Фізичні властивості зернових мас

Зернова маса має певні фізичні властивості — сипкість, самосортування, шпаруватість, здатність до сорбції та десорбції різних па­рів і газів (сорбційна ємність), тепло-, температуро- і термоволого­провідність, теплоємність. Знання і врахування фізичних властиво­стей зернових мас набувають особливого значення у зв'язку з меха­нізацією й автоматизацією процесів обробки зерна в потоці, впрова­дженням нових способів сушіння, застосуванням пневматичного транспорту та зберіганням значних партій його у великих сховищах (силосах сучасних елеваторів, металевих бункерах, на складах).

Сипкість — це здатність зерна і зернової маси переміщу­ватися по поверхні, розміщеній під певним кутом до гори­зонту. Правильно використовуючи цю властивість і застосовуючи відповідні пристрої та механізми, можна повністю уникнути затрат ручної праці при переміщенні зернових мас норіями, конвеєрами і пневмотранспортними установками, самопливом, завантажуванні в різні за розмірами і формою транспортні засоби (автомашини, ваго­ни, судна) та сховища (засіки, склади, траншеї, силоси елеваторів).

Сипкість зернової маси характеризується кутом тертя, або кутом природного схилу. Кут тертя — найменший кут між основою і схилом насипу, за якого зернова маса починає ковзати по поверхні. При ковзанні зерна по зерну його називають кутом природного схи­лу, або кутом скочування (табл. 1).

Найбільшу сипкість і найменший кут схилу мають маси насіння кулястої форми (гороху, проса, люпину). Чим більше форма зерен відрізняється від кулястої і чим шорсткуватіша їх поверхня, тим менша сипкість зернової маси. Зерна продовгуваті, тонкі, з квітко­вими плівками (рису-сирцю, окремих сортів вівса, ячменю та ін.) також менш сипкі.

Таблиця №1

Кути природного схилу для зерна різних

Культура	Кут схилу, градусів	Культура	Кут схилу, градусів
Пшениця	23-28	Горох	24-31
Жито	23-28	Соя	25 - 32
Ячмінь	28 - 45	Вика	28 - 33
Кукурудза	30 - 40	Кормові боби	29-35
Соняшник	31-45	Сочевиця	25-32
Рис	27-48	Льон	27-34
Овес	31-54	Рицина	34 - 46
Просо	20-27

На сипкість зернової маси впливає багато факторів:

- грануломет­рична будова та гранулометрична характеристика (форма, розміри, характер і стан поверхні зерен),

- вологість,

- кількість домішок та їх видовий склад,

- матеріал, форма і стан поверхні, по якій самопливом перемішується зернова маса.

Наявність домішок, особливо легких і дрібних з шорсткуватою поверхнею, також знижує сипкість зернової маси. Аналогічно впли­ває на сипкість підвищення вологості зернової маси, за винятком тієї, що складається з кулястих зерен з гладкою поверхнею. Сип­кість зернової маси знижується при зберіганні внаслідок ущільнен­ня, що є побічним показником стану зерна.

Самосортування — це властивість зернової маси втра­чати свою однорідність під час переміщення і вільного па­діння. Вона зумовлюється сипкістю зернової маси і неоднорідністю твердих часточок, що входять до її складу. Як позитивне явище, са­мосортування використовується в практиці очистки та сортуванні зернових мас. Відбувається при її переміщенні й струшуванні, зава­нтажуванні та розвантажуванні сховищ і силосів елеваторів. На­приклад, під час перевезення зерна в автомашинах або вагонах, пе­ресуванні по стрічкових конвеєрах внаслідок поштовхів і струшу­вань компоненти зернової маси з малою масовою часткою (легкі до­мішки, насіння в квіткових плівках, щуплі зерна тощо) розміщу­ються ближче до поверхні насипу, а з більшою та абсолютною ма­сою — ближче до його нижньої частини.

Самосортування зернової маси під час його зберігання — явище негативне. Порушення однорідності партії зерна у сховищі заважає правильному його оцінюванню як у силосі, так і під час розванта­жування з нього, спричинює розвиток негативних фізіологічних і мікробіологічних процесів у місцях насипу, де зосереджені компо­ненти з підвищеною життєдіяльністю. Все це призводить до самозі­грівання зернових мас.

Шпаруватість зернової маси — це наявність прожіжків між її твердими часточками, заповнених повітрям. Харак­тер фізіологічних і мікробіологічних процесів у зерновій масі зале­жить від кількості та складу повітря в міжзернових просторах (табл.2).

Таблиця 2.

Маса і шпаруватість зерна різних культур

Культура	Маса 1 м^3. кг	Шпарува­тість, %	Культура	Маса 1 м^3. кг	Шпарува­тість, %
Пшениця	730 - 840	35-45	Горох, люпин	750-800	40-45
Жито	680-750	35-45	Рис (нереше-тований)	440 - 550	50-65
Ячмінь	580 - 700	45-55	Соняшник олійний	400 - 550	50-65
Овес	400-550	50-70	Льон	580 - 680	35 - 45
Гречка	560 - 650	50-60	Конюшина червона	780 - 850	30-50
Просо	680-730	30-50
Кукурудза	680 - 820	35 - 55

Шпаруватість зернових мас сприяє передачі теплоти конвекцією, переміщенню вологи через зернову масу у вигляді пари. Через між-зернові проміжки здійснюються сушіння, активне вентилювання і газація зерна.

Внаслідок самосортування шпаруватість у різних місцях зернової маси може бути неоднаковою. Шпаруватість та щільність укладан­ня зерна у сховищі залежать від форми, пружності, розмірів і стану поверхні твердих компонентів, форми і розмірів сховища, а також строку зберігання.

Зернова маса має меншу шпаруватість, укладається щільніше, якщо у ній є крупні і дрібні зерна. Вирівняні зерна, а також шорст­куваті або із зморщеною поверхнею укладаються менш щільно. Во­логе й сире зерно займає більший простір у сховищі, ніж сухе за ін­ших рівних умов. На складах більшого поперечного перетину зерно розміщується щільніше.

При тривалому зберіганні зернова маса ущільнюється, а її шпа­руватість зменшується. Показники шпаруватості та щільності укладання зернової маси можуть змінюватися у досить значних межах. Шпаруватість зерна 5 визначають за формулою:

де δ — об'ємна маса зерна, т/м³;

γ — густина зерна, т/м³.

Сорбційні властивості зернової маси — це її здатність поглинати (сорбувати) з навколишнього середовища пару, запахи різних речовин і гази, а також виділяти (десорбувати) їх. У зернових масах спостерігаються такі сорбційні явища, як абсорбція, адсорбція, капілярна конденсація і хемосорбція. Су­марний результат адсорбції, абсорбції, капілярної конденсації, хе­мосорбції називають сорбцією, а ступінь здатності зернової маси по­глинати пару і гази за різних умов — сорбційною ємністю. Остання визначається капілярно-пористою колоїдною структурою зерна і шпаруватістю зернової маси.

Окрема зернина як багатоклітинний організм є пористим тілом з великою поверхнею. Клітини і тканини зернин мають численні макро- і мікрокапіляри, перші — переважно в оболонках, а другі — в ендоспермі. Стінки макро- і мікрокапілярів беруть участь у процесах сорбції молекул парів і газів. По системі капілярів переміщується зріджена пара. Активна поверхня зерна становить 20…25 см²/г, що у 20 разів перевищує його справжню по­верхню. Тому сорбційні явища відбуваються не лише на поверхні зерна, а й усередині кожного капіляра.

Сорбційні властивості зернової маси мають велике значення при її обробці і зберіганні. Вологість і запах зерна, яке зберігається або обробляється, найчастіше змінюються внаслідок сорбції чи десорбції газів або пари води. Раціональні режими сушіння, активного вен­тилювання, газації та дегазації зерна при знезаражуванні встанов­люють з обов'язковим урахуванням його сорбційних властивостей.

Гігроскопічність зернової маси означає її здатність по­глинати пару води з повітря або виділяти її в навколишнє середовище. Білкові молекули зерна здатні вбирати до 240, а крох­маль — до З0…38 % води відносно своєї маси. Гігроскопічність зер­на залежить як від його властивостей, так і від властивостей повітря.

У результаті взаємодії зернової маси з навколишнім середови­щем вологість зерна безперервно змінюється до досягнення рівно­важної вологості. Волога із зерна переходитиме в повітря під час випаровування, десорбції, сушіння, якщо парціальний тиск водяної пари навколо поверхні зерна (Р_П.З.) перевищує парціальний тиск водяної пари по­вітря (Р_{П.П .}). тобто Р_П.З. > Р_П.П.. Волога з повітря сорбуватиметься зер­ном, якщо Р_П.З. < Р_П.П. .. Чим більша різниця між парціальним тиском пари води у повітрі і навколо поверхні зерна (або навпаки), тим швидше протікає процес перерозподілу вологи. Через певний час у результаті перерозподілу вологи парціальний тиск пари в повітрі та над зерном зрівняється і настане динамічна рівновага (Р_П.З. = Р_П.П.). Вологість зерна, яка відповідає стану рівноваги, називають рівно­важною вологістю. Остання залежить від його сорбційних власти­востей (структури, хімічного складу) та від вологості й температури повітря (табл. 3).

Культура	Відносна вологість повітря, %
Температура повітря. °С
			З0				З0
Пшениця	15,8	15,5	15,1	14,8	16,7	16,3	16,0	15,7
Жито, ячмінь	17,0	16,7	16.3	15,4	18,3	17,9	17,4	16,5
Овес	16,6	16.1	15.6	15,0	17,9	17,3	16,8	16,2
Рис	15,5	15,0	14,5	13,9	16,6	15,9	15,2	14,7
Кукурудза	16,6	16,3	15,9	14,9	17,6	17,3	16,9	15,9
Просо	16,1	15,6	15.1	14,4	17,1	16,6	15,9	15,3
Горох	16,8	16,5	16.1	15,8	17,7	17,3	17,0	16,7
Соя	14,0	13,6	13.1	12,5	16,2	15,7	15,3	14,5
Соняшник	8,9	8,5	8,2	7,6	9,5	9,3	9,1	8,5

Визначають відносну і абсолютну вологість зерна (у відсотках).

Відносна вологість зерна W_В — це відношення маси вологи, яка міститься в зерні (т_В), до маси води і сухої речовини т_В + т_С. Для її розрахунку користуються формулою

Абсолютна вологість зерна W_A — це відношення маси m_B во­логи до маси сухого матеріалу (m_C):

Теплофізичні властивості зернової маси мають визначаль­ний вплив на ефективність процесів сушіння та активного венти­лювання зерна, а також на його зберігання. Основними параметра­ми теплових властивостей зернової маси є теплоємність, тепло-, те­мпературо- та термовологопровідність. Теплообмінні процеси у зер­новій масі відбуваються шляхом прямої передачі теплоти (кондук-ція, або контактний теплообмін) чи за допомогою повітря, що руха­ється по міжзернових щілинах (конвекція).

Теплоємність зерна характеризується кількістю теплоти, не­обхідної для підвищення температури зерна масою 1 кг на 1 °С. Для вологого зерна її визначають як суму теплоємностей абсолютно су­хого зерна і води:

де — кількість сухої речовини в зерні;

С_C — теплоємність сухої речовини зерна (С_C = 1550 Дж/(кг-К);

С_B — теплоємність води (С_B = 4190Дж/(кг·К)).

Оскільки теплоємність води майже втричі вища за теплоємність сухої речовини зерна, з підвищенням вологості теплоємність зерна підвищується, що вимагає значного збільшення затрат енергії на нагрівання. Цю властивість враховують при тепловому сушінні зер­на, оскільки витрати палива з розрахунку на 1 кг випаровуваної вологи залежать від початкової вологості зерна,

Теплопровідність зернової маси полягає у її здатності пере­носити теплоту від ділянок з високою до ділянок з нижчою темпера­турою.

Зернова маса через наявність у ній повітряних проміжків має низьку теплопровідність, яка коливається у межах 0,2…0,3 Вт/(м·К). Із збільшенням вологості зернової маси її теплопровід­ність зростає — коефіцієнт теплопровідності води — 0,5Вт/(м -К).

Температуропровідність — швидкість зміни температури в зерні та його теплова інерція. Коефіцієнт температуропровідності зернової маси коливається в межах 1,7·10^-7…1,9 ·10 ^-7 м²/с і зале­жить від коефіцієнта теплопровідності (λ), питомої теплоємності (С) та щільності (γ) зерна:

Чим більший показник питомої теплоємності і менша щільність зерна, тим повільніше охолоджуватиметься або нагріватиметься зернова маса.

Висока теплова інерційність, повільне природне охолодження і прогрівання зернової маси можуть відігравати як позитивну, так і негативну роль. Позитивна роль полягає в тому, що при охоло­дженні зернової маси активним вентилюванням низька температу­ра у ній зберігається тривалий час, що дає змогу консервувати зер­нову масу холодом. Негативна дія низької теплопровідності виявля­ється в тому, що теплота, яка утворюється в процесі життєдіяльності зернової маси, може затримуватися в ній і сприяти швидкому під­вищенню температури (через низьку температуропровідність тем­пературна хвиля від осередку тепловиділення поширюється повіль­но). Так виникає самозігрівання зерна, шкідливе своїми наслідками.

Термовологопровідність — здатність зернової маси спрямова­но переміщувати вологу із зони з підвищеною температурою разом із струменем теплоти в менш нагріті ділянки. Інтенсивність термо­вологопровідності характеризується термовологопровідним коефіцієнтом d (%/К), що показує, який градієнт вологості відповідає тем­пературному градієнту, рівному одиниці.

Явище переміщення вологи з одних ділянок насипу зерна на ін­ші треба враховувати під час його зберігання, особливо в осінньо-зимовий і весняно-літній періоди, які характеризуються перепада­ми температур між верхніми та внутрішніми шарами насипу. Подіб­ні перепади температур між різними ділянками насипу виникають при нерівномірному обігріванні сонцем стін сховищ, розміщенні те­плої зернової маси на холодних асфальтових підлогах, контакті її з холодними стінами сховищ. Внаслідок термовологопровідності окремі шари насипу сильно зволожуються, а життєдіяльність їх компонентів активізується. В них нагромаджуються теплота і воло­га, створюються умови для самозігрівання та погіршення якості зе­рна (проростання, зниження насіннєвих і продовольчих властивос­тей та ін.). Тому для запобігання небажаним процесам у зерновій масі слід ретельно контролювати температуру і вологість зерна.

Дата добавления: 2014-01-07