Гидротермические свойства зерна

14.07.2015

Гидротермические свойства зерна определяют конкретные особенности развития процессов внешнего влагообмена и внутреннего влагопереноса в зерне в данных условиях. Для их оценки необходимо иметь сведения зависимости от параметров процесса значений перечисленного выше комплекса термодинамических характеристик и коэффициентов влагопереноса.
Развитие потенциальной теории влагопереноса привело к установлению понятия потенциала влагопереноса, В соответствии с этой теорией в изотермических условиях плотность потока влаги прямо пропорциональна градиенту потенциала. Уравнение (49) представляет собой закон влагопроводности и определяет молекулярно-молярный перенос жидкости и молекулярный перенос пара, происходящие под влиянием капиллярных и диффузионно-осмотических сил. В качестве потенциала влагопереноса выступает некоторая термодинамическая величина, которая может быть определена экспериментально.
Для практического определения термодинамических характеристик влагопереноса В.В. Красников предложил простой и надежный метод. Используя этот метод, находим, что в пределах 10—25% влагосодержания и температуры 20—50°C экспериментальный потенциал влагопереноса для зерна пшеницы может быть найден из следующего соотношения:

Гидротермические свойства зерна

Эти уравнения можно использовать в расчетах.
Удельная изотермическая влагоемкость Cm служит количественной характеристикой связи влаги с материалом в гигроскопической области. Она является интегральным показателем, позволяющим определить влагоаккумулирующую способность тела. Из определения влагоемкости Cm следует, что ее величина должна уменьшаться с увеличением влагосодержания и температуры; данные В.В. Красникова подтверждают это.
Гидротермические свойства зерна
Гидротермические свойства зерна

Наши данные для трех температур приведены на рисунке 30. При температуре 20° С величина Cm вначале быстро уменьшается и проходит через минимум в области, соответствующей значению Wmin. В области второй критической точки изотермы сорбции воды, наоборот, выявляется максимум; после этого по мере приближения к гигроскопической точке величина Cm→0. При температуре 50 и 80°С графики расположены ниже, чем при 20° С, что соответствует физической сущности величины Cm.
Зависимость влагоемкости от температуры приведена также на рисунке 29; в качестве исходных данных взяты данные Фридриха. 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, представляющий собой первую производную потенциала влагопереноса по температуре при постоянном влагосодержании (dΘ/dT)и, определяет изменение величины Θ под влиянием температуры. Литературные данные не выявляют четкой зависимости его от режимных параметров процессов обработки зерна. Согласно расчету, (dΘ/dT)и линеино возрастает с увеличением влагосодержания зерна по уравнению
Гидротермические свойства зерна

При влагосодержании выше 15% температурный коэффициент влагопереноса возрастает по экспоненте при увеличении температуры (рис. 31).
Таким образом, все три термодинамические характеристики влагопереноса зависят и от влагосодержания, и от температуры зерна.
Аналогичный результат получен В.Е. Якимовичем для зерна риса.
Рассмотрим, как влияют эти параметры на коэффициенты влагопереноса. Основное значение имеет коэффициент диффузии влаги, который по уравнению (50) при изотермических условиях и установившемся градиенте 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 зерна, поскольку степень изменения технологических свойств зерна находится в тесной зависимости от особенностей процесса переноса влаги, его механизма.
Однако авторы пренебрегают зависимостью коэффициента диффузии влаги от влагосодержания. Это обусловлено методическими особенностями использованного ими метода отыскания величины am, основанного на решении уравнения диффузии Фика. Известно, что решение его возможно только при постоянном значении коэффициента диффузии.
Гидротермические свойства зерна
Гидротермические свойства зерна
Гидротермические свойства зерна

Влияние влагосодержания изучено в работах; полученные результаты для комнатной температуры приведены на рисунке 32. Наблюдается заметное расхождение данных.
Как влияет влагосодержание на коэффициент диффузии влаги в единичном зерне пшеницы, показано на рисунках 33 и 34. Видно, что величина коэффициента диффузии влаги уменьшается с увеличением влагосодержания. Это указывает на молекулярный механизм влагопереноса в зерне в изученной области влагосодержания.
Видно также, что значения величины am заметно зависят от биологических и структурных особенностей зерна: для твердой пшеницы значение коэффициента диффузии влаги меньше, чем для мягкой, даже при одинаковой стекловидности.
Особенно наглядно влияние структуры зерна на величину коэффициента am 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 отволаживали. Затем образцы повторно увлажнили, после чего и проведено определение коэффициента диффузии влаги. В результате двукратного увлажнения стекловидность зерна снизилась с 97 до 75% при влагосодержании 20% и до нуля при влагосодержании 28%.
Особенно резко уменьшается стекловидность после 20% влагосодержания, но коэффициент диффузии влаги увеличивается. Видимо, благодаря необратимому разрушению первоначальной плотной стекловидной структуры эндосперма он приобрел свойства капиллярно-пористого тела. Поэтому величина коэффициента диффузии влаги увеличивается. Для полностью мучнистого зерна при влагосодержании выше 28% величина коэффициента аm постоянна.
Для белой зубовидной кукурузы и мягкой пшеницы величины коэффициента аm одинаковы. По-видимому, это связано с наличием у зерна кукурузы крупного зародыша, который играет заметную роль во внутреннем переносе влаги, а также со слабым развитием роговидного слоя у зубовидной кукурузы.
При иммерсионном увлажнении зерна мягкой пшеницы (Безостая 1 и Саратовская 29) резкое воздействие на структуру зерна, а также наличие в зерне большого количества слабо связанной воды существенно повышает интенсивность внутреннего влагопереноса; значения коэффициента аm выше на целый порядок по сравнению с переносом влаги при «холодном» кондиционировании. Для практических расчетов можно принять, что для высокостекловидного зерна при влагосодержании 15—20% аm=const=2*10в-11 м2/с, а для мучнистого am=4*10в-11 м2/с.
Обрабатывая данные Бэккера и Солленза, находим, что в области 8—20% влагосодержания коэффициент аm имеет величину 10в-12 м2/с, а при влагосодержании менее 8% — на порядок ниже.
Если влиянием влагосодержания на величину коэффициента диффузии влаги некоторые авторы необоснованно пренебрегают, то влияние температуры процесса признается всеми, как отечественными, так и зарубежными исследователями. Однако анализ работ показывает, что их методический аппарат не соответствует современному уровню учения о тепло-массопереносе. Так, в качестве потенциала переноса влаги авторы принимают следующую величину:
Гидротермические свойства зерна

Раскрытие этого выражения показывает, что величина P равна (W0-Wn), т. е. разности начального влагосодержания зерна и влагосодержания его поверхности, что не соответствует физической сущности процесса внутреннего влагопереноса.
Следует отметить, что использованный в этих работах метод представляет собой метод нестационарного потока влаги при изотермических условиях. В этом случае на расчетные формулы налагается строгое ограничение. Их можно использовать только при критерии Fom≤0,1, т. е. только для начала процесса, когда влагосодержание вдали от поверхности (т. е. в центре зерновки) остается постоянным, равным начальному значению, или, что в принципе то же самое, перепад потенциала переноса влаги внутри тела должен быть незначительным.
Примерный подсчет показывает, что при иммерсионном 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 могут явиться лишь качественной оценкой особенностей влагопереноса в зерне.
Гидротермические свойства зерна

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 переноса влаги существенно ниже, чем при обезвоживании. На величину коэффициента диффузии влаги влияют также биологические особенности зерна: кривая 2 получена для твердой пшеницы, а кривая 1 — для мягкой.
По Л.М. Никитиной, повышение температуры вызывает увеличение коэффициента аm. Ho его значения на два порядка выше, чем по данным иностранных авторов. Это может быть частично связано с тем, что Л.М. Никитина определяла значение коэффициент диффузии влаги аm для зернового слоя, а метод Беккера разработан для единичного зерна. Ho основное значение имеют, видимо, те принципиальные допущения, которые приняты Беккером при разработке методики определения коэффициента диффузии влаги; в особенности существенно сказалось пренебрежение зависимостью коэффициента аm от влагосодержания (при иммерсионном увлажнении в течение нескольких часов влагосодержание зерна изменяется очень существенно).
Кроме того, у Л.М. Никитиной влагосодержание зерна в каждом опыте было неизменным, а в опытах Шелленбергера и других — изменялось в большом диапазоне. Это имеет принципиальное значение. Непрерывное изменение влагосодержания зерна в процессе опыта приводит к непрерывному изменению всех параметров, характеризующих процесс внутреннего переноса влаги.
С изменением степени гидратации веществ зерна изменяются энергия связи влаги, интенсивность переноса влаги и сам механизм ее переноса. Наряду с этим существенное влияние на развитие процесса внутреннего переноса должны оказывать такие явления, как набухание веществ, структурные преобразования анатомических частей зерна, а также различные биохимические и физиологические процессы.
Важным выводом из работы Л.М. Никитиной является то, что коэффициент диффузии влаги зависит и от удельного влагосодержания, и от температуры, и от биологических особенностей зерна,
Четко выявлено влияние температуры на коэффициент диффузии влаги в работе В.П. Дубровского и А.С. Гинзбурга. Они указывают, что это влияние выражается степенной зависимостью вида
Гидротермические свойства зерна

Показатель степени k увеличивается с повышением влагосодержания и не зависит от температуры; его значения колеблются от 8 до 18.
В наших опытах проанализировано влияние температуры в диапазоне 20—50° С, т. е. для тех значений температуры, которые используют при гидротермической обработке зерна. Внутренний влагоперенос изучали при обработке (отволаживание или прогрев) предварительно увлажненного на 3% зерна, а также при иммерсионном увлажнении его. Опыты при повышенных температурах проводили с мягкой пшеницей Безостая 1 стекловидностью 97%.
Гидротермические свойства зерна

Как видно из рисунка 36, значения коэффициента аm для единичного зерна пшеницы ниже на два порядка, чем для переноса влаги в зерновом слое. При повышении температуры до 50° С значение коэффициента диффузии влаги возрастает почти на порядок — с 2*10в-12 м2/с до 0,9*10в-11 м2/с, а поданным Сахарова, даже до 2*10в-10 м2/с. Таким образом, при «горячем» кондиционировании пшеницы при температуре 50—55° С интенсивность внутреннего переноса влаги в единичном зерне выше на целый порядок по сравнению с «холодным» кондиционированием при температуре 20° С.
Резко возрастает также интенсивность различных физико-химических процессов, сопровождающих внутренний перенос влаги в зерне, и степень преобразования технологических свойств зерна при гидротермической обработке.
Зависимость коэффициента диффузии влаги от температуры в пределах 20—50° С (см. рис. 35) может быть описана уравнениями:
Гидротермические свойства зерна

При обработке иностранных данных получаем, что показатель k степени при величине T равен 19—46 для разных режимов обработки зерна (табл. 7).
Видим, что при гидротермической обработке температура сильнее влияет на интенсивность внутреннего влагопереноса в зерне, чем при иммерсионном увлажнении. Это имеет большое практическое значение. Повышение температуры обеспечивает резкое сокращение периода времени, необходимого для завершения технологических преобразований в зерне. В практике мукомольного и крупяного производства это явление давно реализуется: для гидротермической обработки зерна используют воздушно-водяные кондиционеры, а также пропаривание зерна хлебных и крупяных культур. В последнее время для быстрого прогрева зерна до заданной температуры на некоторых мельницах стали применять кратковременную обработку зерна паром в специальных паровых шнеках или колонках, что позволило значительно повысить эффективность «горячего» кондиционирования зерна.
Гидротермические свойства зерна

В зерносушении А.С. Гинзбург и В.А. Резчиков также предложили ввести предварительный быстрый прогрев зерна перед поступлением его в сушилку. В результате этого процесс сушки зерна значительно ускоряется, а его технологические свойства улучшаются.
При понижении давления атмосферы величина коэффициента аm изменяется незначительно. В наших опытах при конвективной сушке зерна пшеницы было получено значение аm= 2,6*10в-11 м2/с, а при сушке в вакууме (P=10 мм рт. ст.) аm=4,4*10в-11 м2/с. Как влияет повышенное давление, необходимо еще изучить.
Рассмотрим теперь уравнение плотности потока влаги (48). Коэффициент пропорциональности λm является аналогом коэффициента теплопроводности в уравнении закона Фурье и поэтому был назван коэффициентом влагопроводности. Он определяет способность влажного материала к переносу влаги при наличии градиента потенциала VΘ, т. е. является мерой интенсивности влагопереноса при VΘ=1°М/м.
В литературе значения коэффициента влагопроводности не приведены. Для определения значения коэффициента λm для различных случаев обработки зерна было использовано уравнение
Гидротермические свойства зерна

Поскольку в диапазоне влагосодержания 10—25% коэффициент диффузии влаги почти не изменяется, то зависимость коэффициента λm от влажности определяется величиной Cm; в этом случае график аналогичен графику, приведенному на рисунке 30. Однако абсолютные значения коэффициента λm изменяются незначительно. Можно принять, что в области влагосодержания 10—25% λm=const= 1,5*10в-10 кг/м-с-°М.
Зависимость от температуры определяется уравнением (72). Так как значения удельной изотермической влагоемкости Cm с повышением температуры уменьшаются незначительно, а величина аm быстро возрастает, то значения коэффициента λm также увеличиваются. Ho в пределах применяемой при гидротермической обработке зерна температуры порядок величины коэффициента влагопроводности не изменяется.
Входящий в уравнение (49) коэффициент термовла-гопроводности δ характеризует относительный термический перенос влаги в виде жидкости и пара; этот коэффициент, зависящий от влагосодержания, определяет величину перепада влажности в теле при перепаде температуры на один градус. Таким образом, произведение аm ρоδ является мерой интенсивности переноса влаги при градиенте температуры, равном единице. Коэффициент термовлагопроводности для зернового слоя можно определить по формуле (40), а для единичного зерна — по формуле (41).
Гидротермические свойства зерна

В литературе сведения о значении коэффициента термовлагопроводности для зерна немногочисленны. Для диапазона влагосодержания 1,7—13,1 и 28—40% данные приводит А.В. Лыков, а для влагосодержания 15,8—18,3% — А.С. Панич. В виде графиков данные о значении коэффициента термовлагопроводности показаны на рисунке 37. Как видно, они заметно отличаются друг от друга. Поэтому был сделан расчет коэффициента термовлагопроводности для зерна. Для расчета использовали литературные данные по наблюдению за перемещением влаги в зерновом слое под влиянием температурного градиента.
При влагосодержании до 3,5% перенос влаги не происходит, но уже при 4,6% разность во влагосодержании наружного и внутреннего слоев зерна регистрируется надежно, т. е. имеет вполне определенное значение. При дальнейшем увеличении влагосодержания коэффициент термовлагопроводности возрастает и при 15—17% проходит через максимум. Подобная зависимость наблюдается и для других материалов.
По абсолютному значению коэффициент δ не превышает 0,4%/град. Кроме того, наблюдения показывают, что установление высокого значения коэффициента б требует большой длительности опыта. Учитывая это, а также то, что при гидротермической обработке градиент температуры в зерновом слое существует не более 1 ч (обычно — 0,25—0,5 ч), можно предположить, что влияние термовлагопроводности на внутренний перенос влаги в зерне невелико.
При расчете коэффициента δ для единичного зерна по формуле (41) значения его лежат ниже, а зависимость от влагосодержания в пределах 10—30% получается прямолинейной (см. рис. 35). При повышении температуры график смещается вверх, т. е. значения коэффициента термовлагопроводности увеличиваются; возрастает и наклон графика к оси влагосодержаний, что указывает на повышение при этом степени влияния влагосодержания на коэффициент δ. По-видимому, это связано с понижением энергии связи влаги при возрастании температуры.
Для зерна риса значения коэффициента δ рассчитал В.Е. Якимович. График зависимости коэффициента δ от влагосодержания проходит через максимум; наибольшее значение равно при температуре 20° С — 0,278; при 30°С —0,277 и при 50° С — 0,276 кг/кг-°К, т. е. практически не зависит от температуры; максимум соответствует 18,8; 18,3 и 16,1% для этих температур.
Влияние большого количества факторов на внутренний влагоперенос в зерне определяет огромные трудности, стоящие на пути математического анализа этого процесса. Большие затруднения вызывает даже формулировка такой задачи, определение начальных и граничных условий. Поэтому большое значение имеет применение для наглядного анализа теории подобия, созданной трудами советских ученых.
Было проведено определение необходимых для этого обобщенных переменных (критериев) Fom, Pn, Lu, Kim. Несмотря на практическую важность этих критериев, в литературе, кроме нашей работы, имеется только единичное упоминание об определении критерия Lu. Для зернового слоя его величина авторами найдена равной 3,2*10в-3. Данные о величине остальных критериев не обнаружены.
Гидротермические свойства зерна

Зависимость критерия Fom от влагосодержания, установленная при обработке наших экспериментальных данных, приведена на рисунке 38. Заметно некоторое влияние режима обработки зерна на абсолютные значения критерия Fom, а также на характер изменения его вдоль оси влагосодержания. Ho во всех случаях значения критерия Fom не превышают 0,1. Это значит, что процесс внутреннего переноса влаги как при увлажнении, так и при сушке зерна полностью лежит в нестационарной области. В этом случае наблюдается непрерывное изменение влагосодержания и энергии связи влаги в каждой точке тела, а также изменяются термодинамические характеристики материала. В связи с этим точный математический анализ процесса внутреннего влагопереноса в зерне в полной мере неосуществим.
Для критерия Pn получены, исходя из данных Моот, следующие значения: при 5% влагосодержания 0,5, при 10% — 1,0, при 15% — 1,2.
При расчете критерия Лыкова были использованы значения коэффициента температуропроводности, полученные в нашем экспериментальном исследовании. На рисунке 39 показаны графики изменения критерия Lu в процессе сушки зерна в зависимости от влагосодержания. Значения критерия Lu быстро уменьшаются и затем остаются неизменными, доходя до 0,5*10в-4—1,0*10в-4. Таким образом, интенсивность развития температурного поля в зерновке в 10в4 раз превышает интенсивность развития поля влагосодержания. Значит, на практике термовлагопроводность не играет существенной роли во внутреннем влагопереносе и при анализе процесса гидротермической обработки может быть из рассмотрения исключена.
Гидротермические свойства зерна

Для случая гидротермической обработки и сушки зерна процессы переноса тепла и влаги можно рассматривать порознь. Это обусловлено особыми структурными свойствами зерна, прежде всего отсутствием в эндосперме макрокапилляров. Возможно, это действительно и для некоторых других пищевых продуктов, но вопрос требует самостоятельного изучения. Для макаронного теста значения критерия Lu равно 0,9*10в-4, т. е. совпадает с полученным значением для зерна.
Критерий Кирпичева для изотермических условий определяется выражением:
Гидротермические свойства зерна

поскольку (dΘ/dT)u=0. Следовательно, его величина изменяется от нуля до двух. При этом чем ниже значение критерия Кирпичева, тем меньше сопротивление внутреннему переносу влаги и тем меньше вероятность растрескивания материала.
На рисунке 40, где показаны изменения величины критерия Kim в зависимости от влагосодержания зерна при обезвоживании в разных режимах, графики развиваются так, что левая ветвь стремится пересечь ось влагосодержаний при 10—11% влагосодержания. Видимо, начиная с этого влагосодержания в эндосперме зерна развиваются необратимые структурные преобразования. Выше было показано, что это значение соответствует началу капиллярной конденсации влаги в межмолекулярных промежутках биополимеров зерна.
На рисунке 41 показана зависимость критерия Lu от массообменного критерия Fom для некоторых случаев обезвоживания зерна. Видно, что в большом диапазоне критерия Fom критерий Lu равен 1*10в-4.
Гидротермические свойства зерна
Гидротермические свойства зерна

Начальный этап процесса обезвоживания зерна характеризуется сложной зависимостью критерия Lu от критерия Fom, причем в некоторых случаях значения критерия Lu могут достигать 1,5*10в-3, что только в два раза ниже, чем для зернового слоя.
Зависимость массообменного критерия Кирпичева от массообменного критерия Фурье для процесса обезвоживания зерна в разных условиях показана на рисунке 42. Для каждого конкретного сочетания параметров режима зависимость выражается сложными кривыми, что связано с экстремальным развитием графиков Fom-W и Kim-W (см. рис. 38 и 40). Однако можно представить генеральную зависимость в виде двух прямых: при температуре 20° С значения критерия Kim с увеличением значения Fom возрастают, при 45° С (т. е. при повышенной температуре процесса) — снижаются. Ho эта зависимость действительна только для исследованных диапазонов назначений критериев Fom и Kim и имеет качественный характер.
Итак, процессы переноса в зерне регулируются исходными теплофизическими и гидротермическими свойствами зерна. Безразлично, каким образом воздействуют на зерно, т. е. каков режим обработки, все равно характер процесса в основных чертах остается неизменным.
Анализ показывает, что все коэффициенты и обобщенные переменные, характеризующие теплофизические и гидротермические свойства зерна, не являются постоянными величинами, но зависят от параметров процесса тепловлагопереноса: влагосодержания, температуры, биологических особенностей зерна и некоторых других факторов. Однако для практических расчетов можно пренебречь влиянием температуры на удельную изотермическую влагоемкость, а влиянием влагосодержания — на коэффициент влагопроводности, коэффициент диффузии влаги при гидротермической обработке и критерий Лыкова, также при гидротермической обработке. Чрезвычайно низкое значение этого критерия определяет возможность пренебрежения термовлагопроводностью, вклад которой в общий влагоперенос в зерне очень мал. Видимо, для единичного зерна теплообмен влияет на влагообмен не благодаря возникновению градиента температуры Vt, а косвенно. Повышение температуры вызывает заметные изменения физикохимических свойств веществ зерна и поглощенной ими воды. В частности, уменьшается энергия связи, вода становится более подвижной, что приводит к повышению скорости ее переноса (возрастает коэффициент аm). Ho градиент температуры играет незначительную роль.
Гидротермические свойства зерна

Все эти допущения существенно упрощают анализ процесса переноса влаги в зерне; поэтому можно поставить вопрос о его математическом рассмотрении.
Зависимость температуропроводности от влагосодержания показывает, что наилучшие условия для теплопереноса в зерне наблюдаются при 15—19% влагосодержания, обычно применяемых при гидротермической обработке.
Важное значение имеет установленный нестационарный характер влагопереноса при самых различных режимах обработки зерна. Наконец, следует отметить, что особенности зависимости от влагосодержания различных величин, характеризующих теплофизические и гидротермические свойства зерна, позволяют определить особое значение установленных выше критических точек изотермы сорбции воды зерном, что видно из соответствующих графиков.