Зерновая масса имеет определенные физические свойства — сыпучесть, самосор-вание, скважность, способность к сорбции и десорбции различных паров и газов (сорбционная емкость), тепло-, температуро-и термовологопровиднисть, теплоемкость. Знание и учет физических свойств зерновых масс приобретают особое значение в связи с механизацией и автоматизацией процессов обработки зерна в потоке, внедрением новых способов сушки, применением пневматического транспорта и хранением значительных партий его в больших хранилищах (силосах современных элеваторов, металлических бункерах, на складах ).

Сыпучесть — это способность зерна и зерновой массы перемещаться по поверхности, расположенной под определенным углом к ??горизонту. Правильно используя это свойство и применяя соответствующие устройства и механизмы, можно полностью избежать затрат ручного труда при перемещении зерновых масс нориями, конвейерами и пневмотранспортными установками, самотеком, загрузке в различные по размерам и форме транспортные средства (автомашины, вагоны, суда) и хранилища (закрома , склады, траншеи, силосы элеваторов).

Сыпучесть зерновой массы характеризуется углом трения, или углом естественного склона. Угол трения — наименьший угол между основанием и склоном насыпи, при котором зерновая масса начинает скользить по поверхности. При скольжении зерна по зерну его называют углом естественного склона, или углом скатывания (табл. 2).

Наибольшую сыпучесть и наименьший угол склона имеют массы семян шаровидной формы (гороха, проса, люпина). Чем больше форма зерен отличается от шарообразной и чем шорсткуватиша их поверхность, тем меньше сыпучесть зерновой массы. Зерна продолговатые, тонкие, с цветочными пленками (риса-сырца, отдельных сортов овса, ячменя и др.). Также менее сыпучие.

Таблица 2. Углы естественного склона для зерна различных культур

(По Л. А. Трисвятським)

На сыпучесть зерновой массы влияет много факторов: гранулометрическая строение и гранулометрическая характеристика (форма, размеры, характер и состояние поверхности зерен), влажность, количество примесей и их видовой состав, материал, форма и состояние поверхности, по которой самотеком перемешивается зерновая масса.

Наличие примесей, особенно легких и мелких с шероховатой поверхностью, также снижает сыпучесть зерновой массы. Аналогично влияет на сыпучесть повышения влажности зерновой массы, за исключением той, что состоит из шарообразных зерен с гладкой поверхностью. Сыпучесть зерновой массы снижается при хранении вследствие уплотнения, является побочным показателем состояния зерна.

Самосортирования — это свойство зерновой массы терять свою однородность при перемещении и свободного падения. Она обусловливается сыпучестью зерновой массы и неоднородностью твердых частиц, входящих в ее состав. Как положительное явление, самосортирования используется в практике очистки и сортировке зерновых масс. Происходит при ее перемещении и встряхивании, загрузке и разгрузке хранилищ и силосов элеваторов. Например, при перевозке зерна в автомашинах или вагонах, передвижении по ленточных конвейерах вследствие толчков и встряхиваний компоненты зерновой массы с малой массовой долей (легкие примеси, семена в цветочных пленках, щуплые зерна и т.п.) размещаются ближе к поверхности насыпи, а с большей и абсолютной массой — ближе к его нижней части.

Самосортирования при свободном падении твердых частиц зерновой массы (например, при загрузке силосов, хранилищ) способствует парусность, т.е. сопротивление воздуха перемещению каждой отдельной частицы. Большие, тяжелые зерна и примеси с большим массовой долей и меньшей парусностью опускаются вертикально и быстро достигают основы хранилища или поверхности насыпи. Щуплые, мелкие зерна и примеси с небольшим абсолютным и массовой долей и большей парусностью

опускаются медленнее, отбрасываются вихревыми потоками воздуха к стенам хранилища или скатываются по поверхности конуса зерновой массы. Это свойство зерна используется при его очистке.

Самосортирования зерновой массы во время его хранения — явление негативное. Нарушение однородности партии зерна в хранилище мешает правильному его оценке как в силосе, так и при разгрузке из него, вызывает развитие негативных физиологических и микробиологических процессов в местах насыпи, где сосредоточены компоненты с повышенной жизнедеятельностью. Все это приводит к самосогревания зерновых масс.

Скважность зерновой массы — это наличие промежутков между ее твердыми частицами, заполненных воздухом. Характер физиологических и микробиологических процессов в зерновой массе зависит от количества и состава воздуха в межзерновых пространствах (табл. 3).

Скважность зерновых масс способствует передаче теплоты конвекцией, перемещению влаги через зерновую массу в виде пара. Через между-зерновые промежутки осуществляются сушка, активное вентилирование и газация зерна.

Вследствие самосортирования скважность в разных местах зерновой массы может быть неодинаковой. Скважность и плотность укладки зерна в хранилище зависят от формы, упругости, размеров и состояния поверхности твердых компонентов, формы и размеров хранилища, а также срока хранения.

Зерновая масса имеет меньшую скважность, заключается плотнее, если в ней есть крупные и мелкие зерна. Выровнены зерна, а также шероховатые или с сморщенной поверхностью укладываются менее плотно. Влажная и сырое зерно занимает большее пространство в хранилище, чем сухое при прочих равных условиях. На складах большего поперечного сечения зерно размещается плотнее.

При длительном хранении зерновая масса уплотняется, а ее скважность уменьшается. Показатели скважности и плотности укладки зерновой массы могут изменяться в достаточно широких пределах. Скважность зерна S определяют по формуле

где V1 — общий объем зерновой массы, м3 V-действительный объем твердых частиц зерновой массы.

Зная объем, занимаемый зерновая масса, и показатель ее скважности, можно определить объем воздуха в щелях. При применении активного вентилирования это количество берут за один обмен.

Сорбционные свойства зерновой массы — это ее способность поглощать (сорбировать) из окружающей среды пару, запахи различных веществ и газы, а также выделять (десорбу-вать) их. В зерновых массах наблюдаются такие сорбционные явления, как абсорбция, адсорбция, капиллярная конденсация и хемосорбция. Суммарный результат адсорбции, абсорбции, капиллярной конденсации, хемосорбции называют сорбцией, а степень способности зерновой массы поглощать пар и газы при различных условиях — сорбционной емкостью. Последняя определяется капиллярно-пористой коллоидной структурой зерна и скважностью зерновой массы. Отдельная зерно как многоклеточный организм является пористым телом с большой поверхностью. Клетки и ткани зерен имеют многочисленные макро-и микрокапилляры, первые — преимущественно в оболочках, а вторые — в эндосперме. Стенки макро-и микрокапилляров участвуют в процессах сорбции молекул паров и газов. По системе капилляров перемещается сжиженная пара. Активная поверхность зерна составляет 20 — 25 см 2 / г, что в 20 раз превышает его истинную поверхность. Поэтому сорбционные явления происходят не только на поверхности зерна, но и внутри каждого капилляра.

Сорбционные свойства зерновой массы имеют большое значение при ее обработке и хранении. Влажность и запах зерна, которое хранится или обрабатывается, часто меняются вследствие сорбции или десорбции газов или паров воды. Рациональные режимы сушки, активного вентилирования, газации и дегазации зерна при обеззараживании устанавливают с обязательным учетом его сорбционных свойств.

Гигроскопичность зерновой массы означает ее способность поглощать пары воды из воздуха или выделять ее в окружающую среду. Белковые молекулы зерна способны впитывать до 240, а крахмал — до 30 — 38% воды относительно своей массы. Гигроскопичность зерна зависит как от его свойств, так и от свойств воздуха.

В результате взаимодействия зерновой массы с окружающей средой влажность зерна непрерывно изменяется до достижения равновесной влажности.

Влага из зерна переходить в воздух при испарении, десорбции, сушки, если парциальное давление водяного пара вокруг поверхности зерна (Рп.з) превышает парциальное давление водяного пара в воздухе (Рп.п), т.е. Рп.з> Рп.п. Влага из воздуха сорбуватиметься зерном если Рп.з <Рп.п. Чем больше разница между парциальным давлением паров воды в воздухе и вокруг поверхности зерна (или наоборот), тем быстрее протекает процесс перераспределения влаги. Через некоторое время в результате перераспределения влаги парциальное давление пара в воздухе и над зерном сравнится и наступит динамическое равновесие (Рп.з = Рп.п). Влажность зерна, которая соответствует состоянию равновесия, называют равновесной влажностью. Последняя зависит от сорбционных свойств (структуры, химического состава) и от влажности и температуры воздуха (табл. 4). Самая равновесная влажность зерна устанавливается при насыщении воздуха водяным паром до 100%. Дальнейшее увлажнение может происходить только при впитывании капельно-жидкой влаги. Влажность зерна 7 - 10% устанавливается при относительной влажности воздуха 15 - 20%. Это самая низкая граница влажности зерна в производственных условиях. Зерно и семена зерновых, масличных и бобовых культур через различный химический состав имеют неодинаковую равновесную влажность. Самая высокая она у семян бобовых, средняя - в зерновых и наименьшая - в масличных культур. Снижение величины равновесной влажности обусловлено уменьшением содержания в зерне гидрофильных веществ. С понижением температуры воздуха равновесная влажность зерна и семян растет. Равновесная влажность отдельных зерен в зерновой массе неодинакова, поскольку они имеют разные размеры, химический состав, наполненность и т.д.. Неодинаковая равновесная влажность и отдельных частей зерновки. Наибольшую гигроскопичность должна зародыш зерна, наименьшую - эндосперм. Такое распределение влаги по частям зерна способствует развитию микроорганизмов, которые находятся на его поверхности. Процессы сорбции и десорбции происходящие в зерновой массе в связи с различной влажностью ее компонентов. Это особенно характерно для свежесобранного зерновой массы, содержащей зерна основной культуры и семена сорняков с неодинаковой влажностью. В этом случае по законам сорбционного равновесия сырые зерна теряют часть влаги, а сухие ее приобретают. Такое перераспределение влаги в зерновой массе начинается после ее формирования и заканчивается, как правило, в течение трех суток. Равновесная влажность быстрее устанавливается в верхних слоях насыпи (до 30 см). Действие воздуха окружающей среды на зерно нижних и средних слоев насыпи незначительна. Поэтому и влажность зерна в разных слоях насыпи неодинакова. Определяют относительную и абсолютную влажность зерна (в процентах). Относительная влажность зерна Wв - это отношение массы влаги, содержащейся в зерне (mв), к массе воды и сухого вещества mв + mc. Для ее расчета пользуются формулой Абсолютная влажность зерна Wa - это отношение массы mв влаги к массе сухого материала (mс): Теплофизические свойства зерновой массы имеют определяющее влияние на эффективность процессов сушки и активного вентилирования зерна, а также на его хранение. Основными параметрами тепловых свойств зерновой массы является теплоемкость, тепло-, температуро-и термовологопровиднисть. Теплообменные процессы в зерновой массе происходят путем прямой передачи теплоты (конд-ция, или контактный теплообмен) или с помощью воздуха, движущегося по межзерновых щелях (конвекция). Теплоемкость зерна характеризуется количеством теплоты, необходимой для повышения температуры зерна массой 1 кг на 1 ° С. Для влажного зерна ее определяют как сумму теплоемкостей абсолютно сухого зерна и воды: де-количество сухого вещества в зерне; Сс - теплоемкость сухой вещества зерна (Сс = 1550 Дж / ??(кг К); Св - теплоемкость воды (Св = 4190 Дж / ??(кг-К)). Поскольку теплоемкость воды почти втрое выше теплоемкость сухого вещества зерна, с повышением влажности теплоемкость зерна повышается, что требует значительного увеличения затрат энергии на нагрев. Это свойство учитывают при тепловом сушке зерна, поскольку расход топлива в расчете на 1 кг испаряемой влаги зависят от начальной влажности зерна, Теплопроводность зерновой массы заключается в ее способности переносить теплоту от участков с высокой до участков с более низкой температурой. Зерновая масса из-за наличия в ней воздушных промежутков имеет низкую теплопроводность, которая колеблется в пределах 0,2 - 0,3 Вт / (м К) (для сравнения теплопроводность меди составляет 300 - 390, стали - 68 Вт / (мК). С увеличением влажности зерновой массы ее теплопроводность растет - коэффициент теплопроводности воды - 0,5 Вт / (м К). Температуропроводность - скорость изменения температуры в зерне и его тепловая инерция. Коэффициент температуропроводности зерновой массы колеблется в пределах 1,7 10 ~ 7 - 1,9 10 ~ 7 м2 / с и зависит от коэффициента теплопроводности (l), удельной теплоемкости (С и плотности (d) зерна: Чем больше показатель удельной теплоемкости и меньшая плотность зерна, тем медленнее охлаждаться или нагреваться зерновая масса. Высокая тепловая инерционность, медленное естественное охлаждение и прогрев зерновой массы могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Положительная роль заключается в том, что при охлаждении зерновой массы активным вентилированием низкая температура в ней сохраняется длительное время, что позволяет консервировать зерновую массу холодом. Отрицательное действие низкой теплопроводности проявляется в том, что теплота, которая образуется в процессе жизнедеятельности зерновой массы, может задерживаться в ней и способствовать быстрому повышению температуры (из-за низкой температуропроводность температурная волна от очага тепловыделения распространяется медленно). Так возникает самосогревания зерна, вредное своим последствиям Термовологопровиднисть - способность зерновой массы направлено перемещать влагу из зоны с повышенной температурой вместе со струей теплоты в менее нагретые участки. Интенсивность термовологопровидности характеризуется термовологопровидним коэффициентом d (% / К), показывает, какой градиент влажности соответствует температурному градиенту, равном единице. Явление перемещения влаги из одних участков насыпи зерна на другие необходимо учитывать при его хранении, особенно в осенне-зимний и весенне-летний периоды, которые характеризуются перепадами температур между верхними и внутренними слоями насыпи. Подобные перепады температур между различными участками насыпи возникают при неравномерном обогреве солнцем стен хранилищ, размещении теплой зерновой массы на холодных асфальтовых полах, контакте ее с холодными стенами хранилищ. Вследствие термовологопровидности отдельные слои насыпи сильно увлажняются, а жизнедеятельность их компонентов активизируется. В них накапливаются теплота и влага, создаются условия для самосогревания и ухудшения качества зерна (прорастание, снижение семенных и продовольственных свойств и др.).. Поэтому для предотвращения нежелательных процессов в зерновой массе следует тщательно контролировать температуру и влажность зерна.