# Обработка и хранение продукции растениводства

5B007280 - Технология перерабатывающих производств __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Лабораторная работа 2

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕРНОВОЙ МАССЫ

Цель: сформировать представление о физических свойствах зерна

План

1 Сыпучесть

2 Самосортирование.

3 Скважистость

4 Сорбционные свойства.

5 Теплофизические свойства

1 Сыпучесть. Зерновая масса представляет собой совокупность большого количества частиц различной формы и размеров. Она обладает высокой подвижностью, способна скользить и скатываться по наклонной поверхности, заполнять хранилища и емкости различной конфигурации. Это свойство зерновых масс называют сыпучестью. Сыпучесть характеризуется углом трения зерна о поверхность какого-либо материала.

Угол трения — это наименьший угол, при котором зерно начинает самотеком двигаться по наклонной плоскости. При скольжении зерна по зерну его называют углом естественного откоса или углом ската (т. е. угол между диаметром основания и образующей конуса, получающегося при свободном падении зерновой массы на горизонтальную плоскость).

Угол трения зерна учитывают при устройстве самотечных труб, в зерноочистительных машинах, сушилках и т. д. Угол естественного откоса имеет значение в агрономической практике, при сооружении токовых площадок, складских помещений. Чем меньше угол естественного откоса, тем выше сыпучесть.

Известны зерна и семена, имеющие округлую форму и гладкую поверхность (просо, горох, вика, соя). Если в дополнение к этому семена имеют крайне незначительные размеры (клевер, горчица, рыжик), то применяют термин текучесть. Зерна, имеющие продолговатую форму, менее сыпучи. В табл. 2.1 указан угол естественного откоса некоторых культур. В скобках указан угол естественного откоса, принимаемый в расчетах по планированию послеуборочной обработки зерна и семян.

Таблица 2.1. Угол естественного откоса некоторых культур, град

Культура | Угол естественного откоса
Пшеница | 23−38 (32)
Рожь | 23−38 (34)
Ячмень | 27−48 (36)
Овес | 31−54 (42)
Просо | 20−27 (24)
Горох | 22−28 (26)

С увеличением влажности сыпучесть зерновой массы уменьшается. При влажности выше 34−38 % зерновая масса быстро слеживается,
т. е. утрачивает сыпучесть.

Находящиеся в зерновой массе примеси в большинстве случаев также снижают сыпучесть, поэтому влажность и засоренность учитывают при определении фактической производительности зерноочистительных машин, так как они уменьшают их пропускную способность.

Сыпучесть зерновых масс широко используют при их обработке и переработке. Зерновые массы легко перемещаются при помощи транспортеров, пневмотранспортных устройств и других механизмов. Современные сооружения, в том числе в хозяйствах, проектируют в несколько этажей. Поднятая на верхний этаж зерновая масса самотеком спускается вниз, проходит через различные машины, обрабатывается на них. Самотек также позволяет существенно упростить загрузку и выгрузку хранилищ и транспортных средств.

Самосортирование. Хорошая сыпучесть, а также сложный и неоднородный состав зерновой массы приводят к тому, что при перемешивании и пересыпании в ней образуются слои и участки, состоящие из компонентов с близкими характеристиками. Так, при загрузке транспортных средств, выгрузке в насыпь тяжелые зерна и минеральная примесь падают быстрее и находятся в месте ссыпания, а легковесные компоненты (щуплое, колотое зерно, семена сорняков, органическая примесь) опускаются медленнее и отбрасываются вихревыми движениями воздуха к бортам кузова, периферии насыпи или скатываются по поверхности конуса к его основанию.

По этой причине периферийные участки насыпи зерна содержат больше щуплых зерен, семян сорных растений и органического сора. Именно эти слои определяют сохранность всей зерновой массы, так как они обладают повышенной биологической активностью. Это обстоятельство учитывают при оценке качества зерна и семян: минимум 80 % точечных проб отбирают с периферийной части насыпи.

Самосортирование используют для направленного разделения зерновой массы на фракции разного качества. На этом свойстве основана работа пневмосортировальных и отражательных машин, применяемых в хозяйствах.

Скважистость. Между видимыми компонентами зерновой массы всегда имеются промежутки (межзерновые или межсеменные пространства), заполненные воздухом. Суммарный объем этих межзерновых пространств называют скважистостью. Чаще всего она выражается в процентах от общего объема зерновой массы, реже — в долях единицы. Обратная величина скважистости называется плотностью укладки; она показывает, какая часть зерновой массы занята твердыми частицами (компонентами). В совокупности межзерновые пространства образуют в зерновой массе густую сеть различных по форме и размерам каналов, по которым перемещается воздух.

Скважистость зерновой (семенной) массы зависит, прежде всего, от формы, величины и состояния поверхности зерна (табл. 2.2).

Крупные примеси увеличивают скважистость, а мелкие — уменьшают ее, так как размещаются между зернами основной культуры. С увеличением влажности зерна и семян скважистость их возрастает, хотя и незначительно.

Таблица 2.2. Скважистость зерновой массы, %

Культура | Скважистость
Пшеница | 40
Рожь | 40
Ячмень | 50
Овес | 60
Просо | 40
Кукуруза | 45
Горох | 40
Гречиха | 50
Лен | 40
Подсолнечник | 60

Скважистость имеет большое физиологическое значение, так как запас воздуха в межзерновых пространствах обеспечивает нормальную жизнедеятельность, в частности, семенного материала.

Благодаря сети каналов воздух циркулирует в зерновой массе, переносит выделяющиеся тепло и пары воды. Это обстоятельство используют при вентилировании, сушке, а также газации зерновых масс.

Однако при организации послеуборочной обработки и хранения зерна следует учитывать не только величину скважистости, но и ее структуру. Чем мельче семена, тем меньше размеры межзерновых пространств и каналов, соединяющих их. Следовательно, при активном вентилировании или сушке увеличивается аэродинамическое сопротивление зерновых насыпей воздушному потоку. Например, у пшеницы, проса и гороха скважистость практически одинакова — около 40 %. Если принять величину аэродинамического сопротивления насыпи гороха за единицу, то сопротивление насыпи пшеницы будет в
2 раза выше, а проса — в 4 раза. Поэтому при вентилировании мелкосемянных культур уменьшают высоту насыпи (уменьшают тару) или используют более высоконапорные вентиляторы.

Вследствие самосортирования скважистость в различных участках зерновой массы неодинакова. Это приводит к неравномерному распределению воздуха по профилю насыпи, образованию застойных зон, не продуваемых при активном вентилировании.

В пределах одной культуры можно принять схему зависимости скважистости от размеров зерна или семян, приведенную ниже
(рис. 2.1).

Скважистость увеличивается

Зерно (семена) Зерно (семена) Зерно (семена)

несортированное сортированное стандартное

мелкое

Скважистость уменьшается

Рис. 2.1. Схема зависимости скважистости от размеров зерна или семян

Зная скважистость и натуру, можно определить количество воздуха, находящегося в 1 т зерновой массы. Это называется обеспечен-
ностью воздухом. Количество воздуха в хранящейся партии зерна принимают за один объем. Этот показатель используют при активном вентилировании зерновых масс.

Сорбционные свойства. Сорбция — поглощение твердым телом или жидкостью каких-либо веществ из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом. Зерновые массы интенсивно поглощают (сорбируют) из окружающей среды пары различных веществ и газы, поэтому относятся к хорошим сорбентам. Связано это с капиллярно-пористой коллоидной структурой зерна (семени) и скважистостью зерновой массы.

При уборке, послеуборочной обработке и хранении зерновые массы могут приобретать различные запахи. Появление любого запаха в зерне всегда связано со снижением его качества. Запахи делят на две группы: сорбционные и разложения.

Сорбционные запахи приобретаются зерновой массой вследствие ее сорбционных свойств. Из этой группы наиболее часто встречается дымный запах, связанный с сорбцией зерновой массой продуктов неполного сгорания топлива в зерносушилках.

Запахи разложения образуются в самой зерновой массе как следствие протекающих в ней процессов. Это, прежде всего, амбарный запах, часто свидетельствующий о длительном хранении зерновой массы без проветривания. При прорастании зерна появляется солодовый запах, а интенсивное развитие плесневых грибов вызывает плесенный запах. Распад тканей зерна и других компонентов зерновой массы приводит к появлению затхлого, а затем и гнилостного запаха. В хранилищах зерновые массы могут приобрести клещевой запах из-за развития клещей, переходящий затем в гнилостный.

Вещества, поглощенные зерновой массой, удалить из нее невозможно. Поэтому зерно и семена с любым запахом (за исключением амбарного) реализации не подлежат.

Чаще и значительно интенсивнее зерновые массы поглощают (сорбируют) из окружающей среды пары воды, а при известных условиях наблюдается обратный процесс, называемый десорбцией. Таким образом, в процессе сорбции и десорбции зерновая масса взаимодействует с воздухом атмосферы и межзерновых пространств и при этом может увлажняться или подсыхать.

Если давление водяного пара над зерном и в воздухе одинаковое, то сорбционный влагообмен прекращается и влажность зерна стабилизируется. Такая влажность зерна называется равновесной. Другими словами, относительной влажности воздуха соответствует строго определенная влажность зерна или семян. Для достижения полного равновесия требуется несколько суток. Но так как относительная влажность воздуха непрерывно варьирует, изменяется и влажность наружных участков насыпи зерна. Поэтому в производственных условиях равновесную влажность чаще используют при организации работ по уборке и послеуборочной обработке зерна и семян, а также при хранении их насыпью небольшой высоты (1,0–1,5 м).

Равновесная влажность зерна и семян сельскохозяйственных культур неодинакова (табл. 2.3) и зависит от химического состава.

Наибольшее количество воды поглощают белки — 180–240 % от своей массы, крахмал — около 70 %. Жиры не удерживают влагу. Поэтому при одних и тех же условиях, например, семена подсолнечника содержат воды приблизительно в 2 раза меньше, чем зерно. Неодинакова равновесная влажность отдельных зерен или семян культуры и, более того, отдельных анатомических частей. Зародыш зерновых культур всегда имеет более высокую влажность, чем эндосперм, и это необходимо учитывать при сушке и хранении зерна.

Максимальная равновесная влажность зерна или семян устанавливается при относительной влажности воздуха 100 %. Влажность зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса при этом будет в пределах 33−36 %, семян бобовых культур — 34−36, а масличных — на уровне 20 %.

Для хлебов второй группы (кукуруза, просо, сорго) это количество воды может быть достаточным для набухания зерна и начала прорастания. Дальнейшее увлажнение семян возможно лишь при впитывании капельножидкой влаги, т. е. при контактном влагообмене. Это часто наблюдается в свежеубранной зерновой массе, для которой характерна неравномерность по влажности составляющих ее компонентов.

Таблица 2.3. Равновесная влажность (%) зерна и семян при температуре воздуха 20 оС (по Карпову)

Относительная влажность воздуха, % | Пшеница | Рожь, ячмень | Овес | Кукуруза | Просо | Соя | Горох | Подсол-нечник
20 | 7,8 | 8,3 | 6,7 | 8,2 | 7,8 | 5,4 | 8,2 | 4,7
25 | 8,5 | 8,9 | 7,4 | 8,8 | 8,5 | 5,9 | 8,9 | 4,9
30 | 9,2 | 9,5 | 8,2 | 9,4 | 9,1 | 6,4 | 9,5 | 4,9
35 | 10,0 | 10,2 | 8,8 | 10,0 | 9,8 | 6,7 | 10,6 | 5,1
40 | 10,7 | 10,9 | 9,4 | 10,7 | 10,5 | 7,1 | 11,6 | 5,3
45 | 11,3 | 11,6 | 10,1 | 11,3 | 11,0 | 7,5 | 12,3 | 5,5
50 | 11,8 | 12,2 | 10,7 | 11,9 | 11,6 | 8,0 | 12,8 | 5,7
55 | 12,4 | 12,8 | 11,3 | 12,5 | 12,1 | 8,7 | 13,4 | 6,3
60 | 13,1 | 13,5 | 12,0 | 13,2 | 12,7 | 9,5 | 14,1 | 7,0
65 | 13,7 | 14,3 | 13,2 | 14,0 | 13,5 | 10,2 | 14,7 | 7,3
70 | 14,3 | 15,2 | 14,4 | 14,9 | 14,3 | 11,0 | 15,3 | 7,5
75 | 15,1 | 16,3 | 15,6 | 15,9 | 15,1 | 13,1 | 16,1 | 8,2
80 | 16,2 | 17,4 | 16,8 | 16,9 | 15,9 | 15,3 | 17,0 | 9,1
85 | 18,0 | 19,1 | 18,3 | 18,0 | 17,1 | 18,1 | 19,0 | 10,1
90 | 20,0 | 20,8 | 19,9 | 19,2 | 18,3 | 20,9 | 21,0 | 11,3
95 | 24,2 | 25,0 | 24,0 | 23,6 | 23,0 | 25,6 | 25,7 | 14,2
100 | 30–34 | 30–34 | 30–32 | 28–30 | — | — | 32–36 | 17–19

Данные табл. 2.4 показывают быстрое перераспределение влаги между зерном и сорняками. При этом семена сорняков существенно подсыхают, а спелое зерно пшеницы заметно увлажняется. Увлажнение тем больше, чем засореннее зерновая масса. Исключить это можно только немедленной очисткой свежеубранного зерна.

Таблица 2.4. Перераспределение влаги в свежеубранной зерновой массе пшеницы (по Л. А. Трисвятскому)

Время, прошедшее после уборки | Влажность, %
Зерно пшеницы | Семена сорняков
Сразу после уборки | 15,2 | 58,2
На току: через 12 ч | 15,7 | 50,8
24 ч | 16,1 | 41,3
48 ч | 16,9 | 28,0
72 ч | 17,8 | 23,1

Теплофизические свойства. При сушке и хранении зерновых масс учитывают теплоемкость, тепло- и температуропроводность и термовлагопроводность.

Теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг зерна или семян на 1 оС, и выражается в Дж/(кг∙К).

Теплоемкость сухого вещества зерна составляет 1550 Дж/(кг∙К) или 0,3 ккал/(кг∙оС). Таким образом, чем выше влажность зерна, тем выше его теплоемкость. Высокая теплоемкость влажного зерна может привести к перегрузу его при сушке, поэтому температура зерна при первом пропуске через сушилку строго контролируется и при влажности его около 26−30 % составляет 36−38 оС. Продолжительность сушки при этом увеличивается.

Теплопроводность зерновой массы очень низкая и составляет 0,13−0,20 Вт/(м∙К), что обусловлено ее органическим составом и наличием большого количества воздуха. При повышении влажности зерновой массы увеличивается и теплопроводность ее, но в целом она остается невысокой.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры в зерновой массе, т. е. ее теплоинерционные свойства. Она в тысячи раз ниже, чем у хороших проводников.

Зерновые массы обладают большой тепловой инерцией. Низкие
тепло- и температуропроводность при хранении зерновых масс имеют как положительное, так и отрицательное значение. Своевременно проведенное охлаждение позволяет сохранять зерновые массы при низкой температуре даже в теплое время года. Это существенно тормозит биологические процессы в них, и потери не превышают естественной убыли. Если же по каким-либо причинам в зерновой массе образуются участки с повышенной биологической активностью, то выделяемое при этом тепло крайне медленно перемещается по профилю продукции и приводит к повышению ее температуры.

Термовлагопроводность — это перемещение влаги в зерновой массе вместе с потоком тепла, обусловленное градиентом температуры. Плохая тепло- и температуропроводность приводит к перепадам температур различных участков зерновой массы. По направлению потоков тепла мигрирует влага в виде пара и конденсируется на поверхности зерна. Количество капельножидкой влаги может быть значительным и достаточным для активизации процессов жизнедеятельности компонентов зерновой массы, а также для набухания и прорастания зерна и семян. Установлено, что перемещение влаги по направлению потока тепла происходит в насыпи зерна или семян любой влажности (в том числе и ниже критической) и в любом направлении.