книги из ГПНТБ / Егоров Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна
.pdfВо всех этих случаях обеспечивается быстрый нагрев зерна, что улучшает условия ведения технологического процесса гидротермической обработки или же сушки зерна и способствует снижению затрат на их осущест вление.
Конкретная зависимость температуропроводности неподвижного слоя зерна пшеницы в диапазоне 10— 20% влагосодержания может быть описана следующим уравнением:
а= (0,70+0,014 Wc) 10 - 7 м 2 /с . |
(57) |
В диапазоне влагосодержания 20—30% эта зависи мость отрицательна:
а = (1,80—0,042 Wc) Ю - 7 м2 /с. |
(58) |
Для неподвижного слоя зерна кукурузы при влагосодержании до 30% температуропроводность снижается по закону прямой
а = (4,03—0,40 W0) Ю - 7 м2 /с. |
(59) |
Данных для других культур почти нет. Однако, если есть данные о теплоемкости, плотности и теплопровод ности, температуропроводность можно определить рас четным путем по следующему соотношению:
* = 7?-. |
(60) |
Теплопроводность зерна с повышением влагосодер жания и температуры возрастает. Можно рекомендо вать следующие формулы. Для неподвижного слоя пше ницы при температуре 20° С и влагосодержании 5— 25%
Я,= 0,070+0,023 Wo вт/м-град. |
(61) |
Для остальных культур данные очень ограниченны. Рис-зерно в неподвижном слое, по данным Коратеева и Серых, имеет более высокую теплопроводность, чем слой пшеницы. Путем обработки их данных получаем уравнение при влагосодержании 15—27%:
Я = 0 , 1 0 6 + 0 , 0 П № С вт/м-град. |
(62) |
Размер влияния температуры на теплопроводность зерна не выявлен в количественном виде. Для отрубей имеются данные С. П. Колоскова [68].
Я,=0,098+0,93-10-1 / вт/м-град. |
(63) |
Хуже изучен процесс теплообмена зерна с теплофизической точки зрения. Расчет коэффициента теплооб мена при нагреве зерна конвективным путем в воздуш ной струе показывает, что в этом случае коэффициент равен 20—25 ккал/м-ч-град (23—29 кДж/м-с-град), а при подаче струи пара в слой зерна величина а повы шается в 5—6 раз. Благодаря этому единичное зерно полностью прогревается при обработке паром в течение нескольких секунд, в то время как в струе воздуха на этот процесс затрачивается почти в 10 раз больше вре мени [172, 219].
Экспериментально |
определили величину |
|
коэффи |
||||
циента теплопередачи |
|
в воздушно-водяном |
зерновом |
||||
кондиционере |
[53]; |
она |
оказалась |
равной |
33,4— |
||
35,3 ккал/м-ч-град. |
|
|
|
|
|
|
|
Критерий |
Био имеет |
следующие |
ориентировочные |
||||
значения: при конвективном нагреве 0,15—0,25; |
при не |
||||||
посредственном нагреве |
паром 1,0—1,5. |
|
|
|
|||
По физическому смыслу |
критерий |
Био |
определяет |
относительную интенсивность теплообмена тела с окру жающей средой. Его значения показывают, что при кон вективном нагреве процесс лимитируется только темпе ратурным напором, а при нагреве струей пара вместе с этой величиной равнозначным становится и перепад тем пературы внутри зерна, обусловленный его температу ропроводностью.
Приводимые выше значения теплофизических коэф
фициентов позволяют рассчитать значения |
критериер |
Ро и Кі для тех или иных конкретных условий |
процесса |
тепловой обработки зерна. |
|
Гидротермические свойства зерна
Гидротермические свойства зерна определяют кон кретные особенности развития процессов внешнего влагообмена и внутреннего влагопереноса в зерне в данных условиях. Для их оценки необходимо иметь сведения зависимости от параметров процесса значений перечи сленного выше комплекса термодинамических характе ристик и коэффициентов влагопереноса.
Развитие потенциальной теории влагопереноса при вело к установлению понятия потенциала влагопереноса [83, 84]. В соответствии с этой теорией в изотермиче ских условиях плотность потока влаги прямо пропор-
6 Г. А. Егоров |
81 |
циональна градиенту потенциала. Уравнение (49) пред ставляет собой закон влагопроводности и определяет молекулярно-молярный перенос жидкости и молекуляр ный перенос пара, происходящие под влиянием капил лярных и диффузионно-осмотических сил. В качестве потенциала влагопереноса выступает некоторая термо
динамическая |
величина, которая |
может |
быть определе |
|||||||
на экспериментально. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для практического определения |
термодинамических |
|||||||||
характеристик |
влагопереноса |
В. В. Красников |
предло |
|||||||
жил простой |
и надежный |
метод |
[79, 74]. |
Используя |
||||||
этот метод, находим, что в пределах |
10—25% |
влагосо |
||||||||
держания |
и температуры |
20—50° С |
экспериментальный |
|||||||
потенциал |
влагопереноса |
для |
зерна |
пшеницы |
может |
|||||
быть найден |
из следующего |
соотношения: |
|
|
||||||
|
|
Є = — 15,5+0,3^+2,8 ТГС. |
|
(64) |
||||||
Взаимосвязь экспериментального и химического по |
||||||||||
тенциалов |
влагопереноса |
описывается |
выражениями |
|||||||
|
6 = 133,0- (34,3+0,290 lg( — ц/); |
|
(65) |
|||||||
|
Ш = |
(3335-570 -ехр (-0,056). |
|
(66) |
||||||
Эти уравнения |
можно |
использовать |
в |
расчетах. |
||||||
Удельная |
изотермическая |
влагоемкость |
Ст |
служит |
количественной характеристикой связи влаги с мате риалом в гигроскопической области. Она является ин тегральным показателем, позволяющим определить влагоаккумулирующую способность тела. Из определения влагоемкости Ст следует, что ее величина должна уменьшаться с увеличением влагосодержания и темпе ратуры; данные В. В. Красникова [73] подтверждают это.
Наши данные для трех температур приведены на рисунке 30. При температуре 20° С величина Ст внача ле быстро уменьшается и проходит через минимум в области, соответствующей значению Wnan. В области второй критической точки изотермы сорбции воды, на
оборот, выявляется |
максимум; |
после |
этого |
по мере |
|
приближения |
к |
гигроскопической |
точке |
величина |
|
С,„->0. При температуре 50 и |
80° С |
графики |
располо |
жены ниже, чем при 20° С, что соответствует физической сущности величины Ст.
Зависимость влагоемкости от температуры приведе на также на рисунке 29; в качестве исходных данных
0.8
і\
•a-J V
V s
ЛГ" |
W |
|
WCi% |
UO |
80 tX |
|
Рис. 30. |
Зависимость |
удельной |
изотермической |
|||
влагоемкости |
зерна |
от влагосодержания |
и темпе |
|||
|
|
|
ратуры: |
|
|
|
|
/ — 20° С; |
2 — 50° С; 3 — 80" С. |
|
|||
взяты данные |
Фридриха |
[179]. |
Точки |
соответствуют |
||
средним значениям |
в области 5—20% влагосодержания. |
|||||
Как и следует |
из |
определения влагоемкости, значения |
ее с повышением температуры снижаются по плавной
кривой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температурный |
коэффициент |
влагопереноса, |
пред |
|||||||
ставляющий |
|
собой |
первую |
производную |
потенциала |
|||||
влагопереноса |
по температуре |
при постоянном |
влаго- |
|||||||
содержании |
|
/<Ю \ |
, определяет изменение |
величины |
||||||
|
— |
|||||||||
|
|
\дт /и |
|
|
|
|
|
|
||
9 под влиянием |
температуры. |
Литературные |
|
данные |
||||||
[74, 98] не выявляют четкой зависимости |
его от режим |
|||||||||
ных параметров |
процессов |
обработки зерна. |
Согласно |
|||||||
|
/дв |
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
расчету, |
— |
|
линейно |
возрастает |
с |
увеличением |
||||
влагосодержания |
зерна по |
уравнению |
|
|
|
|
||||
|
|
|
— ) |
= 0,050+0,093 Wc. |
|
|
|
(67) |
||
|
|
рТ/а |
|
|
|
|
|
|
|
ГІри влагосодержании выше 15% температурный коэффициент влагопереноса возрастает по экспоненте при увеличении температуры (рис. 31).
6* |
83 |
|
W |
20 |
W.,%20 |
iO |
БО |
|
|
|
|
|
|
l, |
'С |
Рис. 31. Зависимость температурного коэффи |
||||||
циента |
влагопереноса от влагосодержания и тем |
|||||
|
|
|
пературы: |
|
|
|
/ — при |
15% |
влагосодержания; 2 — п р и 20% влагосодер |
||||
|
|
|
жания; 3— по Никитиной. |
|
|
|
Таким образом, все три термодинамические характе |
||||||
ристики влагопереноса зависят и от |
влагосодержания, |
|||||
и от температуры |
зерна. |
|
|
|
||
Аналогичный - результат |
получен |
В. Е. Якимовичем |
||||
для зерна риса |
[154]. |
|
|
|
||
Рассмотрим, |
как влияют |
эти параметры |
на коэффи |
циенты влагопереноса. Основное значение имеет коэф фициент диффузии влаги, который по уравнению (50) при изотермических условиях и установившемся гради енте влагосодержания определяет интенсивность потока влаги в материале. Именно поэтому важно знать его величину и зависимость ее от режимных параметров процесса при сушке и гидротермической обработке зер на, поскольку степень изменения технологических свойств зерна находится в тесной зависимости от осо
бенностей |
процесса |
переноса |
влаги, его механизма |
[22, |
||||||
83, |
84]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Однако авторы пренебрегают зависимостью коэф |
||||||||||
фициента |
диффузии |
влаги |
от |
влагосодержания. |
Это |
|||||
обусловлено |
методическими |
особенностями |
использо |
|||||||
ванного |
ими |
метода |
отыскания |
величины а т , |
основан |
|||||
ного на |
решении уравнения |
диффузии |
Фика |
[159, |
162, |
|||||
177, |
195]. Известно, |
что решение его |
возможно только |
при |
постоянном |
значе |
а„ ю"м*/с |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
нии коэффициента диф |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
фузии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
40 г-: |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Влияние |
|
влагосо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
держания |
|
изучено |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
работах |
[37, 91]; |
по |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
лученные |
|
|
результаты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
для |
комнатной |
темпе |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ратуры |
приведены |
|
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
рисунке |
32. |
Наблюда |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ется |
заметное |
расхож |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
дение |
|
данных. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Как |
влияет |
|
влаго- |
10 |
|
|
|
зоMuolwc;/. |
|||||||||
содержание |
на |
коэф |
|
|
|
|||||||||||||
фициент |
|
|
диффузии |
|
|
|
|
|||||||||||
влаги |
|
|
в |
|
единичном |
|
•о |
|
|
|||||||||
зерне |
пшеницы, |
пока |
ю |
20 |
|
|||||||||||||
зано на рисунках 33 и |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
34. |
Видно, |
что |
величи |
Рис. 32. Зависимость |
|
коэффициента |
||||||||||||
на |
коэффициента |
диф |
диффузии |
влаги для зерна пшеницы |
||||||||||||||
фузии |
влаги |
уменьша |
2 — п о |
от |
влагосодержания: |
|
||||||||||||
ется |
|
с |
|
увеличением |
А. С. |
Гинзбургу |
и |
3. |
П. Бубров- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ — по |
Л . М. Никитиной, |
зерновой |
слой; |
||||
влагосодержания. |
|
Это |
скому, |
зерновой |
слой; 3 — по |
Л . М. |
Ме- |
|||||||||||
указывает |
на |
молеку |
|
леневской, |
единичное |
зерно. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
лярный |
механизм |
вла- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
гопереноса в зерне в изученной |
области |
|
влагосодер |
|||||||||||||||
жания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
величины ап |
|
|
|
|
||||
Видно |
также, |
что |
значения |
|
заметно |
за |
||||||||||||
висят |
от |
|
биологических |
и структурных |
особенностей |
зерна: для твердой пшеницы значение коэффициента диффузии влаги меньше, чем для мягкой, даже при оди наковой стекловидности.
Особенно наглядно влияние структуры зерна на величину коэффициента ат выявляется при анализе кривой 3 (см. рис. 33). Образцы зерна мягкой пшеницы после увлажнения (каждый образец до определенного значения влагосодержания) в течение 5—7 суток отвола живали. Затем образцы повторно увлажнили, после че го и проведено определение коэффициента диффузии влаги. В результате двукратного увлажнения стекловидность зерна снизилась с 97 до 75% при влагосодер жании 20% и до нуля при влагосодержании 28%.
Особенно резко уменьшается стекловидность после 20% влагосодержания, но коэффициент диффузии вла-
|
|
10 |
20 |
30 wcx |
|
Рис. |
33. Зависимость коэффициента |
диффузии |
|||
влаги от влагосодержания при двукратном |
|||||
увлажнении |
для единичного зерна |
пшеницы: |
|||
/ — пшеница I I |
типа; 2 — пшеница I и |
I V |
типоа; |
||
|
3— пшеница I V типа. |
|
|
||
ги увеличивается. |
Видимо, |
благодаря |
необратимому |
||
разрушению |
первоначальной |
плотной |
стекловидной |
структуры эндосперма он приобрел свойства капилляр но-пористого тела. Поэтому величина коэффициента диффузии влаги увеличивается. Для полностью мучни стого зерна при влагосодержании выше 28% величина коэффициента ат постоянна.
Для белой зубовидной кукурузы и мягкой пшеницы величины коэффициента ат одинаковы. По-видимому, это связано с наличием у зерна кукурузы крупного за родыша, который играет заметную роль во внутреннем переносе влаги [86], а также со слабым развитием ро говидного слоя у зубовидной кукурузы.
При иммерсионном увлажнении зерна мягкой пше ницы (Безостая 1 и Саратовская 29) резкое воздействие на структуру зерна, а также наличие в зерне большого количества слабо связанной воды существенно повыша ет интенсивность внутреннего влагопереноса; значения
коэффициента ап выше |
на целый порядок по сравне |
|
нию с |
переносом влаги при «холодном» кондициониро |
|
вании. |
Для практических |
расчетов можно принять, что |
для высокостекловидного зерна при |
влагосодержании |
|
15—20% am |
= const=2- Ю - 1 1 м2 /с, |
а для мучнистого |
а т « 4 - 1 0 - п |
м 2 / с |
|
|
Обрабатывая |
|
данные |
ат10, |
мг/с |
|
|
||||
Бэккера |
и |
Солленза |
|
|
|||||||
6 |
|
|
|
||||||||
[162], |
находим, |
что |
в об |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||||
ласти |
8—20% |
влагосо |
|
|
|
|
|||||
держания |
|
коэффициент |
|
|
|
|
|||||
ат |
|
имеет |
|
величину |
|
|
|
|
|||
Ю - |
1 2 |
м2 /с, |
а |
при |
влаго- |
|
|
|
|
||
содержании |
|
менее |
8% — |
|
|
|
|
||||
на |
порядок |
ниже. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Если влиянием |
вла |
|
|
|
|
|||||
госодержания на |
|
величи |
|
|
|
|
|||||
ну |
коэффициента |
|
диффу |
|
|
75 wCi % |
|||||
зии |
влаги |
некоторые |
ав |
|
|
||||||
торы |
необоснованно |
пре |
Рис. |
34. Зависимость коэффициен |
|||||||
небрегают, |
|
то |
влияние |
||||||||
|
та диффузии влаги от влагосо |
||||||||||
температуры |
|
процесса |
держания для |
единичного |
зерна |
||||||
признается |
|
всеми, |
как |
при |
иммерсионном увлажнении. |
||||||
отечественными, |
|
так и |
|
|
|
|
|||||
зарубежными |
исследователями. Однако |
анализ |
работ |
[161, 162] показывает, что их методический аппарат не соответствует современному уровню учения о тепломассопереносе. Так, в качестве потенциала переноса влаги авторы принимают следующую величину:
(68)
1 - М
Раскрытие этого выражения показывает, что величи на Р равна (W0—W„)., т. е. разности начального вла госодержания зерна и влагосодержания его поверхно сти, что не соответствует физической сущности процес са внутреннего влагопереноса.
Следует отметить, что использованный в этих рабо тах метод представляет собой метод нестационарного потока влаги при изотермических условиях. В этом слу чае на расчетные формулы налагается строгое ограни
чение. Их |
можно |
использовать только при критерии |
|
Fo т<.0,1, |
т! е. только |
для начала процесса, когда вла- |
|
госодержание вдали |
от |
поверхности (т. е. в центре зер |
новки) остается постоянным, равным начальному зна чению, или, что в принципе то же самое, перепад по тенциала переноса влаги внутри тела должен быть не значительным.
Примерный подсчет показывает, что при иммерсион ном увлажнении и температуре 25° С критерий Fom
достигает значения 0,1 за 10 ч, а при 50° С — за 2,5 ч. Именно этой длительностью и должны быть ограничены
опыты; однако |
авторы продолжали их |
до 16 и даже |
72 ч. Имеются |
и другие существенные |
методические |
погрешности. В связи с этим иностранные данные мо гут явиться лишь качественной оценкой, особенностей влагопереноса в зерне.
Интересно, что для случая поглощения жидкой воды зерном пшеницы абсолютное значение коэффициента диффузии влаги оказалось на целый порядок ниже, чем
при сушке (рис. 35). |
|
|
|
Следовательно, |
механизм |
миграции воды |
внутри |
зерна существенно |
зависит |
от направления |
процесса: |
при увлажнении зерна интенсивность внутреннего пере носа влаги существенно ниже, чем при обезвоживании. На величину коэффициента диффузии влаги влияют также биологические особенности зерна: кривая 2 по
лучена для твердой |
пшеницы, |
а кривая |
/ — для мягкой. |
||
По Л. М. Никитиной |
[98], |
повышение температуры |
|||
вызывает увеличение коэффициента |
ат. |
Но его значе |
|||
ния на два порядка |
выше, чем по данным иностранных |
||||
авторов. Это может |
быть |
частично |
связано с тем, что |
ат-ю"мг/с 30 у
20 |
4? |
60 |
ВО ~ - 100 |
|
|
|
t°C |
Рис. 35. Зависимость коэффициента диффузии влаги
от |
температуры для единичного |
зерна пшеницы: |
/ и |
2 — иммерсионное увлажнение; 3 |
п 4 — конвективн«я |
|
сушка. |
|
Л. М. Никитина определяла значение коэффициента диффузии влаги ат для зернового слоя, а метод Беккера [161] разработан для единичного зерна. Но основ ное значение имеют, видимо, те принципиальные допу щения, которые приняты Беккером при разработке ме тодики определения коэффициента диффузии влаги; в особенности существенно сказалось пренебрежение за висимостью коэффициента ат от влагосодержания (при иммерсионном увлажнении в течение нескольких часов влагосодержание зерна изменяется очень суще ственно) .
Кроме того, у Л. М. Никитиной влагосодержание зерна в каждом опыте было неизменным, а в опытах Шелленбергера и других — изменялось в большом диа пазоне. Это имеет принципиальное значение. Непрерыв ное изменение влагосодержания зерна в процессе опыта приводит к непрерывному изменению всех параметров, характеризующих процесс внутреннего переноса влаги.
С изменением степени гидратации веществ зерна из меняются энергия связи влаги, интенсивность переноса влаги и сам механизм ее переноса. Наряду с этим су щественное влияние на развитие процесса внутреннего переноса должны оказывать такие явления, как набуха
ние |
веществ, |
структурные преобразования анатомиче |
|
ских |
частей |
зерна, |
а также различные биохимические |
и физиологические |
процессы. |
Важным выводом из работы Л. М. Никитиной явля ется то, что коэффициент диффузии влаги зависит и от удельного влагосодержания, и от температуры, и от биологических особенностей зерна.
Четко выявлено влияние температуры на коэффици
ент диффузии влаги |
в |
работе В. П. |
Дубровского и |
А. С. Гинзбурга [37]. |
Они указывают, |
что это влияние |
|
выражается степенной |
зависимостью вида |
||
ат= |
атоТК |
(69J |
Показатель степени k увеличивается с повышением влагосодержания и не зависит от температуры; его зна чения колеблются от 8 до 18.
В наших опытах проанализировано влияние темпе ратуры в диапазоне 20—50° С, т. е. для тех значений температуры, которые используют при гидротермичес кой обработке зерна. Внутренний влагоперенос изучали при обработке (отволаживание или прогрев) предвари-