Календарь статей
«    Ноябрь 2020    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
30 
Архив статей
Октябрь 2020 (2)
Сентябрь 2020 (1)
Август 2020 (2)
Июль 2020 (3)
Июнь 2020 (8)
Май 2020 (4)


Яндекс.Метрика

Массообменные свойства зерна

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 паров 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 φ=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. Последнее свидетельствует о достижении массы состояния равновесия, которому соответствует определенная равновесная влажность материала wравн (%).
Повторяя опыты при различных значениях относительной влажности воздуха φ (%), т. е. при различных концентрациях серной кислоты, можно получить зависимость вида wравн=f(φ).
График зависимости wравн=f(φ), полученной при постоянных значениях температуры материала и окружающего воздуха и построенной в координатах φ — wравн, называют изотермой. Изотерму, полученную в результате увлажнения материала, называют изотермой сорбции, а в результате испарения влаги — изотермой десорбции.
Приведенные на рис. 2.7 зависимости wравн=f(φ) для зерна необрушенного риса, пшеницы и пшеничной муки свидетельствуют о том, что изотермы сорбции и десорбции не совпадают, наблюдается явление сорбционного гистерезиса. Указанное явление говорит о том, что если материал после сушки снова увлажнять, то для получения той же равновесной влажности нужна более высокая относительная влажность воздуха, т. е. при одинаковой равновесной влажности материала φсорб>φдесорб.
Массообменные свойства зерна

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 φ).
На практике во избежание увлажнения хранящегося зерна и продуктов его переработки необходимо иметь данные об их сорбционной равновесной влажности. Последняя (рис. 2.8) в значительной мере определяется температурой окружающей среды: чем выше температура, тем меньше значение равновесной
Массообменные свойства зерна

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 (рис. 2.9). 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.
Массообменные свойства зерна

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 (рис. 2.10) 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.
Допустим, на начало хранения влагосодержание и температура в отдельных слоях материала, отмеченных на схеме (см. рис. 2.10) изопотенциальными линиями, имели одинаковые значения, т. е. соблюдались условия: u1= u2 = ... = u5 = const и θ1 = θ2 = ... = θ5 = const.
Массообменные свойства зерна

В результате понижения температуры окружающей среды произошло соответствующее понижение температуры наружных слоев материала, соответствующее условию θ3 > θ2 > θ1 и θ3 < θ4 ≥ θ5 при u1 = u2 =... = u5 = const.
Вследствие нарушения однородности температурного поля в насыпи материала возникает градиент температуры ∂θ/∂n, 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 (∂u/∂n), являющегося движущей силой явления влагопроводности и имеющего направление, противоположное градиенту температуры. Плотность потока влаги (qmU), возникающего вследствие явления влагопроводности, значительно меньше более мощного потока влаги (qmθ). 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.