1.2. Фізичні властивості зернових мас

Зернова маса має певні фізичні властивості — сипкість, самосор-тування, шпаруватість, здатність до сорбції та десорбції різних па­рів і газів (сорбційна ємність), тепло-, температуро- і термоволого­провідність, теплоємність. Знання і врахування фізичних властиво­стей зернових мас набувають особливого значення у зв'язку з меха­нізацією й автоматизацією процесів обробки зерна в потоці, впрова­дженням нових способів сушіння, застосуванням пневматичного транспорту та зберіганням значних партій його у великих сховищах (силосах сучасних елеваторів, металевих бункерах, на складах).

Сипкість — це здатність зерна і зернової маси переміщу­ватися по поверхні, розміщеній під певним кутом до гори­зонту. Правильно використовуючи цю властивість і застосовуючи відповідні пристрої та механізми, можна повністю уникнути затрат ручної праці при переміщенні зернових мас норіями, конвеєрами і пневмотранспортними установками, самопливом, завантажуванні в різні за розмірами і формою транспортні засоби (автомашини, ваго­ни, судна) та сховища (засіки, склади, траншеї, силоси елеваторів).

Сипкість зернової маси характеризується кутом тертя, або кутом природного схилу. Кут тертя — найменший кут між основою і схилом насипу, за якого зернова маса починає ковзати по поверхні. При ковзанні зерна по зерну його називають кутом природного схи­лу, або кутом скочування (табл. 2).

Найбільшу сипкість і найменший кут схилу мають маси насіння кулястої форми (гороху, проса, люпину). Чим більше форма зерен відрізняється від кулястої і чим шорсткуватіша їх поверхня, тим менша сипкість зернової маси. Зерна продовгуваті, тонкі, з квітко­вими плівками (рису-сирцю, окремих сортів вівса, ячменю та ін.) також менш сипкі.

На сипкість зернової маси впливає багато факторів: грануломет­рична будова та гранулометрична характеристика (форма, розміри, характер і стан поверхні зерен), вологість, кількість домішок та їх видовий склад, матеріал, форма і стан поверхні, по якій самопливом перемішується зернова маса.

Наявність домішок, особливо легких і дрібних з шорсткуватою поверхнею, також знижує сипкість зернової маси. Аналогічно впли­ває на сипкість підвищення вологості зернової маси, за винятком тієї, що складається з кулястих зерен з гладкою поверхнею. Сип­кість зернової маси знижується при зберіганні внаслідок ущільнен­ня, що є побічним показником стану зерна.

Самосортування — це властивість зернової маси втра­чати свою однорідність під час переміщення і вільного па­діння. Вона зумовлюється сипкістю зернової маси і неоднорідністю твердих часточок, що входять до її складу. Як позитивне явище, са­мосортування використовується в практиці очистки та сортуванні зернових мас. Відбувається при її переміщенні й струшуванні, зава­нтажуванні та розвантажуванні сховищ і силосів елеваторів. На­приклад, під час перевезення зерна в автомашинах або вагонах, пе­ресуванні по стрічкових конвеєрах внаслідок поштовхів і струшу­вань компоненти зернової маси з малою масовою часткою (легкі до­мішки, насіння в квіткових плівках, щуплі зерна тощо) розміщу­ються ближче до поверхні насипу, а з більшою та абсолютною ма­сою — ближче до його нижньої частини.

Самосортуванню при вільному падінні твердих часточок зернової маси (наприклад, під час завантажування силосів, сховищ) сприяє парусність, тобто опір повітря переміщенню кожної окремої часточ­ки. Великі, важкі зерна і домішки з великою масовою часткою і ме­ншою парусністю опускаються прямовисно і швидко досягають ос­нови сховища або поверхні насипу. Щуплі, дрібні зерна й домішки з невеликою абсолютною і масовою часткою та більшою парусністю

опускаються повільніше, відкидаються вихровими потоками повітря до стін сховища або скочуються по поверхні конуса зернової маси. Ця властивість зерна використовується при його очищенні.

Самосортування зернової маси під час його зберігання — явище негативне. Порушення однорідності партії зерна у сховищі заважає правильному його оцінюванню як у силосі, так і під час розванта­жування з нього, спричинює розвиток негативних фізіологічних і мікробіологічних процесів у місцях насипу, де зосереджені компо­ненти з підвищеною життєдіяльністю. Все це призводить до самозі­грівання зернових мас.

Шпаруватість зернової маси — це наявність проміжків між її твердими часточками, заповнених повітрям. Харак­тер фізіологічних і мікробіологічних процесів у зерновій масі зале­жить від кількості та складу повітря в міжзернових просторах (табл. 3).

Шпаруватість зернових мас сприяє передачі теплоти конвекцією, переміщенню вологи через зернову масу у вигляді пари. Через між-зернові проміжки здійснюються сушіння, активне вентилювання і газація зерна.

Внаслідок самосортування шпаруватість у різних місцях зернової маси може бути неоднаковою. Шпаруватість та щільність укладан­ня зерна у сховищі залежать від форми, пружності, розмірів і стану поверхні твердих компонентів, форми і розмірів сховища, а також строку зберігання.

Зернова маса має меншу шпаруватість, укладається щільніше, якщо у ній є крупні і дрібні зерна. Вирівняні зерна, а також шорст­куваті або із зморщеною поверхнею укладаються менш щільно. Во­логе й сире зерно займає більший простір у сховищі, ніж сухе за ін­ших рівних умов. На складах більшого поперечного перетину зерно розміщується щільніше.

При тривалому зберіганні зернова маса ущільнюється, а її шпа­руватість зменшується. Показники шпаруватості та щільності укладання зернової маси можуть змінюватися у досить значних межах. Шпаруватість зерна S визначають за формулою

де V1 — загальний об'єм зернової маси, м3; V— дійсний об'єм твер­дих часточок зернової маси.

Знаючи об'єм, який займає зернова маса, та показник її шпару­ватості, можна визначити об'єм повітря у шпаринах. При застосу­ванні активного вентилювання цю кількість беруть за один обмін.

Сорбційні властивості зернової маси — це її здатність поглинати (сорбувати) з навколишнього середовища пару, запахи різних речовин і гази, а також виділяти (десорбу-вати) їх. У зернових масах спостерігаються такі сорбційні явища, як абсорбція, адсорбція, капілярна конденсація і хемосорбція. Су­марний результат адсорбції, абсорбції, капілярної конденсації, хе­мосорбції називають сорбцією, а ступінь здатності зернової маси по­глинати пару і гази за різних умов — сорбційною ємністю. Остання визначається капілярно-пористою колоїдною структурою зерна і шпаруватістю зернової маси. Окрема зернина як багатоклітинний організм є пористим тілом з великою поверхнею. Клітини і тканини зернин мають численні макро- і мікрокапіляри, перші — переважно в оболонках, а другі — в ендоспермі. Стінки макро- і мікрокапілярів беруть участь у процесах сорбції молекул парів і газів. По системі капілярів переміщується зріджена пара. Активна поверхня зерна становить 20 — 25 см2/г, що у 20 разів перевищує його справжню по­верхню. Тому сорбційні явища відбуваються не лише на поверхні зерна, а й усередині кожного капіляра.

Сорбційні властивості зернової маси мають велике значення при її обробці і зберіганні. Вологість і запах зерна, яке зберігається або обробляється, найчастіше змінюються внаслідок сорбції чи десорбції газів або пари води. Раціональні режими сушіння, активного вен­тилювання, газації та дегазації зерна при знезаражуванні встанов­люють з обов'язковим урахуванням його сорбційних властивостей.

Гігроскопічність зернової маси означає її здатність по­глинати пару води з повітря або виділяти її в навколишнє середовище. Білкові молекули зерна здатні вбирати до 240, а крох­маль — до 30 — 38 % води відносно своєї маси. Гігроскопічність зер­на залежить як від його властивостей, так і від властивостей повітря.

У результаті взаємодії зернової маси з навколишнім середови­щем вологість зерна безперервно змінюється до досягнення рівно­важної вологості.

Волога із зерна переходитиме в повітря під час випаровування, десорбції, сушіння, якщо парціальний тиск водяної пари навколо поверхні зерна (Рп.з) перевищує парціальний тиск водяної пари по­вітря (Рп.п), тобто Рп.з > Рп.п. Волога з повітря сорбуватиметься зер­ном, якщо Рп.з < Рп.п. Чим більша різниця між парціальним тиском пари води у повітрі і навколо поверхні зерна (або навпаки), тим швидше протікає процес перерозподілу вологи. Через певний час у результаті перерозподілу вологи парціальний тиск пари в повітрі та над зерном зрівняється і настане динамічна рівновага (Рп.з = Рп.п). Вологість зерна, яка відповідає стану рівноваги, називають рівно­важною вологістю. Остання залежить від його сорбційних власти­востей (структури, хімічного складу) та від вологості й температури повітря (табл. 4).

Найбільша рівноважна вологість зерна встановлюється при на­сиченні повітря водяною парою до 100 %. Подальше зволоження може відбуватися тільки при вбиранні крапельно-рідкої вологи. Во­логість зерна 7 — 10 % встановлюється за відносної вологості повітря 15 — 20 %. Це найнижча межа вологості зерна у виробничих умовах.

Зерно і насіння зернових, олійних та бобових культур через різ­ний хімічний склад мають неоднакову рівноважну вологість. Най­вища вона у насіння бобових, середня — у зернових і найменша — в олійних культур. Зниження величини рівноважної вологості зумов­люється зменшенням вмісту у зерні гідрофільних речовин. Із зни­женням температури повітря рівноважна вологість зерна і насіння зростає.

Рівноважна вологість окремих зернин у зерновій масі неоднако­ва, оскільки вони мають різні розміри, хімічний склад, виповненість тощо. Неоднакова рівноважна вологість і окремих частин зернівки. Найбільшу гігроскопічність має зародок зерна, найменшу — ендо­сперм. Такий розподіл вологи по частинах зерна сприяє розвиткові мікроорганізмів, які знаходяться на його поверхні.

Процеси сорбції й десорбції відбуваються в зерновій масі у зв'язку з різною вологістю її компонентів. Це особливо характерно для свіжозібраної зернової маси, яка містить зерна основної культу­ри і насінини бур'янів з неоднаковою вологістю. В цьому разі за за­конами сорбційної рівноваги сирі зерна втрачають частину вологи, а сухі її набувають. Такий перерозподіл вологи в зерновій масі по­чинається після її формування і закінчується, як правило, протягом трьох діб.

Рівноважна вологість швидше встановлюється у верхніх шарах насипу (до 30 см). Дія повітря навколишнього середовища на зерно нижніх і середніх шарів насипу є незначною. Тому й вологість зерна в різних шарах насипу неоднакова.

Визначають відносну й абсолютну вологість зерна (у відсотках). Відносна вологість зерна Wв — це відношення маси вологи, яка міститься в зерні (mв), до маси води і сухої речовини mв + mc. Для її розрахунку користуються формулою

Абсолютна вологість зерна Wa — це відношення маси mв во­логи до маси сухого матеріалу (mс):

Теплофізичні властивості зернової маси мають визначаль­ний вплив на ефективність процесів сушіння та активного венти­лювання зерна, а також на його зберігання. Основними параметра­ми теплових властивостей зернової маси є теплоємність, тепло-, те­мпературо- та термовологопровідність. Теплообмінні процеси у зер­новій масі відбуваються шляхом прямої передачі теплоти (кондук-ція, або контактний теплообмін) чи за допомогою повітря, що руха­ється по міжзернових щілинах (конвекція).

Теплоємність зерна характеризується кількістю теплоти, не­обхідної для підвищення температури зерна масою 1 кг на 1 °С. Для вологого зерна її визначають як суму теплоємностей абсолютно су­хого зерна і води:

де— кількість сухої речовини в зерні; Сс — теплоємність

сухоїречовини зерна (Сс= 1550 Дж/(кг К); Св — теплоємність води (Св = 4190 Дж/(кг -К)).

Оскільки теплоємність води майже втричі вища за теплоємність сухої речовини зерна, з підвищенням вологості теплоємність зерна підвищується, що вимагає значного збільшення затрат енергії на нагрівання. Цю властивість враховують при тепловому сушінні зер­на, оскільки витрати палива з розрахунку на 1 кг випаровуваної вологи залежать від початкової вологості зерна,

Теплопровідність зернової маси полягає у її здатності пере­носити теплоту від ділянок з високою до ділянок з нижчою темпера­турою.

Зернова маса через наявність у ній повітряних проміжків має низьку теплопровідність, яка коливається у межах 0,2 — 0,3 Вт/(м К) (для порівняння теплопровідність міді становить 300 — 390, сталі — 68 Вт/(мК). Із збільшенням вологості зернової маси її теплопровід­ність зростає — коефіцієнт теплопровідності води — 0,5 Вт/(м К).

Температуропровідність — швидкість зміни температури в зерні та його теплова інерція. Коефіцієнт температуропровідності зернової маси коливається в межах 1,7 10~7 — 1,9 10~7 м2/с і зале­жить від коефіцієнта теплопровідності (l), питомої теплоємності (С та щільності (d) зерна:

Чим більший показник питомої теплоємності і менша щільність зерна, тим повільніше охолоджуватиметься або нагріватиметься зернова маса.

Висока теплова інерційність, повільне природне охолодження і прогрівання зернової маси можуть відігравати як позитивну, так і негативну роль. Позитивна роль полягає в тому, що при охоло­дженні зернової маси активним вентилюванням низька температу­ра у ній зберігається тривалий час, що дає змогу консервувати зер­нову масу холодом. Негативна дія низької теплопровідності виявля­ється в тому, що теплота, яка утворюється в процесі життєдіяльності зернової маси, може затримуватися в ній і сприяти швидкому під­вищенню температури (через низьку температуропровідність тем­пературна хвиля від осередку тепловиділення поширюється повіль­но). Так виникає самозігрівання зерна, шкідливе своїми наслідками

Термовологопровідність — здатність зернової маси спрямова­но переміщувати вологу із зони з підвищеною температурою разом із струменем теплоти в менш нагріті ділянки. Інтенсивність термо­вологопровідності характеризується термовологопровідним коефіцієнтом d (%/К), що показує, який градієнт вологості відповідає тем­пературному градієнту, рівному одиниці.

Явище переміщення вологи з одних ділянок насипу зерна на ін­ші треба враховувати під час його зберігання, особливо в осінньо-зимовий і весняно-літній періоди, які характеризуються перепада­ми температур між верхніми та внутрішніми шарами насипу. Подіб­ні перепади температур між різними ділянками насипу виникають при нерівномірному обігріванні сонцем стін сховищ, розміщенні те­плої зернової маси на холодних асфальтових підлогах, контакті її з холодними стінами сховищ. Внаслідок термовологопровідності окремі шари насипу сильно зволожуються, а життєдіяльність їх компонентів активізується. В них нагромаджуються теплота і воло­га, створюються умови для самозігрівання та погіршення якості зе­рна (проростання, зниження насіннєвих і продовольчих властивос­тей та ін.). Тому для запобігання небажаним процесам у зерновій масі слід ретельно контролювати температуру і вологість зерна.