Календарь статей
«    Июль 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31 
Архив статей
Июль 2017 (1)
Июнь 2017 (8)
Май 2017 (9)
Апрель 2017 (6)
Март 2017 (2)
Февраль 2017 (9)


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.