Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Зерносушение. Учебное пособие
.pdf
11
ми зерна. Именно эта вода участвует в физико-химических и биологических процессах в зерне при его хранении и переработке.
При определении влажности зерна следует учесть, что
стандартным лабораторным методом вычисляют ее условную
величину, поскольку в нее входят легко летучие продукты распада веществ зерна, образуемые в условиях анализа (углеводороды,
альдегиды, кетоны и другие) и воды, которая синтезировалась в
зерне в течение лабораторного высушивания навески.
Влажность зерна выражают в процентах по отношению к
массе всего влажного материала (wо) и к массе абсолютно сухого
вещества (wc), то есть:
100
о
G
W
w
;
100
c
c
G
W
w
,
где W – масса воды, содержащейся в G, кг влажного материала, кг;
Gс– масса абсолютно сухого вещества, кг.
Значение wc, полученное при изменении влажности зерна
по отношению к постоянной величине Gc, позволяет представить
графическую характеристику кинетики сушильного процесса.
Поэтому в теории сушки влажность просушиваемого материала
рассчитывают по отношению к Gcпо следующим формулам пересчета:
100
100
о
о
c
w
w
w
; (1)
100
100
c
c
о
w
w
w
.
12
Соотношение (1) можно выразить не в процентах, а в килограммах влаги (wо) на килограмм сухого вещества (100-wо), то
есть в долях единицы, тогда его называют влагосодержанием и
обозначают буквой U. Физический смысл заключается в том, что
влажность может быть локальной, то есть характеризовать содержание в отдельной точке зерновки и в общем случае зависит
от среднеинтегрального влагосодержания (Ucp, кг
влаги
/ кг
с.в.
). По
сути, Ucpявляется удельным массосодержанием влажного материала:
с
ср
G
W
U
. (2)
Из соотношения (1) и (2) очевидно, что wc=100·U
cp.
В практических условиях зерносушения влажность рассчитывают в процентах по отношению к массе всего влажного материала, то есть w.
Гигроскопичность характеризует способность зерна поглощать водяные пары. Зерно является хорошим сорбентом
вследствие большой удельной поверхности, поэтому стойко
удерживает запах газа и поглощает водяные пары. Последние
конденсируются на поверхности зерна, в его порах и капиллярах.
С другой стороны, зерно способно в определенных условиях отдавать поглощенную влагу.
Таким образом, массообмен между влажным материалом и
окружающим воздухом происходит в двух направлениях при
следующих условиях: зерно может сорбировать (поглощать) пары из воздуха, если парциальное давление пара у поверхности
материала Рмменьше парциального давления водяных паров в
окружающем воздухе (Рп), то есть Рм< Рп; когда же Рм> Рп, имеет место испарение (десорбция) влаги из влажного материала.
Влажность материала, находящегося во влажном воздухе с
параметрами t=const и φ=const при установившемся состоянии
массообмена, называется равновесной влажностью (wp), достигнутой в данных условиях. В этот момент Рм= Рп, а количество
поглощаемой влаги из воздуха равно количеству влаги, подаваемой зерном воздуху. Наибольшая равновесная влажность наблю-
13
дается ранним утром, в часы самой низкой суточной температуры
воздуха и наивысшей относительной влажности. Отсюда следует,
что величина равновесной влажности зависит от температуры
воздуха. По И.Я. Бахареву при снижении температуры воздуха с
30 до 0 °С wpзерна различных культур повышается примерно
одинаково на 1,4 %. Величина wpзависит от парциального давления или относительной влажности воздуха (φ), что видно из
формулы
н
п
P
P
,
где Рн- давление насыщенного пара при данной температуре, Па.
Равновесную влажность зерна определяют тензиметрическим методом, в результате чего получают зависимость: wp=f(φ).
Эта зависимость устанавливается при t=const, так как в состоянии
равновесия температура зерна и окружающего воздуха равны.
Состояние равновесия может быть достигнуто в условиях
увлажнения материала, тогда кривую wp= f(φ) называют изотермой сорбции; если эта кривая получена в результате испарения
влаги из материала, то имеем изотерму десорбции.
Величина равновесной влажности зависит от химического
состава зерна. Чем больше в зерне гидрофобной фракции, тем
ниже величина wp. Так, в зерне масличных культур показатель w
p
почти в 2 раза меньше, чем у зерновых.
На величину равновесной влажности влияет явление сорбционного гистерезиса (рисунок).
Как видно, изотермы сорбции и десорбции не совпадают,
кроме точек при φ=0 и φ=100 %, то есть при увлажнении материала после сушки при тех же величинах φ получаются меньшие значения wp, причем при φ=const wpдесорбции больше wpсорбции.
Явление сорбционного гистерезиса объясняется наличием в
капиллярно-пористых материалах воздуха. Следовательно, при
увлажнении материала необходимо увеличить парциальное давление пара (или φ, что то же самое), чтобы преодолеть сопротивление воздуха.
14
Рисунок. Изотермы сорбции и десорбции коллоидных тел
Функция wpот φ имеет сложную зависимость (см. рисунок),
резкое возрастание wpнаблюдаются при φ>80 % и по достижении
значения φ=100 % материал приобретает максимальную равновесную влажность, которая называется гигроскопической wг. Понятно, что влажность является предельной, достигаемой за счет поглощения паров воды из окружающей среды. Поэтому дальнейшее
увлажнение зерна происходит лишь при непосредственном контакте с капельно-жидкой влагой. Максимальная гигроскопическая
влажность (w
г
c
) при температуре 25 °С составляет: для пшеницы –
36,3 – 38,5 %, овса и ржи – 36,5 %, гречихи – 32,5 %,
риса – 30,5 %. В пределах одной зерновки величина wгразлична по
отдельным анатомическим частям: наибольшая у зародыша и
меньше у оболочек и эндосперма.
15
1.3. Органические и неорганические вещества зерна
Они выполняют определенные функции в жизненных про-
цессах зерна и по-разному реагируют на нагрев и обезвоживание.
Белки зерна, как известно, являются гидрофильным коллоидом. Температурная устойчивость зерна при сушке определяется температурной устойчивостью его белковых веществ. Под
влиянием высокой температуры, превышающей допустимые,
белки подвергаются денатурации, и тогда утрачиваются жизненные функции семян, их способность к прорастанию, резко ухудшается растяжимость белков эндосперма, снижаются количество
и качество клейковины. Особенно это затрагивает семенное зерно, так как белки зародыша менее стойки к нагреву, к тому же
зародыш находится непосредственно под оболочкой и поэтому
прогревается и высыхает в первую очередь. По этой причине
норма выработки при сушке семенного зерна снижается в 2 раза
по сравнению с продовольственным. На температурную устойчивость зерна влияет его исходная влажность. В отсутствии воды
денатурации белка не происходит, даже при температуре более
100 °С, но по мере повышения влажности устойчивость снижается. Поэтому рекомендуется сушку высоковлажного зерна начинать при мягком температурном режиме, усиливая его на последующих этапах обезвоживания, то есть применяют ступенчатый
режим сушки.
На температурный режим нагрева оказывает влияние исходное качество зерна. При сушке продовольственного зерна со
слабой клейковиной возможно улучшить ее физические свойства
применением более высоких температур нагрева, и наоборот, с
крепкой клейковиной зерно сушат при пониженной температуре
нагрева.
Таким образом, инструкциями по сушке зерна предусматривается нагрев семенного зерна до 40 – 45 °С, продовольственной пшеницы до 45 – 53 °С, фуражного назначения до 50 – 60 °С.
Крахмал нерастворим в холодной воде, но набухает в горячей. При температуре нагрева до 60 °С не наблюдается качественного изменения крахмала, однако при дальнейшем повышении
16
температуры могут наступить клейстеризация и частичный распад
его с образованием декстринов. Это уже приводит к снижению
всхожести, ухудшению хлебопекарных качеств зерна, возможна
карамелизация сахаров, вызывающая ухудшение цвета муки.
Жиры сосредоточены главным образом в зародыше зерновки. Они не растворяются в воде и более устойчивы при нагреве.
Однако при температуре выше 70 °С могут подвергаться частичному разложению.
Ферменты по мере повышения температуры нагрева активизируются, но превышение оптимальных значений (40 – 50 °С)
приводит к повышению активности до полного прекращения
(80 – 90 °С). Инактивация ферментов связана с денатурацией
белков, их образующих.
Витамины проявляют тенденцию к разрушению под влиянием высоких температур и зависит от продолжительности
нагрева и температуры, при которой они разрушаются.
И наконец, при подготовке послеуборочной обработки зерна, в частности сушильного процесса, необходимо принимать во
внимание такой важнейший физиологический характер, как дыхание. Интенсивность дыхания зависит от влажности и температуры зерна. При влажности зерна выше критической
(wо=14 – 14,5 %) интенсивность дыхания резко повышается, так
как в зерне появляется «свободная» (капиллярная) вода, которая
значительно ускоряет биохимические процессы.
Интенсивность дыхания также усиливается с повышением
температуры, но до определенного предела (45 – 50 °С), так как
превышение допустимого уровня нагрева приводит к затуханию
жизнедеятельности зерна и, как следствие, дыхательного процесса.
1.4. Теплофизические свойства зерна и зерновой массы
Расчеты теплового баланса сушильных и охладительных
аппаратов требуют знаний теплофизических характеристик зерна,
которые зависят от влажности и температуры, культуры, а характеристики зернового слоя еще и от формы, размера зерен, плотности и укладки их.
17
Основными параметрами, характеризующими тепловые
свойства зерна и зерновой массы, являются удельная теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность.
Удельная теплоемкость. В практике зерносушения принимают удельную теплоемкость зерна и зерновой массы одинаковой, так как масса воздуха межзернового пространства по отношению к массе зерна неизмеримо мала.
Под удельной теплоемкостью принято считать количество
теплоты, необходимой для повышения температуры 1 кг зерна на
1 °С. Удельная теплоемкость cзкДж/(кг·°С), зависит от влажности зерна и его температуры, и в первом приближении рассматривается как механическая смесь зерна и воды:
с.в.
в
з
100
100
100
c
wwс
c
, (3)
где св– удельная теплоемкость воды, равна 4,176 кДж/(кг·°С);
с
с.в.
– удельная теплоемкость сухого вещества зерна, равна
1,55 кДж/(кг·°С).
При увеличении влажности зерна от 10 до 30 % удельная
теплоемкость повышается с 1,64 до 2,43 кДж/(кг·°С) при t=const
(30 °С).
Как видно, формула (3) не учитывает изменение удельной
теплоемкости от температуры зерна. Для пшеницы, ячменя, гороха и риса при влажности 10 – 50 % и температуре 0 – 60 °С предложено удельную теплоемкость определять по следующей эмпирической формуле:
282510287,01
01149,0545,149,877,891
овз
3
3
овз
2
овзовз
w
wwwc
,
где w
овз
– влажность зерна (на общую массу), полученная по образ-
цовому методу на вакуумно-тепловой установке ОВЗ-1, %;
θ - температура зерна, °С.
18
Привлечение образцового метода в отличие от принятого
классического объясняется тем, что при высушивании зерна в
сушильном шкафу СЭШ-3м не удается извлечь всю влагу из материала вследствие наличия парциального давления водяных паров в шкафу. По этой причине результат определения влажности
занижен, по данным авторов, на 0,7 %.
Теплопроводность. Это количество теплоты, которое передается в единицу времени через 1 м2поверхности от более нагретого к менее нагретому участку на 1 м длины (толщины) материала при разности температур между участками 1 °С. Теплопроводность зависит от структуры, плотности материала и его влажности. Зерновая масса из-за воздушных промежутков между зернами обладает низкой теплопроводностью. Так, теплопроводность зерновой массы пшеницы влажностью 10,18 и 26 % составляет соответственно 0,123, 0,138 и 0,124 Вт/(м·°С), ячменя –
0,905 BT/(М·°C), в то время как теплопроводность единичного
зерна в 2 – 3 раза больше. Поэтому в процессе сушки зерна при
разности температур между участками зернового слоя выравнивания температурного поля не наблюдается. Оно достигается
лишь при перемешивании зерна.
Зависимость коэффициента теплопроводности зерновой
массы от влажности имеет сложный характер. При влажности
18 % коэффициент теплопроводности имеет максимальное значение. Считают, что зерно достигло влажности, соответствующей
области капиллярной влаги, и дальнейшее повышение влажности
приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Для
практических расчетов коэффициент теплопроводности λ,
Вт/(м·°С), зерновой массы пшеницы может быть определен по
формуле
λ = 0,060 + 0,02 wc.
Ввиду низкой теплопроводности теплота в зерновой массе
задерживается в тонком слое, граничащем с горячими поверхностями сушилки, что часто приводит к перегреву и ухудшению
качества зерна. Так, например, в результате соприкосновения
зерна с горячей поверхностью стенки сушилки (или поверхностью короба) температурой 77 °С в течение 150 с температурная
19
волна проникает в зерновой слой на глубину менее 20 мм, причем
60 % выделившейся теплоты сильно нагревает слой толщиной
лишь 3 мм, в которой температура повысилась с 30 до 69 °С. Такая особенность зерна диктует выбор методов и режимов сушки,
конструкцию сушильного аппарата и т. д.
Температуропроводность. Зависимость коэффициента
температуропроводности (а, м /ч) от влажности зерновой массы
также имеет сложный характер. При влажности wc= 15 – 18 %
величина а возрастает, дальнейшее увеличение влажности ведет к
снижению этого коэффициента. Температуропроводность единичного зерна в 2 – 3 раза выше, чем зернового слоя.
Эмпирическая зависимость а от wcимеет следующий вид
a = (2,50 + 0,050 wc)·10-4.
1.5. Аэродинамические свойства зерна
В зерносушильных аппаратах различных конструкций толщина продуваемого слоя зерна колеблется от 60 до 300 мм. Следовательно, гидравлическое сопротивление (Н3, Па), оказываемое
слоем зерна при продувании его сушильным агентом, будет различно и зависит также от скорости и параметров воздуха, уплотнения зернового слоя, состояния поверхности зерен и др. Эта зависимость приближенно выражается формулой
H3= 9,81A∙h∙vn, (4)
где А и n – постоянные коэффициенты, зависящие от размеров,
формы и степени уплотнения зерна в насыпи;
v – скорость движения сушильного агента (отнесенная к пол-
ному сечению зернового слоя ), м/с;
h – толщина слоя зерна, мм.
При увеличении скорости движения сушильного агента
навстречу зерновой массе возрастает подъемная сила потока, таким образом, что зерновой слой начинает разрыхляться и при достижения критической скорости (vкр) снижение Н3достигает мак-
20
симального значения. Это снижение тем заметнее, чем больше
влажность зерна и плотность укладки.
В научной литературе по технике и технологии сушки зерна приводятся значения коэффициентов А и n для различных
культур, установленные при толщине слоя в 10 мм. В реальных
условиях зерносушения шахтные сушилки при установке подводящих и отводящих коробов в одном ряду имеют толщину продуваемого слоя зерна в 100 мм. В этом случае гидравлическое
сопротивление зернового слоя при сушке пшеницы может быть
определено по формуле (4) в соответствии со следующими значениями коэффициентов А и n (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Коэффициенты, зависящие от размеров, формы и степени уплотнения
Постоянные коэффициенты
А
n
Состояние зернового
слоя
Неподвижный
слой
Подвижный
слой
Неподвижный
слой
Подвижный
слой
Влажность зерна до
17 %
1,3
1,2
0,8
0,73
Влажность зерна более 17 %
1,2
1,1
0,71
0,62
1.6. Характеристика зерновой массы
Скважистость зерновой массы. Для сушильного процесса
большое значение имеет удельная поверхность зерна, отношение
поверхности всех зерен, содержащихся в 1 кг, ко всему объему,
занимаемому этим зерном. Чем меньше зерно, тем больше его
удельная поверхность и тем ниже величина скважистости зерновой массы (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Значения скважистости зерновой массы
Культура
Скважистость, %
Культура
Скважистость, %
Подсолнечник
60... 70
Кукуруза
35...55
Овес
50... 70
Пшеница
35...45
Рис-зерно
50...65
Рожь
35...45
Гречиха
50... 60
Лен
34...45
Ячмень
45...55
Просо
30...50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]