Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

14.07.2015

В этой теме рассмотрен комплекс величин, определяющих перенос тепла и влаги в зерновой массе и единичном зерне, а также тепло-влагообмен зерна с окружающей средой.
Зерно представляет собой лабильную систему, чутко реагирующую на малейшие изменения влажности и температуры атмосферы посредством ответного изменения своих физико-химических и технологических свойств. Эти изменения пропорциональны приложенному воздействию, т. е. степени изменения параметров внешней среды. При этом важно, что большое влияние на величину изменения свойств зерна оказывает также интенсивность процессов переноса тепла и влаги в зерне: степень преобразования свойств зерна возрастает при повышении интенсивности.
Следует иметь в виду, что перенос тепла и влаги в зерне происходит постоянно. Нахождение молекул воды в закрепленном состоянии у активных центров ограничивается «временем жизни», равновесие при хранении зерна имеет явно выраженный динамический характер. При изменении же параметров среды термодинамическое равновесие нарушается и зерно переходит в новое равновесное состояние, обмениваясь с атмосферой влагой и теплом.
Особенно велико значение процессов тепло-влагопереноса при сушке и гидротермической обработке зерна.
Особенности процесса переноса тепла определяют следующие величины:
С — удельная теплоемкость, кДж/кг-град;
а — коэффициент температуропроводности, м2/с, определяющий интенсивность развития температурного поля в материале;
λ — коэффициент теплопроводности, кДж/м*с*град;
α — коэффициент теплообмена, кДж/м2*с*град.
Различная комбинация этих коэффициентов с геометрическими характеристиками материала и параметрами внешней среды позволяет составить несколько обобщенных переменных (критериев подобия), определяющих возможность весьма общего анализа процесса переноса тепла. Такими критериями являются следующие.
1. Критерий Био

Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Этот критерий характеризует интенсивность внешнего переноса тепла по сравнению с интенсивностью внутреннего его переноса, не осложненного внутренним влагопереносом.
2. Критерий Фурье (критерий гомохронности)
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Критерий Fo устанавливает взаимосвязь между определяющим размером тела, его температуропроводностью и длительностью процесса; поэтому он выступает в качестве безразмерного времени.
3. Критерий Кирпичева
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Критерий Ki характеризует интенсивность внешнего теплообмена по сравнению с внутренним теплопереносом; таким образом, он представляет собой модифицированный критерий Био.
Особенности развития процесса переноса влаги определяются термодинамическими характеристиками материала и коэффициентами влагопереноса.
К первым относятся следующие величины:
Θ — экспериментальный потенциал влагопереноса, °M;
Cm — удельная изотермическая влагоемкость, кг/кг*°M;
(dΘ/dT)и — температурный коэффициент влагопереноса, °М/град.
Вторые включают в себя:
аm — коэффициент диффузии влаги, м2/с;
λm — коэффициент влагопроводности, кг/м*с*°М;
βm — коэффициент влагообмена, кг/м2*с*°М;
δ — коэффициент термовлагопроводности (термоградиентный).
Коэффициент δ определяет интенсивность внутреннего влагопереноса под воздействием градиента температуры. Его можно определить по формуле.
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Массообменный критерий Кирпичева определяет сопротивляемость материала влагопереносу и поэтому является характеристикой образования во влажном материале трещин, являющихся результатом возникновения закритических напряжений при определенном сочетании интенсивностей внешнего и внутреннего влагопереноса.
Критерий Поснова характеризует относительный перепад влагосодержания, вызываемый перепадом температуры; критерий действителен только для стационарного процесса влагопереноса.
Наконец, имеется критерий А.В. Лыкова, увязывающий между собой интенсивности развития полей влагосодержания и температуры внутри материала в данном процессе тепловлагопереноса
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Все перечисленные выше величины входят в различные соотношения, описывающие процесс переноса тепла или влаги. Так, например, количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу изотермической поверхности (плотность теплового потока), прямо пропорционально градиенту температуры, причем коэффициентом пропорциональности служит коэффициент теплопроводности
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Исходя из существующих соотношений между рассмотренными выше величинами, для неизотермических условий влагопереноса плотность потока влаги описывается также уравнением
Характеристика процессов переноса тепла и влаги в зерне

Таким образом, знать весь комплекс перечисленных выше термодинамических характеристик и коэффициентов тепловлагопереноса необходимо для проведения важных практических расчетов. Кроме того, исследования последних лет позволили установить непосредственную взаимосвязь между характером внутреннего влагопереноса и степенью изменения технологических свойств зерна. Это и понятно, поскольку фактически все изменения в зерне, обусловленные воздействием внешней среды, являются следствием изменения его температуры и влажности.