Интенсификация насыщения зерна влагой

УДК 664.71

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ НАСЫЩЕНИЯ ЗЕРНА ВЛАГОЙ © 2012 г. И.Н. Краснов, Ф.О. Перекрест

Рассмотрены процессы поглощения влаги зерном и основные факторы, влияющие на интенсификацию увлажнения зерна. Получены зависимости по оценке способов интенсификации процесса насыщения зерна пшеницы влагой перед её помолом.

Ключевые слова: зерно, градиент влажности, градиент давления, интенсификация, отволаживание.

The processes of moisture absorption by grain and the major factors influence on an intensification of grain moistening are considered. The estimated dependences of an intensification assessment of wheat grain moisture saturation process before a grinding are received.

Key words: grain, humidity gradient, pressure gradient, intensification, coming-back.

Процессы подготовки зерна пшеницы к помолу сопровождаются его увлажнением и тепловой обработкой, составляющими гидротермическую обработку зерна, которая оказывает влияние на физикомеханические и биологические свойства его, улучшая качество и выход готовой продукции при помоле.

Наиболее важны в этом процессе увлажнение и последующее отволаживание зерна, от способов проведения которых зависит продолжительность подготовки его к помолу. Степень увлажнения и время последующего отволаживания характеризуются видами связи влаги с продуктом. Исследованием этих вопросов занимались многие ученые, в том числе П.А. Ребиндер, А.В. Лыков, Г.А. Егоров, Я.Н. Куприц и другие. По их данным основными видами связи влаги с продуктом являются:

1) химическая связь (const), которая не удаляет и не прибавляет влагу, как в медном купоросе;

2) физико-химическая связь:

- адсорбционная связь, как в оболочках мицелия коллоидных растворов;

- осмотическая связь - связь, при которой вода проникает в растительные клетки;

- структурная связь;

3) механическая связь:

- связь в микрокапиллярах;

- связь в макрокапиллярах;

- связь смачивания.

Дальнейшее изучение вопроса о связи

влаги с зерном не представляется возможным без изучения морфологических особенностей строения зерна пшеницы (рис. 1).

По своему строению и структуре зерно - коллоидное капиллярно-пористое тело, в котором капилляры связывают части зерна [1]. Зерна имеют мелкие каналы и трещины, которые заполняются водой и удерживают ее. Если радиус капилляра

r > 10- 6 м, то давление пара над открытой поверхностью можно считать равным давлению над выгнутой поверхностью воды в капилляре. Если же радиус капилляра r < 10-9 м, то давление пара над мениском снижается.

Рис. 1. Строение зерновки пшеницы:

1 - бородка; 2 - эндосперм; 3 - алейроновый слой; 4 - семенные оболочки; 5 - плодовые оболочки; 6 - зародыш

Граница между макро- и микрокапиллярами по А.В. Лыкову составляет око-

_п

ло 10 м. Давление над мениском микрокапилляра меньше чем давление над открытой поверхностью (давление паров в воздухе будет выше давления над устьем капилляра, что способствует движению влаге вовнутрь зерна).

В макрокапиллярах такого явления не происходит (равнозначно поверхностной влаге смачивания).

В результате длительного выдерживания (взаимодействия наружного воздуха определенной температуры t C и влажности р) с продуктом устанавливается определенное равновесие.

При увлажнении (сорбции или поглощении влаги) равновесное состояние достигается при одновременном прохождении процесса отдачи влаги и поглощения ее продуктом.

Поры сухого зерна заполнены воздухом, сорбированным стенками капилляра. Он препятствует поглощению (сорбции) влаги.

Длительность процесса увлажнения до равновесной влажности увеличивается с понижением температуры наружного воздуха и воды. Это, очевидно, невыгодно. Приходится воздух и воду нагревать до определенной температуры или использовать пар. Однако соображения о сокращении времени увлажнения (отволаживания) и

снижении затрат расходуемой в ходе процесса энергии наводят на мысль о поисках новых методов интенсификации увлажнения.

Для изучения движения влаги в материале зерновки был проведен подробный анализ механизма увлажнения зерна. Процесс увлажнения усложняется тем, что составные части зерна (зародыш, эндосперм, оболочки и пленки) имеют различную гигроскопичность.

Определение количества воды необходимой в процессе увлажнения. Содержание влаги в зерне обычно принято выражать в процентах. В теории и практике увлажнения применяют понятия, определяющие содержание влаги в зерне: влажность на общую массу W, влажность на сухое веществе W и влагосодержание U [1], [4].

Говоря о влажности, будем использовать понятие влажности на общую массу W, а в расчетах использовать Wc .

При увлажнении поверхность зерна смачивается водой и у его поверхности образуется так называемый гидродинамический пограничный слой, через который и происходит диффузия влаги от поверхности зерна к его сердцевине.

Механизм поглощения влаги зерном схематически представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Схема процесса проникновения влаги при увлажнении зерна: 1 - зерно; 2 - пограничный слой; 3 - зона нанесения воды

Очевидно, что результаты увлажнения могут быть обеспечены определенной совокупностью параметров процесса.

Для дальнейшего изучения процессов, происходящих в зерновке, рассмотрим баланс влагосодержания зерна.

В процессе увлажнения с последующим отволаживанием содержание сухого вещества в зерне остается постоянным:

G • a

G =

100

где G0 - содержание сухого вещества в зерне, кг;

G - масса зерна, подаваемого на увлажнение, кг; a - содержание сухого вещества в зерне, %.

Содержание воды в зерне до операций его увлажнения составляет:

G, • о

W =-

100

где W - содержание воды в зерне до его увлажнения, кг;

О - влажность зерна до увлажнения,

%.

После увлажнения с последующим отволаживанием зерновка напитывается влагой и приобретает массу, равную:

G • 100

---,

G2 =

а.

где G - масса зерновки после увлажнения с последующим отволажива-нием, кг;

а - содержание сухого вещества в зерне после его увлажнения, %.

Таким образом, можно определить содержание влаги (воды) в зерне:

G • о

W2 =

100

где W - содержание влаги (воды) в зерне, кг;

О - влажность зерна после его

увлажнения и отволаживания, %.

Очевидно, что содержание сухого вещества в зерне можно определить по следующей зависимости:

G0 = G2 - W2.

Принимая во внимание тот факт, что в процессе увлажнения и отволаживания зерна содержание сухого вещества остается постоянным, из условия материального баланса получим следующую зависимость для определения массы зерна после его увлажнения с последующим отволаживанием:

а

G2 = G • -к а2

С учетом предыдущего выражения для определения массы зерна после его увлажнения с последующим отволаживанием количество необходимой для увлажнения зерна влаги (воды) определяется следующей формулой:

W = W2 - Wx = o2 - Gl = G

a

a,

- G = G 1

a

(- -1), a

22

где W - количество необходимой для увлажнения зерна влаги (воды), кг.

Так как а + — = 100%, а а + г = 100%, то

1 1 2 2

100 - Г — - Г

W = G • (-1 -1) = G • (——L)-

100 - а2

Это выражение позволяет определить один из основных параметров увлажнительной машины - расход воды W, подлежащий дополнительному внесению в зерно пшеницы.

Однако после орошения зерна водой или погружения его в воду и последующих операций транспортировки и отволажива-ния в бункерах часть поверхностной воды с зерен пшеницы испаряется в атмосферу и фактически ее расход на увлажнение несколько выше.

В связи с этим фактическое ее количество на увлажнение будет:

W = к • G ф

— - г

(—----L),

100 - —

где W - фактическое количество воды,

100 - —

одинаковая влажность его наружных и внутренних слоев.

Скорость увлажнения зерна определяется процессами перемещения влаги во внутрь материала и испарением ее с поверхности.

Перемещение влаги внутри материала - диффузионный процесс. Движущей силой в нем является разность концентраций влаги в наружных и внутренних слоях.

Количество влаги G^ (кг), прошедшей через поверхность F (м2), определяется уравнением

/и • F • Vu • т

GW =

где G - количество влаги, прошедшей через поверхность F, м3/с;

r

требуемое для увлажнения заданного количества зерна, кг;

к - коэффициент, учитывающий потери жидкости увлажняемым зерном в атмосферу и на смачивание деталей транспортирующих систем и бункеров.

Факторы, влияющие на интенсификацию проникновения влаги в зерно.

После увлажнения зерна распылением жидкости или погружением в нее на некоторое время часть влаги впитывается плодовыми и семенной оболочками, а также алейроновым слоем. Часть заполняет микротрещины, поры и капилляры, и, наконец, значительная часть воды удерживается поверхностью зерна в результате его смачивания.

В связи с этим наружные слои насыщены влагой в большей мере, чем слои, удаленные от поверхности. Жидкость движется от более насыщенных слоев к менее насыщенным - в эндосперм. Таким образом, одним из фактов движения жидкости при насыщении зерна влагой является не-

ди

Vu =-----градиент влажности, т.е.

дп

изменение влажности на единицу длины зерна, кг/кг; т - время отволаживания, с;

U - коэффициент диффузии или влагопроводимости, град-1; r - условный радиус зерна, м. Диаметр условной частицы

[2, 3]:

b

dy = кф • a •3 — * 3 • а,

J V а

где dy - диаметр условной частицы

(зерна), м; b - длина зерна, м; а - максимальный диаметр

поперечного сечения зерна, м; кф - коэффициент формы, кф = 2.

- коэффициент искажения формы,

3^ * 1,461 [3].

\а

Допустим, что условной формой зерна является шар, тогда площадь его наружной поверхности

F = 4 - ж - r2 = ж - d2

у

22 -1,462 -ж- a2

п 2

9 - ж - a ,

где F - площадь наружной поверхности условной частицы (зерна), м2. Следовательно,

2 Vu

Gw = 9 - ж - и - a-т.

r

Отсюда длительность отволажива-ния за счет диффузии составит:

т _ GW•r

1 9 -ж- /л- a2 -Vu

Второй фактор, влияющий на интенсивность протекания процесса увлажнения, - температурный градиент Vt. Для интенсификации увлажнения зерно должно иметь температуру меньше температуры окружающего воздуха и воды на увлажнение.

Количество перемещаемой воды в зерно за счет температурного градиента определяется по формуле [4]:

Vt - температурный градиент, показывающий разность температур воды и эндосперма зерна;

k - коэффициент тепловой диффузии

(теплопроводимости).

С учетом диффузии и разности температур суммарное количество перемещаемой в зерно влаги будет:

G = Gw + Gt.

Одновременно с поверхности зерна пар диффундирует в окружающий воздух, количество его составит:

GB = B -

где B - коэффициент диффузии;

P , P - парциальное давление пара в

где Gt

L-F- Vt- т

Gt = ~L------

r

количество перемещаемой воды

в зерно за счет температурного градиента, м3/с;

пленке и в окружающем воздухе, Па.

С учетом этого в зерно поступает G = Gw + Gt - GB, килограмм влаги, или

G = 112- r- t-[jU'Vu+kt- Vt - B-r-

Тогда длительность отволаживания при действии рассмотренных двух факторов

будет:

т

2

11200 -r-G-

2 2 W

q

где т2 - длительность отволаживания при действии двух факторов, с;

q - количество жидкости, перемещающейся в единицу времени через единицу площади поперечного сечения зерна, кг ;

2

С - м

5 - коэффициент термовлагопроводности, град-1.

Наряду с этим для интенсификации процесса увлажнения зерна предложены методы его предварительного вакууммиро-вания, что обеспечивает появление нового фактора движения влаги в зерно - перепада давлений или градиента давлений Vp.

Данный фактор обусловлен разностью давлений в зерне и окружающем его воздухе.

Количество поступающей влаги в зерно за счет градиента давлений может быть определено по формуле

G, =

F - т- k -Vp

где G - количество поступающей влаги, м3/с;

r

k - коэффициент баропроводимости

(диффузии вследствие разности давлений);

Vp - градиент давлений, Па/м.

После преобразований данное выражение принимает вид

Gp = 112•т • r • кр • Vp .

Тогда с учетом рассмотренных факторов рассматриваемый процесс протекает

по закону, сформулированному Лыковым и отраженному следующей формулой [4]: q = —к• G •

Отсюда длительность отволаживания при действии трех факторов будет:

т3

11200 • r • G •

q

где т - длительность отволаживания при одновременном действии трех факторов, с.

Анализ этой зависимости показывает возможность искусственной интенсификации процесса увлажнения зерна пшеницы вакуумированием его полостей перед орошением предварительно нагретой водой, что сократит продолжительность его отво-лаживания и затраты на подготовку зерна к помолу.

Литература

1. Лыков, А.В., Теория сушки / А.В. Лыков. - Москва: Энергия, 1968. -472 с.

2. Богомягких, В.А. Интенсификация разгрузки бункерных устройств в условиях сводообразования зерновых материалов / В.А. Богомягких, А.П. Пепчук. - Зерноград, 1995. - 162 с.

3. Рева, А.Ф. Совершенствование процесса истечения сыпучих сельскохозяйственных материалов из глубоких бункеров кормоцехов: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / А.Ф. Рева. - Зерноград, 2000. - 140 с.

4. Кук, Г.А. Теория и расчет основного оборудования предприятий молочной промышленности / Г.А. Кук. - Москва: Аг-ропромиздат, 1934. - 471 с., ил.

Сведения об авторах

Краснов Иван Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедры механизации и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359)37-0-50; 8-928-137-98-08.

Перекрест Федор Олегович - аспирант кафедры механизации и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)41-1-70; 8-909-420-80-68.

Information about the authors

Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the mechanization and production technology and processing of agricultural production department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).

Phone: 8(86359)37-0-50; 8-928-137-98-08.

Perekrest Fyodor Olegovich - post-graduate of the mechanization and production technology and processing of agricultural production department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)41-1-70; 8-909-420-80-68.