режим в течение довольно длительного времени (9 суток, а иногда и намного больше). Конечно, такого положения в производственных условиях не бывает, поэтому наружные участки насыпи зерновой массы, соприкасающиеся с воздухом, непрерывно изменяют свою влажность, в зависимости от его параметров. Однако закономерности влагообмена сохраняются и представляют большой интерес для практики.

При длительном хранении зерновых масс с повышенной влажностью в условиях низкой относительной влажности воздуха происходит постепенное снижение их влажности. Наоборот, сухая зерновая масса при хранении в складе с воздухом, более насыщенным водяными парами, увлажняется, и ее масса увеличивается. Подобные изменения носят и сезонный характер, так как насыщенность воздуха влагой в разные месяцы различна. Это особенно заметно при хранении партий зерна и семян насыпью небольшой высоты (1—2 м) или в мягкой таре (тканевых мешках).

Равновесная влажность у семян масличных намного ниже, чем у злаковых и бобовых. Это объясняется меньшим содержанием в них гидрофильных коллоидов.

Максимальная равновесная влажность зерна, устанавливающаяся при его пребывании в воздушной среде, насыщенной водяными парами (относительная влажность φ = 100%), является тем пределом, до которого зерно может сорбировать пары воды из воздуха. Дальнейшее увлажнение может происходить только при впитывании капельно-жидкой влаги. Установить точно равновесную влажность зерна при φ = 100 % довольно трудно, так как при длительном выдерживании его в воздухе, насыщенном водяными парами, оно подвергается активному воздействию микроорганизмов и покрывается колониями плесеней. Равновесная влажность зерна и семян зависит также от температуры воздуха: с понижением ее величина равновесной влажности возрастает. При снижении температуры с 30 до 0°С равновесная влажность увеличивается на 1,4 %.

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 (см. ниже).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры в материале, его теплоинерционные свойства.

Скорость нагревания или охлаждения зерновой массы определяется величиной коэффициента температуропроводности:

где λ— коэффициент теплопроводности зерна, кДж/(ч. м °С); с — удельная теплоемкость, кДж/(кг °С); γ — объемная масса зерна, кг/м³.

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.

Положительное значение низкого коэффициента температуропроводности зерновых масс заключается в том, что при правильно организованном режиме (своевременном охлаждении) в зерновой массе сохраняется низкая температура даже в теплое время года. Таким образом, представляется возможным консервировать зерновую массу холодом.

Отрицательная роль низкой температуропроводности состоит в том, что при благоприятных условиях для активных физиологических процессов (жизнедеятельности зерна, микроорганизмов, клещей и насекомых) выделяемое тепло может задерживаться в зерновой массе и приводить к повышению ее температуры, т. е. самосогреванию.

Нужно иметь в виду, что скорость изменения температуры в зерновой массе будет зависеть от способа хранения зерна и вида зернохранилищ. При хранении в складах, где высота насыпи зерновой массы невелика, она более доступна действию атмосферного воздуха. Температура здесь изменяется значительно быстрее, чем в силосах элеватора. В них зерновая масса менее подвержена действию атмосферного воздуха.

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.

Практическое значение этого явления огромно. 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.

В результате влажность того или иного периферийного слоя зерновой массы повышается с образованием на поверхности зерен конденсационной влаги.

Предварительное размещение

Зерна ржи

При проведении массовой уборки сельскохозяйственных культур очень часто не удается сразу же провести очистку поступающей зерновой массы. Поэтому возникает необходимость её предварительного размещения. При этом необходимо учитывать, что находясь в бунте зерновая масса в течение всего срока предварительного размещения не должна в той или иной степени ухудшить свои качества. То есть её необходимо уберечь от порчи, самосогревания, распыла, травмирования и т.п. Поэтому необходимо провести расчет необходимой площади и объёма складского помещения для размещений зерна до его обработки (очитки, сушки и т.д.). Для расчета используют следующие данные:

Зерно размещается в типовом зерноскладе ёмкостью 3200 тонн. Его размеры ширина (В) – 20 м, длина (L) – 60 м.

Ширина бунта (В) равна ширине склада – её обычно принимают равной 20 м.

Сечение насыпи зерна в зерноскладе складывается из прямоугольной (F₁) и треугольной (F₂) составляющей. Общая площадь сечения (F) зерновой насыпи равна: F = F₁ + F₂ = B × H₁ + ½ B × H₂

где H₁ – высота прямоугольной составляющей, 3,5 м;

H₂ – высота треугольной составляющей, 1,5 м;

Таким образом F = (20×3,5) + ½(20×1,5) = 70 + 15 = 85 м²

Объем насыпи длиной 1 м равен:

V₁ = 1 × F

Тогда V₁ = 1 × 85 = 85 м³.

Зная объемную массу (натуру) зерна ржи, можно определить массу зерна в бунте длиной 1 м. Она равна:

m = V₁ × p

где: p объемная масса (натура) зерна, т/м³. Для ржи 0,70 т/м³.

Тогда m = 85 × 0,70 = 59,5 т.

Зная, что в насыпи длиной 1 м хранится 59,5 т зерна определяем длину насыпи для размещения всей зерновой массы (3100 тонн). Она равна:

L = M / m_1,

Тогда L= 3100 / 59,5 = 52,1 м.

Количество зерноскладов, необходимых для размещения зерна определяем по формуле: n = L / L₁

где L₁ – длина типового зерносклада, 60 м.

тогда n = 52,1 / 60 = 0,86 ≈ 1 склад.