Теплофизические свойства зерна

14.07.2015

Зависимости удельной теплоемкости зерна пшеницы и кукурузы от влагосодержания показаны на рисунках 27 и 28. Для построения графиков были обобщены разные данные.
В обоих случаях удельная теплоемкость сухих веществ равна 0,3 ккал/кг*град; на графиках видно также, как изменяется степень влияния поглощенной зерном влаги на eго удельную теплоемкость при 11,5% влагосодержания. Это обусловлено изменением теплоемкости связанной воды, что проанализировано выше.

Ho по абсолютному значению удельная теплоемкость пшеницы и кукурузы несколько различается. В пределах 10—35% влагосодержания зависимость ее от влагосодержания описывается следующими выражениями:

Данных о влиянии влагосодержания на удельную теплоемкость зерна других культур меньше; поэтому достоверность их обобщения ниже. Для риса-зерна в диапазоне влагосодержания 9,2—27,2% есть 11 точек, которые хорошо укладываются на прямую, описываемую уравнением

Это уравнение с небольшой погрешностью действительно и для ошелушенного и шлифованного риса.
Для овса и овсяной крупы имеются только пять точек, и для вывода уравнения данных недостаточно.
Таким образом, для каждой культуры зависимость удельной теплоемкости от влагосодержания имеет индивидуальный характер. Скорее всего это связано с различием в химическом составе зерна, в особенности с соотношением белка и крахмала. Интересно, что зависимость для риса и крахмала почти одинакова

Имеются некоторые данные и по зависимости удельной теплоемкости от влагосодержания для анатомических частей зерна. С.П. Колосков и Шефер приводят результаты своих определений для эндосперма и отрубей, представляющих собой, как известно, органическое целое оболочек и алейронового слоя. Оказалось, что значения удельной теплоемкости их выше, чем эндосперма. Так, для сухого вещества она при температуре 20°С равна 0,344 ккал/кг-град, при 40°С — 0,388 ккал/кг-град, при 50° С — 0,432 ккал/кг-град.
Для целого зерна температурная зависимость удельной теплоемкости определена разными авторами от 0,002 до 0,006 ккал/кг-град на 1°C. Поэтому до получения точных данных условно можно принять следующее выражение:

На рисунке 29 приведены полученные нами экспериментальные данные о влиянии влагосодержания на температуропроводность неподвижного и движущегося зернового слоя и единичного зерна пшеницы; последние два графика имеют качественный характер.
На этих графиках также выявляется критическая область по влагосодержанию, соответствующая второй критической точке изотермы сорбции воды зерном.
Характерно, что температуропроводность единичного зерна выше, чем зернового неподвижного слоя, не менее чем в три раза. Данные для движущегося слоя получены при скорости его движения 15 см/мин.
Примерно с такой же скоростью движется зерно в воздушно-водяных кондиционерах.

Движение зернового слоя несколько повышает скорость его прогрева, однако эти положительные изменения не столь велики, как для единичного зерна. Поэтому для ускорения прогрева зернового слоя необходимо вести процесс так, чтобы теплоноситель или теплоотдающие поверхности непосредственно взаимодействовали с каждым отдельным зерном. Это осуществимо при условии интенсивного перемешивания слоя или же особой конструкции теплообменных аппаратов, обеспечивающей контакт каждого зерна с поверхностью радиаторов. Можно также для нагрева зерна использовать струю насыщенного пара, поступающего в его слой; такие рекомендации сформулированы нами ранее в 1956 г. Жизнь показала их правильность. В настоящее время широко применяют скоростное кондиционирование зерна, при котором осуществляются его нагрев и увлажнение паром. На некоторых мельницах используют предварительный нагрев зерна перед воздушноводяным кондиционеров в специальном паровом шнеке или паровой колонке.
Разрабатываются сушилки с кипящим слоем, а в зерносушилке конструкции Любошица зерно нагревается в аэрофонтанной трубе.
Во всех этих случаях обеспечивается быстрый нагрев зерна, что улучшает условия ведения технологического процесса гидротермической обработки или же сушки зерна и способствует снижению затрат на их осуществление.
Конкретная зависимость температуропроводности неподвижного слоя зерна пшеницы в диапазоне 10—20% влагосодержания может быть описана следующим уравнением:

В диапазоне влагосодержания 20—30% эта зависимость отрицательна:

Для неподвижного слоя зерна кукурузы при влагосодержании до 30% температуропроводность снижается по закону прямой

Данных для других культур почти нет. Однако, если есть данные о теплоемкости, плотности и теплопроводности, температуропроводность можно определить расчетным путем по следующему соотношению:

Теплопроводность зерна с повышением влагосодержания и температуры возрастает. Можно рекомендовать следующие формулы. Для неподвижного слоя пшеницы при температуре 20°С и влагосодержании 5—25%

Для остальных культур данные очень ограниченны. Рис-зерно в неподвижном слое, по данным Коратеева и Серых, имеет более высокую теплопроводность, чем слой пшеницы. Путем обработки их данных получаем уравнение при влагосодержании 15—27%:

Размер влияния температуры на теплопроводность зерна не выявлен в количественном виде. Для отрубей имеются данные С.П. Колоскова.

Хуже изучен процесс теплообмена зерна с теплофизической точки зрения. Расчет коэффициента теплообмена при нагреве зерна конвективным путем в воздушной струе показывает, что в этом случае коэффициент равен 20—25\ккал/м*ч*град (23—29 кДж/м*с*град), а при подаче струи пара в слой зерна величина а повышается в 5—6 раз. Благодаря этому единичное зерно полностью прогревается при обработке паром в течение нескольких секунд, в то время как в струе воздуха на этот процесс затрагивается почти в 10 раз больше времени.
Экспериментально определили величину коэффициента теплопередачи в воздушно-водяном зерновом кондиционере; она оказалась равной 33,4— 35,3 ккал/м*ч*град.
Критерий Био имеет следующие ориентировочные значения: при конвективном нагреве 0,15—0,25; при непосредственном нагреве паром 1,0—1,5.
По физическому смыслу критерий Био определяет относительную интенсивность теплообмена тела с окружающей средой. Его значения показывают, что при конвективном нагреве процесс лимитируется только температурным напором, а при нагреве струей пара вместе с этой величиной равнозначным становится и перепад температуры внутри зерна, обусловленный его температуропроводностью.
Приводимые выше значения теплофизических коэффициентов позволяют рассчитать значения критериев Fo и Ki для тех или иных конкретных условий процесса тепловой обработки зерна.