Свойства зерновой массы как объекта вентилирования

Зерновая масса, как правило, состоит из зерна основной культуры различной крупности, выполненности и состояния; зерновой, сорной, органической и минеральной примесей. Это придает зерновой массе определенные свойства, которые необходимо учитывать при активном вентилировании. К основным свойствам можно отнести влажность, натуру, скважистость, сыпучесть, самосортирование, аэродинамические свойства, гигроскопичность, а также теплофизические характеристики зерна и зерновой массы.

Влажность зерна. Различают его относительную и абсолютную влажность. Относительная влажность представляет собой отношение массы влаги, содержащейся в зерне, к общей массе зерна. Абсолютная влажность зерна - это отношение массы влаги к массе сухого материала. Содержание влаги в зерне принято выражать в процентах. При одном и том же содержании влаги в зерне значение абсолютной влажности всегда больше относительной. В практике чаще пользуются показателями относительной влажности, употребляя термин - влажность.

Натура зерна. Под натурой понимают массу установленного объема зерна. Натура зависит от многих факторов (сферичности, плотности, состояния поверхности зерен и т. п.), поэтому не является устойчивым признаком. Повышение влажности в большинстве случаев вызывает уменьшение плотности зерна и, следовательно, уменьшение его натуры. Но могут быть и другие соотношения между этими величинами. На изменение натуры существенное влияние оказывает плотность укладки зерна и некоторые физико-механические показатели зерна различных культур, приведенные в табл. 3.1.

Скважистость зерновой массы. Отношение объема межзернового пространства ко всему объему, занимаемому зерновой массой, называют скважистостью. Она зависит от размеров и формы зерен и примесей, состояния поверхности зерновок, засоренности зерновой массы, а также от способа укладки зерна. Чем крупнее зерна, тем больше скважистость. Меньшей скважистостью обладает зерновая масса, имеющая в своем составе крупные и мелкие зерна. Менее плотно укладываются зерна с шероховатой и морщинистой поверхностью. С ростом влажности скважистость повышается как вследствие увеличения коэффициента трения поверхности зерна, так и в результате увеличения объема зерновок. Засоренность оказывает различное влияние на скважистость. Если размеры сорной примеси больше размеров основного зерна, то увеличение засоренности повышает скважистость; если же наоборот, то увеличение засоренности уменьшает скважистость зерновой массы. Способ укладки зерна в значительной степени влияет на скважистость. Так, засыпка одного и того же зерна в хранилище с равной высотой (силос, склад), различного рода уплотнения зерновой массы могут резко изменить показатель скважистости.

Сыпучесть зерновой массы. Под сыпучестью принято понимать возможность перемещения одной частицы относительно другой при движении всей массы. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса, который зависит от размеров и формы зерновок, состояния их поверхности, а также от характера примесей. Сыпучесть зерновой массы и угол естественного откоса обратно пропорциональны. В пределах каждой культуры угол естественного откоса зависит от влажности зерна (табл. 3.1). С повышением влажности сыпучесть уменьшается. Наибольшей сыпучестью обладают зерновые массы, состоящие из семян шарообразной формы с гладкой поверхностью. Примеси, особенно легкие и мелкие или имеющие шероховатую поверхность, снижают сыпучесть зерновой массы.

Обычно продукты делят по сыпучести на четыре группы (с учетом угла естественного откоса):

- очень сыпучий продукт ......................25-30°;

- сыпучий продукт..................................30-38°;

- достаточно сыпучий продукт..............38-45°;

- трудносыпучий продукт......................45-55°.

Сыпучесть зерновой массы важно учитывать при конструировании и монтаже установок для активного вентилирования, а также при их эксплуатации.

Самосортирование. Самосортирование - это способность зерновой массы расслаиваться на входящие в нее компоненты, которые обладают различной плотностью и парусностью. Поскольку загрузка зерна на установки для вентилирования средствами механизации обязательно сопровождается перемещением зерновой массы и ее падением с некоторой высоты, то самосортирование насыпи неизбежно. При свободном падении тяжелые зерна попадают в вертикальный слой, расположенный под точкой загрузки, а легкие примеси и щуплые зерна отбрасываются воздухом к стенкам или скатываются по поверхности конуса, образованного зерновой массой. Это приводит к неодинаковому аэродинамическому сопротивлению различных участков продуваемого слоя и, как следствие, неравномерному распределению воздуха в насыпи, неодинаковому охлаждению и подсушке зерна. Поэтому все мероприятия, направленные на уменьшение самосортирования вентилируемой насыпи, имеют существенное значение для повышения равномерности обработки.

Аэродинамические свойства. При расчете и проектировании установок для активного вентилирования зерна необходимо учитывать его аэродинамические свойства и сопротивление зерновой массы воздушному потоку.

для характеристики аэродинамических свойств на практике чаще используют скорость витания V_в, м/с, которую определяют по формуле

                                                         V_в=                                                    (3.4)

где G - сила тяжести зерна;

       - коэффициент аэродинамического сопротивления;

     - плотность воздуха, кг/м²;

      F - площадь миделевого сечения, м².

Экспериментально установлено, что скорость витания большинства культур колеблется в пределах от 3 до 14 м/с (у гороха и сои - от 15,5 до 20 м/с). При проектировании установок для вентилирования зерновой массы необходимо, чтобы скорость воздуха в каналах не превышала скорости витания зерна.

Расход энергии на вентилирование зависит от аэродинамического сопротивления зернового слоя. В общем случае сопротивление зависит от высоты продуваемого слоя, скорости и параметров воздуха, скважистости зерновой массы и состояния поверхности зерен. Сопротивление воздушному потоку тем больше, чем мельче семена, больше скорость потока воздуха и высота слоя. Значительные колебания обусловливаются наличием пыли и уплотнением. Существует два основных способа избежать высокого расхода энергии на вентилирование зерна: уменьшить подачу воздуха или снизить высоту слоя зерна, через который проходит воздух.

При подсчете аэродинамического сопротивления сети (установки и зерновой насыпи) необходимо определить сопротивление зернового слоя. Аэродинамическое сопротивление зернового слоя Р_3.с., Па, определяют по формуле

                                                           Р_3.с.=a₃lV_3.с.+b₃lV_3.с.²                                                                 (3.5)

где Р_3.с. - аэродинамическое сопротивление зернового слоя, Па;

         l - длина линий тока воздуха в зерновой насыпи, м;

         V_3.с.- скорость фильтрации воздуха в зерновом слоё, получаемая как частное от деления                общей подачи воздуха в насыпь на площадь насыпи, обрабатываемой одним аэрожелобом или установкой без учета наличия зерна, м/с;

           а₃ и b₃ коэффициенты, характеризующие зерновой слой той или иной культуры в аэродинамическом отношении; указание коэффициенты получают экспериментально и устанавливают по данным табл. 3.2.

Сопротивление слоя зерна воздушному потоку можно определить по диаграмме, представленной на рис. 3.1. Используя диаграмму, надо учитывать не только площадь входа, но и площадь выхода воздушного потока из зернового слоя, и для определения сопротивления брать среднюю скорость воздуха.

Гигроскопичность зерновой массы. Этот показатель характеризует способность зерновой массы к сорбции и десорбции паров воды. Зерновая масса - хороший сорбент, что объясняется высокой скважистостью и капиллярно-пористой структурой зерна и семян многих культур. Процесс вентилирования насыпи обычно сопровождается испарением влаги из зерна до установления равновесной влажности. Величина равновесной влажности зерна различается по культурам в зависимости от температуры воздуха (табл. 3.3).

Данные по равновесной влажности зерна обязательно учитывают при определении возможности вентилирования, величины снижения влажности вентилируемой массы, условий безопасного хранения зерна и т. д.

Теплофизические характеристики зерновой массы. Для оценки теплообменных свойств зерна применяют следующие показатели: теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. При вентилировании зерна в целях охлаждёния и подсушки с учетом сравнительно узкого прёдела колебаний температур теплоемкость зерна обычно определяют как средневзвешенную величину между теплоемкостью сухого вещества зерна и теплоемкостью воды. Теплоемкость сухого вещества зерна мала (0,37 ккал/кг·град), но при повышении влажности существенно увеличивается, что приводит к большему расходу энергии для нагревания зерновой массы.

Температуропроводность зерна характеризуется коэффициентом температуропроводности, который определяет интенсивность развития температурного поля в материале, т. е. скорость его прогрева или охлаждения. Температуропроводность неподвижного зернового слоя по сравнению с единичным зерном примерно в два раза ниже. Зерновой слой является хорошим теплоизолятором, поэтому распространение температуры в нем происходит с низкой интенсивностью.

Теплопроводность зерна характеризуется коэффициентом теплопроводности, определяющим способность тела проводить тепло. Теплопроводность зависит от влажности и температуры. Теплопроводность зернового слоя в 3-4 раза ниже, чем у зерна, вследствие влияния скважистости и передачи теплоты между зернами через точечные контакты.         

В результате низкой тепло - и температуропроводности изменение температуры и влажности во внутренних слоях зерновой массы менее резки и запаздывают по сравнению с изменениями этих показателей в поверхностных слоях. Вследствие этого в зерновой массе создаются различия в температуре и влажности. При этом возможна конденсация парообразной влаги. Это приводит к местному повышению влажности, резкому увеличению энергии дыхания, что сопровождается дополнительным выделением тепла и воды и возникновением самосогревания зерна.