Лекция 2. Зерновая масса как объект хранения

Аннотация. Приведены физические свойства зерновой массы. Рассмотрены компоненты зерновой массы. Раскрыто значение физических свойств зерновой массы, которые должны учитываться при послеуборочной обработке зерна, транспортировке и хранении.

Ключевые слова: биоценоз, сыпучесть, самосортирование, скважистость, сорбция, десорбция, равновесная влажность, теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, термовлагопроводность.

Рассматриваемые вопросы:

1. характеристика компонентов зерновой массы;

2. физические свойства зерновой массы;

Модульная единица 2.Физические свойства зерновой массы.

Цель изучения модульной единицы: раскрыть физические свойства зерновой массы, которые необходимо учитывать при послеуборочной обработке зерна, транспортировке и хранении.

Задачи: изучить состав зерновой массы, ее физические свойства (сыпучесть, скважистость, сорбционные свойства, теплофизические характеристики).

2.1. Характеристика компонентов зерновой массы.

Любая зерновая масса состоит из: зерен (семян) основной культуры, составляющих как по объему, так и по количеству основу всякой зерновой массы, примесей, микроорганизмов, воздуха межзерновых пространств.

Кроме указанных постоянных компонентов, в отдельных партиях зерна могут быть насекомые и клещи. Последних считают пятым дополнительным и крайне нежелательным компонентом зерновой массы.

Таким образом, любую зерновую массу при ее хра­нении и обработке следует рассматривать ,прежде всего, как комплекс живых организмов, т. е. биоценоз. Каждая группа живых организмов или отдельные представители при определенных условиях могут в той или иной степени проявлять жизнедеятельность и, следовательно, влиять на состояние и качество хранимой зерновой массы.

Присутствие в зерновой массе столь различных компонентов придает ей специфические свойства, которые необходимо учитывать при обработке и хранении. Свойства зерновой массы подразделяют на две группы: физи­ческие и физиологические. Многие из свойств каждой группы взаи­мосвязаны, и только с учетом таких связей можно наиболее ра­ционально организовать хранение.

2.2. Физические свойства зерновой массы

2.2.1. Сыпучесть зерновой массы. Сыпучесть – это способность зерновой массы довольно легко заполнять объем любой конфигурации, и при известных условиях истекать из него, а также перемещаться по какой-либо поверхности, расположенной под некоторым углом к горизонту. Сыпучесть зерновой массы характеризуют углом трения, углом естественного откоса, статическим и динамическим коэффициентом трения о поверхность какого-либо материала, а также коэффициентами внутреннего и внешнего трения. Под углом естественного откоса, или иначе под углом ската понимается угол между диаметром основания и образующей конуса, получающегося при свободном падении зерновой массы на горизонтальную плоскость (например, на пол склада). Под углом трения понимается наименьший угол, при котором зерновая масса начинает скользить по какой-либо поверхности.

Сыпучесть зерновой массы зависит от плотности, 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). Примеси, находящиеся в зерновой массе, как правило, понижают ее сыпучесть. При большом содержании легких примесей (соломы, мякины и им подобных), 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 ее самотеком.

Для характеристики сыпучести зерновых масс необходимо принимать во внимание следующие величины угла естественного откоса (в градусах):

очень сыпучий продукт – 25 – 30;

сыпучий продукт - 30 – 38;

достаточно сыпучий продукт – 38 – 45;

связанный или трудносыпучий продукт - 45 – 55;

очень связанный продукт - > 55.

С увеличением влажности сыпучесть зерновой массы также зна­чительно понижается, и угол естественного откоса увеличивается (табл.2.1.). Это явление характерно для всех зерновых масс, но для шаровидных семян бобовых оно менее выражено.

Сыпучесть в процессе хранения может ухудшаться из-за уплотнения зерновой массы. При самосогревании или слеживании она может быть утрачена полностью. Следовательно, значительное уменьшение сыпучести указывает на неблагоприятные условия хранения зерна. В связи с влиянием рассмотренных факторов сыпу­честь зерновых масс колеблется в значительных пределах (табл. 2.2.). углы естественного откоса и углы трения характеризуются минимальными, средними или максимальными величинами.

Практическое значение сыпучести. Сыпучесть всегда учи­тывают при работе с зерновыми массами. Правильно используя данное свойство и применяя необходимые устройства и механизмы, полностью избегают затрат ручного труда. Зерновые массы можно легко перемещать при помощи норий, транспортеров и пневмотранспортных установок, загружать в различные транспортные средства (автомобили, вагоны, суда) и хранилища (бункера, склады, траншеи, силосы элевато­ров). Наконец, они могут перемещаться самотеком. Это свойство используют при хранении, обработке зерновых масс и погрузочно-разгрузочных работах; на нем основана вся поточность процессов на элеваторах, мукомольных и крупяных заводах. 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 для хранения. Сыпучесть учитывают и при расчетах необходимой прочности зернохрани­лищ (давление зерновой массы на пол, стены и другие конструкции).

Наряду с отмеченным выше положительным значением сыпучести, необходимо учитывать и некоторое негативное ее влияние, которое выражается в самосортировании зерновой массы.

2.2.2. Самосортирование зерновой массы. Всякое перемещение зерновой массы сопровождается ее самосортированием, т.е. перераспределением входящих в нее компонентов по отдельным участкам насыпи. В результате самосортирования она как бы расслаивается. В одних местах скапливаются наиболее легкие ее частицы (полова, щуплые зерна), в других – тяжелые. Самосортирование является следствием неоднородности по массе и плотности входящих в нее твердых частиц. Загрузка зерновых масс в хранилища или выпуск из них самотеком, перемещение конвейерами, перевозка в вагонах, автомобилях обязательно сопровождается самосортированием. При встряхивании зерновой массы частицы, имеющие малую плотность (легкие примеси, щуплые зерна и др.) перемещаются на поверхность и в верхние слои насыпи. При свободном падении твердых частиц зерновой массы, например, во время загрузки силосов, самосортированию способствует сопротивление, оказываемое воздухом, перемещению каждой отдельной частицы. Наибольшее самосортирование зерновой массы наблюдается при загрузке в силосы элеватора и при выгрузке из них.

Крупные выполненные тяжелые зерна и примеси, обладаю­щие большой плотностью и массой, падая в силос, опускаются отвесно и быстро достигают дна, а затем образующей поверх­ности насыпи. Щуплые мелкие зерна и примеси, имеющие не­большую массу и плотность, опускаются значительно медлен­нее; они отбрасываются вихревыми движениями воздуха к сте­нам силосов.

Самосортирование хорошо иллюстрируют данные И. А. Красицкого, исследовавшего пробы, взятые из зерновой массы по образующей конуса. Пробы были взяты в пяти местах — от вер­шины конуса до его основания. Первая проба соответствует по­ложению зерновой массы в центре силоса, пятая — у его стены.

В результате самосортирования зерновой массы у стен сило­са накапливаются легкие органические примеси, пыль, семена сорных растений, щуплые и битые зерна. Это вполне согласует­ся с уменьшением натуры зерна. Для примера укажем, что на­тура овса, находящегося в центральной части силоса, 55,2.. .66 кг/гл, в периферийных слоях (у стен силоса) — 40,8.. .44,0 кг/гл.

Известно также, что влажность пристенных участков зерно­вой массы обычно выше средней влажности всей партии. Все это создает предпосылки для развития микроорганизмов и клещей.

Выпуск зерновой массы из силосов элеватора также сопро­вождается ее значительным самосортированием. В результате отдельные части партии, выпущенные из силоса в различное время, могут быть резко разнородными по качеству. На мель­комбинате имени А. Д. Цюрупы выпуск зерновой массы ржи из силоса 0 6,2 м и высотой 22 м показал, что довольно длитель­ный период (в течение 3,5 ч) выходящая зерновая масса была сравнительно однородной по качеству (по данным А. И. Стародубцевой). Некоторые отклонения показателей можно объяс­нить неравномерным осыпанием боковых слоев зерновой массы на ее центральный столб. После 3,5 ч от начала выпуска и до полного освобождения силоса наблюдалось резкое ухудшение качества, особенно заметное в последние 30 мин выпуска.

Характер самосортирования зерновой массы при выпуске из силоса элеватора зависит от формы силоса, отношения его вы­соты к поперечному сечению и местоположения выпускного от­верстия. В опытах с зерном сухой пшеницы, помещенным в раз­личные силосы элеватора, С. Г. Герасимов установил три харак­терных случая истечения: нормальное, асимметричное и симмет­ричное.

При нормальном истечении в первую оче­редь движется центральный вертикальный слой зерна, располо­женный над выпускным отверстием. Постепенно в этот слой втягиваются верхние боковые слои. Такое истечение происходит в силосах с симметрично расположенными загрузочными и вы­пускными отверстиями, диаметр которых относительно велик по сравнению с высотой. Поэтому основной центральный столб зерновой массы отличается от бо­ковых слоев лучшим качест­вом.

Асимметричное исте­чение наблюдает­ся в силосах с большим диа­метром, но при несимметрич­ном расположении отверстий выпуска и загрузки. И в этом случае зерновая масса выте­кает центральным столбом, в который одновременно вовле­кается значительная масса бо­ковых прилегающих слоев. Давление на центральный столб со сто­роны наибольшего скопления зерна, например, в правой части силоса приводит к тому, что эти боковые слои истекают раньше, чем зерновая масса, находящаяся в левой части силоса.

Симметричное истечение наблюдается в си­лосах малого диаметра. Оно характеризуется одновременным движением всей зерновой массы с несколько более быстрым движением центрального столба. Когда в силосе остается при­мерно половина зерна, характер истечения постепенно становит­ся нормальным.

Описанные схемы истечения сухого зерна были составлены в результате послойного размещения (через каждый метр вы­соты) при загрузке зерна в силос пронумерованных кусочков транспортерной ленты. Небольшой размер кусочков ленты (50Х50 мм) и примерно такая же, как у зерна, плотность да­вали основание предполагать, что они при выпуске из силоса будут перемещаться одновременно с тем слоем, в котором рас­положены. Исследования опровергли утверждение некоторых специалистов о том, что при выпуске зерна из силоса в движение всегда приходит только один центральный столб. На характер истече­ния влияет и влажность зерна. При выпуске зерновой массы с повышенной влажностью симметричного истечения не бывает.

Таким образом, в результате самосортирования в зерновой массе, засыпанной на хранение, нарушается однородность, и создаются условия, способствующие развитию различных фи­зиологических процессов, приводящих к частичной или полной порче зерна. В случае недостаточного наблюдения за зерновой массой возможно широкое распространение этих активных в фи­зиологическом отношении очагов, приводящих к общему самосо­греванию. Известны многочисленные попытки уменьшить явление са­мосортирования зерновых масс при загрузке их в силосы элева­тора и при выпуске (конусы, вращающиеся диски-тарелки и т. п.).

Самосортирование — явление отрицательное, так как в зерно­вой массе образуются участки, неоднородные по физиологической активности, скважистости и т. д. Скопление легких примесей и пыли создает больше предпосылок к возникновению самосогре­вания. В связи с самосортированием строго соблюдают правила взятия точечных проб для составления средней пробы для анализа качества зерна.

2.2.3. Скважистость. При характеристике зерновой массы отмеча­лось, что в ней существуют межзерновые пространства — скважины, заполненные воздухом, которые занимают значительную часть объема насыпи. Отношение объема скважин к общему (насыпному) объему зерновой массы называется скважистостью.

Для практики хранения зерновых масс имеет значение, как общая величина скважистости, так и ее структура. Чем боль­ший объем в зерновой массе занимают скважины, тем меньше плотность укладки. Следовательно, для размещения зерновых масс с большой скважистостью необходима и большая по объе­му вместимость зернохранилищ.

Размер и форма скважин (крупные или мелкие скважины)' влияют на воздухо- и газопроницаемость зерновой массы, ее сорбционные свойства, сопротивляемость воздуху при активном вентилировании и т. п.

Скважины занимают в зерновой массе значительный объем. Известно, что при плотности зерна пшеницы 1,2...1,4 г/см³ ее натура составляет 730...820 г/л. Разность между плотностью и натурой является следствием неплотности укладки зерен и на­личия между ними значительных межзерновых пространств.

Таким образом, скважистость – это отношение объема, заня­того промежутками между твердыми частицами зерновой мас­сы, к общему объему, занятому зерновой массой.

Величина скважистости зависит в основном от факторов, влияющих на натуру зерна. С увеличением влажности умень­шается сыпучесть, а следовательно, и плотность укладки. Крупные примеси обычно увеличивают скважистость, мелкие легкие 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. Скважистость зерновой массы разных культур составляет (%): для овса 50...70, риса 50...65, гречихи 50...60, ячменя 45...55, кукурузы 35...55, пшеницы, ржи и льна 35...45.

Скважистость возрастает с увеличением влажности зерновой массы. Зерно, увлажненное уже в хранилище, набухает, увели­чивается в объеме, и в связи с этим зерновая масса несколько уплотняется. В результате значительно снижается сыпучесть, создаются предпосылки к слеживанию.

С увеличением площади поперечного сечения силоса зерно­вая масса укладывается плотнее. По мере увеличения высоты насыпи плотность в нижних слоях увеличивается до определен­ного предела, после чего уже не изменяется. При продолжитель­ном хранении в связи с уплотнением (осадкой) зерновой массы •ее скважистость уменьшается.

Таким образом, зная объем, занимаемый зерновой массой, т. ее скважистость, легко установить объем находящегося в скважинах воздуха. При активном вентилировании это количе­ство воздуха принимают за один обмен.

В результате самосортирования скважистость в различных участках зерновой массы может быть неодинаковой. Это приво­дит к неравномерной обеспеченности воздухом отдельных участков зерновой массы и другим нежелательным явлениям.

Практическое значение скважистости. Значительная газопроницаемость зерновых масс позволяет использовать на­званное свойство для продувания их воздухом (при активном вентилировании и сушке) или вводить в них пары химических препаратов для обеззараживания (дезинсекции). От количества и состава воздуха в межзерновых пространствах зависит характер физиологических и микробиологических процессов, протекающих в зерновой массе. Запас воздуха, а следова­тельно, и кислорода создает в зерновой массе определенный период (иногда очень длительный) нормального газообмена для живых компонентов. Таким образом, скважистость имеет и техническое и физиологическое значение.

Наряду с положительным значением скважистости зерновой массы необходимо учитывать и некоторые отрицательные моменты:

не полностью используется емкость для хранения, иногда только на 50 %;

наличие скважин позволяет передвигаться насекомым в зерновой массе, в результате может быть скопление насекомых в одном месте, что может вызвать самосогревание;

наличие скважин ведет к большой сорбционной емкости.

2.2.4. Сорбционные свойства зерновой массы. Зерно и семена всех культур и зерно­вые массы в целом – хорошие сорбенты. Они способны погло­щать из окружающей среды пары различных веществ и газы. При известных условиях происходит обратный процесс – выде­ление (десорбция) указанных веществ в окружающую среду. В зерновой массе наблюдаются сорбционные явления: ад­сорбция, абсорбция, капиллярная конденсация и хемосорбция. Их суммарный результат называют сорбцией.

Их значительная способность к сорбции объясня­ется двумя причинами: капиллярно-пористой коллоидной струк­турой зерна или семени и скважистостью зерновой массы.

Исследование структуры семян различ­ных культур показало, что между клетками и тканями зерна имеются макро- и микрокапилляры и поры. Диаметр макропор 10^-3...10^-4 см, микропор 10^-7 см. Стенки макро- и микрокапил­ляров во внутренних слоях зерна являются активной поверх­ностью, участвующей в процессах сорбции молекул паров и газов. По макро- и микрокапиллярам перемещаются сжиженные пары.

По ранее известным данным считалось, что активная поверх­ность у зерна пшеницы и ржи превышает его истинную примерно в 20 раз. В настоящее время, используя современные физико-химические методы исследования и расчетов, некоторые авторы считают, что активная поверхность зерна пшеницы, составляю­щая площадь поверхности капилляров, примерно в 200 000 раз превышает его истинную поверхность. Так, по данным Г. А. Его­рова, активная поверхность зерна находится в пределах 200...250 м²/г.

Таким образом, активная поверхность зерна намного пре­вышает его истинную.

В качестве примера сорбции паров, имеющей значение в практике хранения, можно привести случаи приобретения зер­новой массой запахов эфирных масел (полыни, кориандра, ди­кого чеснока и др.). В случае засоренности посевов этими ра­стениями при уборке урожая и обмолоте в зерновую массу по­падают части растений, содержащие эфирные масла. Скорость сорбции паров эфирных масел полыни была подтверждена опы­тами, поставленными в лаборатории кафедры хранения зерна Московского технологического института пищевой промышлен­ности. При помещении зерна пшеницы в камеру, содержащую пары эфирных масел полыни, уже через 24 ч зерна приобрели явно ощутимый запах полыни, резко усиливавшийся в после­дующие сутки. Такие результаты были получены и при смеши­вании зерновой массы с вегетативными частями растения полыни.

Таким образом, при хранении и транспортировании надо учитывать способность зерна и зерновой массы активно сорби­ровать различные пары и газы. Хранилища и транспортные средства не должны иметь каких-либо посторонних запахов.

Все химические средства, используемые для дезинсекции зер­на и хранилищ, обязательно оценивают и по таким показателям, как степень их сорбции зерном и возможность быстрого и пол­ного удаления из зерна (десорбции).

Все сорбционные явления в зерновой массе можно разделить на две группы: сорбцию и десорбцию различных газов и паров и сорбцию и десорбцию паров воды.

Сорбция и десорбция газов и паров. Зерно способно поглощать пары и газы нефтепродуктов, фенола, эфирных масел семян сорных растений, фумиганты. Следствием сорбционных свойств являются посторонние сорбционные запахи, которые может приобрести зерновая масса при хранении, обработке и транспортировании. Поэтому хранилища и транспортные средства не должны иметь каких-либо посторонних запахов. Все химические вещества, используемые для дезинсекции зерна и хранилищ, обязательно оценивают и по таким показателям, как степень их сорбции зерном и возможность быстрого и полного удаления из зерна (десорбции).

Сорбция и десорбция паров воды. Наибольшее влияние на состояние зерновой массы при послеуборочной обработке и хранении оказывает способность ее к сорбции и десорбции паров воды. Способность зерновых масс поглощать пары воды из воздуха или выделять их в окружающую среду называют гигроскопичностью. Данный процесс зависит не только от капиллярно-пористой структуры зерна, но и в значительной степени от наличия в нем гидрофильных коллоидов.

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: 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;

увлажнение зерна вследствие поглощения (сорбции) влаги из окружающего воздуха; данный 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, при которой наступает состояние динамического равновесия между влажностью зерна и окружающей средой называется равновесной влажностью. Иначе говоря, под равновесной понимают влажность, установившуюся при данных параметрах воздуха – его влагонасыщенности, температуре и давлении.

При длительном хранении зерновых масс повышенной влажности в условиях низкой относительной влажности воздуха влажность зерна постепенно снижается. Наоборот, сухая зерно­вая масса при хранении в складе с воздухом, более насыщенным водяными парами, увлажняется, ее масса увеличивается.

В практике равновесная влажность зерна всех злаковых культур и гречихи колеблется в пределах от 7 до 32...36 %. В таблице 2.3 приведены данные о равновесной влажности зерна и семян различных культур, а на рисунке 2.2 – кривые, ха­рактеризующие равновесную влажность зерна различных культур.

Максимальная равновесная влажность зерна мятликовых и бобовых культур, которая устанавливается при пребывании его в воздушной среде, насыщенной водяными парами, т.е. при относительной влажности воздуха 100 % (дождь, туман) колеблется в пределах 30...36 %. Это предел, до которого зерно может сорбировать пары воды из воздуха. Дальнейшее увлажнение может произойти только при впитывании капельно-жидкой влаги. Влажность зерна злаковых культур 7...8% устанавливается при f = 15...20 %. Это низший предел влажности зерна в производственных условиях.

При одной и той же относительной влажности величина равновесной влажности может быть разной у разных культур в силу различного химического состава. Она выше у семян бобовых культур, меньше – у мятликовых и еще меньше – у масличных. Мелкие, щуплые, битые зерна имеют большую активную поверхность и более высокую влажность. Они интенсивнее дышат и служат хорошей средой для развития микроорганизмов и насекомых, поэтому должны быть удалены из зерновой массы в процессе ее послеуборочной обработки.

Равновесная влаж­ность зерна и семян зависит также от температуры воздуха: с по­нижением последней величина равновесной влажности возраста­ет.

Кроме химического состава зерна, его структуры и параметров окружающего воздуха, на величину равновесной влажности влияет яв­ление сорбционного гистерезиса, характеризующееся несовпадением изотерм сорбции и десорбции (рис. 2 .3.). Разница в равновесной влажности по изотермам зерна пшеницы достигает в среднем 1,2...1,3 %. В связи с явлением сорбционного гистерезиса в зерновой массе никогда не наблюдается полного выравнивания влажности единичных зерен, что может быть причиной нежелательных процессов при хранении.

На любом этапе работы с зерновой массой необходимо учитывать, что ее состояние может измениться в связи с меняющимися атмосферными условиями. Важно знать и предвидеть эти изменения, чтобы предотвратить ухудшение качества зерна при его увлажнении. Явление сорбции и десорб­ции влаги и изменение равно­весной влажности зерна и се­мян наблюдаются уже в по­левых условиях. Так, влаж­ность отдельных зерен в коло­се в уборочный период сильно варьирует по часам суток, до­стигая максимума в ранние утренние часы и снижаясь до минимума к полудню и началу второй половины дня, если нет осадков.

В зерновой массе в связи с различной исходной влажностью входящих в нее компонентов постоянно протекает процесс влагообмена между ними. Это особенно заметно в свежеубранной зерновой массе, где зерна основной культуры и семена сорных растений резко различны по влажности. Имеются многочисленные дан­ные, показывающие быстрое перераспределение влаги между основным зерном и сорняками .

Данные, приведенные в таблице, показывают, насколько важно удалять из зерновой массы семена сорных растений сразу же после уборки урожая или в самый начальный период хранения.

Причинами неравномерного распределения влаги в зерновой массе являются: неравномерное распределение влаги в каждом отдельном зерне (это связано с анатомическими особенностями и различным распределением веществ по составным частям зер­на); различная сорбционная емкость зерен разной выполненно­сти и крупности; относительная влажность воздуха, окружающе­го зерновую массу; выделение воды и тепла живыми компонен­тами зерновой массы; состояние зернохранилищ; изменение тем­пературы в различных участках насыпи и связанное с этим явление термовлагопроводности.

Рассмотрим каждую из этих причин.

Неравномерность распределения влаги в зерне и семени. Известно, что наибольшей гигроскопичностью обладает заро­дыш, меньшей — оболочки и еще меньшей — эндосперм. Такое распределение влаги по частям зерна способствует развитию микроорганизмов, находящихся на поверхности зерен. Зародыш всегда имеет большую влажность даже в сухом зерне.

Поступающие во время загото­вок партии свежеубранного зерна содержат зерна и семена сорных ра­стений с различной влажностью. При этом в силу законов сорбционного равновесия сырые зерна теря­ют часть влаги, а более сухие ее приобретают. Такое перераспреде­ление влаги в зерновой массе на­чинается сразу же после ее образо­вания и заканчивается в основном в течение нескольких суток, причем полного выравнивания влаги не происходит в связи с явлением сорбционного гистерезиса.

Неравномерное распределение влаги наблюдается в почат­ках кукурузы. По наблюдениям М. Г. Голика, В. Ф. Мидовской и др., зерна из различных участков початка и стержень початка имеют в первый период хранения резко различную влажность.

Различная сорбционная емкость зерна разной выполненности и крупности. Мелкие и щуплые зерна обладают большей гигроскопичностью, чем выпол­ненные и крупные. Это объяс­няется наличием у них сравни­тельно большей активной по­верхности, а также относитель­но большим размером зароды­ша, чем у крупных и выпол­ненных. Большей гигроскопич­ностью обладают также битые зерна.

Таким образом, мелкие, щуплые и битые зерна являют­ся более влажной средой, на которой легче развиваются микроорганизмы, клещи и на­секомые. Кроме того, эти зер­на дышат более энергично.

Относительная влажность воздуха, поступающего в зерновую массу. При хранении не на все участки зерновой массы в одинаковой степени действует атмосферный воздух. Равновес­ная влажность легче и быстрее всего устанавливается в участ­ках зерновой массы, свободно соприкасающихся с воздухом: поверхность насыпи, участки, расположенные у выпускных отверстий силосов, и т. п. Длительные наблюдения за хранением партии сухого зерна в складах показали, что его влажность в целом достигает ве­личины равновесной влажности, наиболее характерной для дан­ного района. Отдельные слои, особенно наружные, претерпева­ют колебания, зависящие от относительной влажности воздуха и его температуры по периодам года.

Для иллюстрации изменения влажности в сухом зерне в зависимости от влажности воздуха приведем результаты наблю­дений над двумя партиями зерна пшеницы, хранившимися 3,5 го­да в одинаковых кирпичных складах. Влажность одной партии пшеницы 12,8%, другой – 10,5%. Через два года хра­нения влажность их выровнялась, и в дальнейшем ее изменения по сезонам года носили одинаковый характер.

Выявить такую же закономерность в массах влажного и сы­рого зерна нельзя. В этом случае обычно наблюдают лишь бы­строе подсыхание верхнего слоя насыпи; в нижних и средних слоях при положительных температурах воздуха развиваются физиологические процессы, сопровождающиеся дополнительным влагообразованием и даже порчей зерна.

Влияние относительной влажности воздуха и перепадов температуры проявляется в значительно большей степени во время перемещения зерновой массы или ее обработки в скла­дах (при активном вентилировании). При транспортировании зерна повышенной влажности в районы страны, где относительная влажность воздуха обычно низкая (например, из Сибири в Среднюю Азию), наблюдается десорбция влаги из зерна , если сухое зерно перевозят в северные районы или районы с влажным климатом, оно увлажняется. Жизнедеятельность семян, насекомых и клещей сопровождается выделением тепла и влаги. В результате увлажняется воздух межзерновых пространств и как следствие этого повышается влажность отдельных семян и зерновой массы в целом.

Если зерновая масса повышенной влажности хранится при положительной температуре, выделение влаги может быть зна­чительным. В этом случае воздух межзерновых пространств насыщается парами воды, происходит их конденсация и дальнейшее увлажнение всей зерновой массы или ее отдельных участков

Состояние зернохранилищ. Учитывая возможность изменений влажности зерновой массы при хранении, правилами эксплуа­тации элеваторов и складов предусмотрено обеспечение их до­статочной гидроизоляцией и по возможности теплоизоляцией. В сухих хранилищах зерновые массы значительно менее под­вержены отрицательным воздействиям атмосферы. Неравномерности распределения влаги в разных участках зерновой мас­сы способствует и ее самосортирование.

Рассмотренные выше причины неравномерного распределе­ния влаги в зерновой массе неодинаково влияют на ее состоя­ние при хранении. Из всех причин, приводящих к неравномер­ному распределению влаги, основной следует считать относи­тельную влажность воздуха и его температуру. Если с некоторыми явлениями неравномерного распределе­ния влаги приходится считаться как с неизбежными (распре­деление влаги внутри зерна), то многие из них при правильно организованном хранении могут быть устранены. Так, можно из­бежать случаев неравномерного распределения влаги, обуслов­ленных неудовлетворительным состоянием складов и элевато­ров, а также наличием в зерно­вой массе семян сорных расте­ний, щуплых и битых зерен.

Существенное значение при хранении зерновых масс имеет и явление перемещения влаги в связи с перепадом температур, рассматриваемое далее.

Одной из причин, осложняющих работу по сохранности зерновых масс, является постоянное изменение температуры, а, следовательно, и относительной влажности воздуха, как в течение суток, так и в различные периоды года. При повышении или снижении температуры воздуха на 1^оС его относительная влажность соответственно снижается или повышается на 4...5 %. Изменение относительной влажности воздуха способствует изменению и влажности зерновой массы. Однако следует учитывать, что при хранении не на все участки зерновой массы в одинаковой степени влияет атмосферный воздух. Равновесная влажность легче и быстрее всего устанавливается в верхних слоях насыпи, свободно соприкасающихся с воздухом. Поэтому влажность зерна, находящегося в различных слоях насыпи, неодинакова. Это обусловливает необходимость ведения систематического контроля за изменением влажности в различных слоях насыпи.

С учетом сорбционных свойств зерновой массы осуществляется сушка и активное вентилирование ее. Необходимо так изменять параметры окружающего воздуха, чтобы происходило явление десорбции влаги.

Вследствие сорбционных свойств, при транспортировании и хранении зерновой массы может меняться масса зерна, что необходимо учитывать при проведении количественно-качественного учета.

2.2.5. Теплофизические характеристики. Представление о них необ­ходимо для понятия явлений теплообмена, происходящих в зерновой массе, которые учитывают при хранении, сушке и ак­тивном вентилировании. Для зерновой массы, как объекта хранения, наибольшее значение имеют следующие теплофизические свойства: теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, термовлагопроводность.

Удельная теплоемкость – количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы его температура повысилась на 1⁰С. Удельная теплоемкость сухого вещества зерна приблизительно равна 1,55 кДж/кг/град., удельная теплоемкость воды составляет 4,19 кДж /кг/град. Поэтому теплоемкость учитывают при сушке зерна, так как расход тепла зависит от исходной влажности зерна.

Удельная теплопроводность – количество тепла в джоулях, которое перемещается за одну секунду через поверхность площадью 1м² при градиенте температур 1 град./м.

Зерновая масса характеризует­ся низкой теплопроводностью и поэтому обладает большой тепловой инерцией, что имеет и положительное, и отрицательное значение.

Температуропроводность – проявление свойства теплопроводности в материалах с разной удельной теплоемкостью. Этот показатель характеризует скорость изменения температуры. При хранении в производственных условиях распространение температурной волны в зерновой массе от верхних слоев к нижним, в силу низкой температуропроводности, происходит очень медленно. Поэтому температура в среднем слое насыпи практически остается неизменной длительное время. Таким образом, наблюдается медленное прогревание хранящегося зерна летом (низкие температуры удерживаются в средних и нижних слоях зерна), и весьма медленное охлаждение зерна с наступлением зимы (удерживается летнее тепло). Скорость изменения температуры в зерновой массе зависит от способа хранения зерна и вида зернохранилищ. При хранении в складе, где толщина слоя насыпи зерновой массы значительно меньше и зерновая масса более подвержена действию атмосферного воздуха, температура изменяется значительно быстрее, чем в силосах элеватора. Установлено также, что во внутренних силосах элеватора температура зерновой массы более постоянна, чем в наружных силосах. Положительное значение низких тепло- и температуропроводности состоит в том, что они позволяют при правильно организованном режиме сохранять в зерновых массах низкую температуру даже в теплое время года. Пониженная температура замедляет или приостанавливает все физиологические процессы, протекающие в зерновой массе (дыхание зерна, жизнедеятельность микроорганизмов, клещей, насекомых и т.п.). Таким образом, представляется возможным консервировать зерновую массу холодом.

Отрицательное значение низких тепло- и температуропроводности состоит в том, что они способствуют при благоприятных условиях для жизнедеятельности зерна, микробов, клещей и насекомых выделяемое ими тепло задерживать в зерновой массе и повышению ее температуры вплоть до самосогревания.

Термовлагопроводность – явление, заключающееся в перемещении паров влаги вслед за потоком тепла. Данное явление проявляется при разнице температур в разных участках насыпи зерновой массы. В результате этого явления происходит перемещение влаги вместе с потоком тепла в более холодные слои или участки зерновой массы. В результате термовлагопроводности отдельные слои насыпи увлажняются и в них происходит активизация физиологических процессов, что может привести к самосогреванию и даже прорастанию зерна. Термовлагопроводность наблюдается в зерновой массе любой влажности. Перемещение влаги в зерновой массе при наличии разности температур часто наблюдается в производственных условиях. Оно обычно является следствием не только термовлагопроводности, но и конвекции. Влага в виде пара мигрирует вместе с конвективными потоками воздуха. Подобное явление наблюдается при неравномерном обогреве стен силосов, размещении теплой зерновой массы на бетонные, асфальтовые или кирпичные полы складов, значительной разнице температуры воздуха и зерна, солнечной сушке зерна и т.п.

Перемещение влаги по направлению потока тепла может сопровождаться образованием в отдельных участках зерновой массы значительного количества капельно-жидкой влаги, т.е. конденсата водяных паров. Это явление достигает иногда таких размеров, что становится возможным набухание зерен, а иногда даже их прорастание вследствие увлажнения до 50 – 70%.

Вопросы для повторения:

1. Назовите, по каким показателям оценивают сыпучие свойства зерновой массы.

2. В каких пределах меняются углы естественного откоса для разных культур?

3. Укажите факторы, влияющие на величину угла трения.

4. Что называется самосортированием зерна?

5. Что называется скважистостью зерновой массы?

6. Назовите факторы, влияющие на скважистость.

7. Что называется теплопроводностью зерновой массы?

8. От каких факторов зависит теплопроводность зерновой массы?

9. Что такое сорбционная емкость зерновой массы?

10. Что такое десорбция?

11. Дайте определение равновесной влажности зерна.

12. Какие факторы влияют на равновесную влажность зерна?

13. Какое практическое значение имеет равновесная влажность при работе с зерновой массой?

14. Что такое термовлагопроводность?

15. При каких условиях хранения зерна проявляется термовлагопроводность?

Резюме по модульной единице 2. Зерновая масса обладает определенными физическими свойствами, которые необходимо учитывать при хранении. Сыпучесть зерновой массы характеризуют углом трения, углом естественного откоса, статическим и динамическим коэффициентом трения о поверхность какого-либо материала, а также коэффициентами внутреннего и внешнего трения. Сыпучесть всегда учи­тывают при работе с зерновыми массами. Правильно используя данное свойство и применяя необходимые устройства и механизмы, полностью избегают затрат ручного труда. Зерновые массы можно легко перемещать при помощи норий, транспортеров и пневмотранспортных установок, загружать в различные транспортные средства (автомобили, вагоны, суда) и хранилища (бункера, склады, траншеи, силосы элевато­ров). Наконец, они могут перемещаться самотеком. Это свойство используют при хранении, обработке зерновых масс и погрузочно-разгрузочных работах; на нем основана вся поточность процессов на элеваторах, мукомольных и крупяных заводах. При загрузке и выгрузке хранилищ также используют самотек. При активном вентилировании учитывается скважистость, сорбционные свойства , теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность. Положительное значение низких тепло- и температуропроводности состоит в том, что они позволяют при правильно организованном режиме сохранять в зерновых массах низкую температуру даже в теплое время года. Отрицательное значение низких тепло- и температуропроводности состоит в том, что они способствуют при благоприятных условиях для жизнедеятельности зерна, микробов, клещей и насекомых выделяемое ими тепло задерживать в зерновой массе и повышению ее температуры вплоть до самосогревания. Особое внимание обращается на такое теплофизическое свойство, как термовлагопроводность, которое проявляется при резких перепадах температур и может привести к порче хранящегося зерна.

Тестовые задания к лекции 2. Тесты № 18 – 57.