Свойства масличных семян как объекта сушки и очистки

Семена подсолнечника — основной вид масличного сырья в России. Трудами селекционеров созданы сорта высокомасличного подсолнечника. Основным признаком различных сортов семян высокомасличного подсолнечника является лузжистость, с которой связан целый комплекс свойств семян:

где Л — лузжистость семян, %; d — размер (ширина) семян, мм; ^d>o «эквивалентный диаметр, мм

где р — плотность семян, г/см¹;

где, А — масса 1000 шт. семян, г; где Н — натура семян, г/л;

(М — масличность семян, % на общий вес).

Примечание: Натура семян — это, практически, объемная масса слоя семян, измеряемая на специальном приборе — пурке, обычно используемом для измерения качества зерна, имеющем емкость определенного объема и диаметра, а семена засыпаются в него с определенной высоты. Все это стабилизирует измерения.

Обычно принято характеризовать слой насыпной массой или объемной массой.

На объемную массу слоя семян подсолнечника влияет содержание крупного сора С, мелкого сора С₂ и влаги W.

Если учесть плотность семян (кг/м¹).

(по данным Г. И. Гарбузовой объем одного семени с ростом W растет: W = 6% — V_mm = 0,09 см¹; W = 10% V_ccm= 0,094 см¹; W * 16% У"_м^т 0,102 см¹; соответственно описываются зависимостью размер = 1,4 • 10^-1 W² — 3 • 10^-1 W + 5,45, мм и плотность семян г = 0,0979.

W*+ 1,612 W +711,3, кг/м¹),.

то порозность определяется как доля свободного объема в слое е = (V_M — У_ам)/ У_а^ш 1 — pjp.

Например, эти показатели для семян подсолнечника имеют следующие величины: р =.

680…700 кг/м¹; р_н = 400—440 кг/м¹; е = 0,415.

Для других масличных семян объемная масса слоя имеет следующие значения: арахис — 430—450 кг/м³; клещевина — 428—463 кг/м¹; хлопковые семена (4% опушенность) — 420— 467 кг/м¹, т. е. этот показатель для различных семян очень близок.

Размеры и форма семян. Эти свойства необходимы при выборе конструкций рабочих органов следующих машин: сепараторов для очистки семян; классификаторов для фракционирования семян; сепараторов для рушанки.

Линейные размеры тесно связаны с другими физико-механическими показателями, по ним можно рассчитать: объем семянки (эквивалентный диаметр); площадь поверхности; коэффициент формы.

Эквивалентный диаметр — диаметр шара, равновеликого по объему частице.

где G, p — соответственно масса одного семени и его плотность.

Если размер семени подсолнечника характеризуется длиной 1, мм, шириной а, мм и толщиной Ь, мм, то объем семени V, мм³' площадь поверхности S, мм² и коэффициент формы <�р (отношение площади поверхности частицы к площади поверхности шара равновеликого частице по объему; для семян подсолнечника в среднем <�р = 1,34) можно рассчитать по формулам:

Естественная вариация условий произрастания, а также расположения семянки на отдельном растении ведет к тому, что семена отличаются по своим свойствам, в том числе и по размерам. Установлен нормальный закон вариации.

_w v" nd л. !v^n (d — М)^.

где М — 2) — — средний размер, но = Л-——среднеквадратичное отклонение (п — доля семян данного размера d в массе семян, N — общее количество семян в массе).

С размером тесно связаны некоторые другие свойства. Например, коэффициент корреляции между толщиной семени и толщиной лузги равен 0,838. Вообще, толщина семян наиболее тесно связана с большинством их физико-механических характеристик, в том числе и с абсолютной массой.

С увеличением b возрастает масса семени, зазор между лузгой и ядром, масса, ширина и толщина ядра.

Коэффициенты трения. Коэффициент трения является характеристикой, оценивающей величину связи двух тел, находящихся под действием сжимающей нагрузки, и представляет собой отношение тангенциального усилия, или силы сопротивления трения F, к нормальной нагрузке N, сжимающей поверхности двух тел. Коэффициент трения f= F/N.

Знание коэффициентов трения необходимо для определения в расчетах машин тангенциальных усилий, возникающих между поверхностями рабочих органов и обрабатываемой средой под действием сжимающей нагрузки.

Углом трения называется угол, тангенс которого равен коэффициенту трения (tgqp = f).

По кинематическим признакам различают два вида трения: трение скол ьжения, при котором одна и та же поверхность данного тела перемещается по поверхности другого, и трение качения, при котором тело перемещается по другому телу под действием момента сил и, при этом в соприкосновение входят последовательно расположенные друг за другом элементы поверхности. Различают коэффициент трения в покое и коэффициент трения в движении, причем второй значительно меньше первого. Оба эти вида трения могут сочетаться друг с другом, например, при скольжении по поверхности сыпучих масс имеет место в той или иной мере и качение частиц.

По признаку состояния поверхностей трущихся тел и наличия жидкости на поверхностях различают: сухое трение и жидкостное трение.

В отличие от внешнего трения, возникающего между поверхностями неоднородных материалов (например, при контакте семян с металлической плоскостью в самотечных трубах), выделяют внутреннее трение, возникающее между поверхностями однородных тел (например, трение одного семени о другое). Коэффициент внутреннего трения, характеризующий подвижность сыпучего материала, равен тангенсу угла естественного откоса, под которым понимается наибольший угол, который может образовывать свободная поверхность сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Угол естественного откоса семян подсолнечника с ростом влажности и засоренности увеличивается.

Коэффициент внешнего трения семян высокомасличного подсолнечника в наибольшей степени зависит от состояния поверхности испытуемой плоскости, а также от состояния поверхности семян. С увеличением влажности семян коэффициент трения растет. Коэффициенты трения покоя и трения скольжения с увеличением давления растут и выше давления 0,5 кгс/см² стабилизируются.

В таблице приведены значения коэффициентов трения (в случае трения качения коэффициент трения равен тангенсу угла опрокидывания, который невелик и колеблется в пределах 5—18°).

Аэродинамические свойства семян. В расчетах конвективных сушилок и аспирационных сепараторов важное место занимает определение аэродинамических сопротивлений, что требует знания аэродинамических свойств семян.

При сушке возможны три характерных состояния слоя семян при их взаимодействии с восходящим воздушным потоком:

• — плотный слой (частицы неподвижны друг относительно друга) имеет место при относительно низких скоростях воздушного потока, так что аэродинамическое давление потока воздуха меньше веса слоя (перепад давления в слое меньше удельной нагрузки частиц к площади сечения слоя, перпендикулярного к направлению потока);
• — псевдоожиженный (кипящий) слой имеет место при скоростях потока, превышающих критическую скорость псевдоожижения, при которой сравнивается аэродинамическое давление потока и вес слоя (перепад давления в слое равен удельной нагрузке частиц на единицу площади сечения слоя); в этом состоянии слоя имеет место движение частиц друг относительно друга, что визуально напоминает кипящую жидкость (отсюда и названия этого состояния слоя);
• — унос частиц слоя (пневматический транспорт) имеет место при превышении скорости витания частиц; в этом случае и аэродинамическое давление становится больше веса частиц слоя.

Соответствуют рассмотренным состояниям аэродинамики двухфазного потока следующие основные аэродинамические свойства семян: скорость витания, удельное сопротивление слоя, скорость псевдоожижения и некоторые другие, связанные с указанными величинами.

Скоростью витания (скоростью свободного падения) называется скорость, с которой частица равномерно движется в неограниченном пространстве газа или, в общем случае, жидкости; причиной этого является равенство действующих на частицу внешних сил.

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс свободного падения (витания) тела массой т, весом G и плотностью р в безграничной среде с кинематической вязкостью v и плотностью р_в, имеет следующий вид:

где c_D — коэффициент лобового сопротивления; f_m — площадь миделевого сечения, т. е. наибольшего сечения частицы, перпендикулярного направлению потока.

Рассматривая падение сферической частицы диаметром d и, следовательно, площадью миделевого сечения f_ra = nd²/4, можно утверждать, что по прошествии некоторого времени т сферическая частица начнет падать с постоянной скоростью w₀ = w_#ht = const. В этом случае уравнение (1.60) примет следующий вид:

В этом уравнении коэффициент лобового сопротивления зависит от режима обтекания, т. е.

где Re = wd/n — критерий Рейнольдса.

Для шарообразных частиц вид функции (1.62) установлен следующий:

— при ламинарном режиме.

— при переходном режиме.

— при турбулентном режиме

Подставляя выражения для c_D в уравнение (1.61) можно получить расчетные формулы для определения скорости витания шарообразных частиц при соответствующем режиме обтекания.

Для частиц неправильной формы, с которыми в большинстве случаев имеют дело, в настоящее время не удается получить общего расчетного метода определения гидродинамических характеристик.

Таким образом, экспериментальное определение скоростей витания семян необходимо и обработку результатов целесообразно проводить в обобщенных переменных, которые можно определить, проведя подобные преобразования уравнения (1.61).

или.

где Fe" зГ ^ f — критерий Федорова.

V ³ v² Р_в Из (1.67) следует

Разделяя на пневматическом порционном классификаторе полидисперсную смесь семян, получают ряд фракций, витающих при различных.

w_bmt и характеризуемых различными d и р. Определив по этим данным Fe, Яе_вит и c_D отыскивается зависимость c_D = f (Re).

В частности, для семян подсолнечника получена зависимость.

Характерно, что для диапазона изменения критерия Re в случае семян подсолнечника зависимость коэффициента лобового сопротивления шарообразных частиц носит автомодельный характер (т.е. с₀ = 0,44 = const). Это подтверждает ранее сказанное о трудности расчетным путем учесть влияние на аэродинамические свойства отклонения формы частиц от шарообразной. Очевидно, в данном случае влияет не просто большая удельная поверхность частиц неправильной формы по сравнению с шарообразными, но и возникновение вращения частиц неправильной формы, что может вызвать дополнительную турбулизацию пограничного слоя и повлиять на характер зависимости коэффициента лобового сопротивления.

Подставляя полученное выражение для c_D в уравнение (1.68), получаем расчетную формулу для определения Re_BHT, а следовательно, и скорости витания семян подсолнечника.

Скорость витания, т. е. скорость потока воздуха, при которой семя имеет нулевое ускорение (du/dx = 0), можно определить несколько иначе из уравнения движения m — - mg — Р. Соответственно, для витания.

dx.

имеем mg = Р. Аэродинамическое давление Р = kFpv² (к — коэффициент сопротивления; р — плотность среды; F — миделево сечение; v — относительная скорость). Тогда v_Birr — • ^^сли выразить аэродинамическое давление через коэффициент парусности k_n, Р = k_nmv², то v_BKT — .

Подсолнечные семена имеют v_bmt = 7,3…8,4 м/с; к = 0,51; к_п = 0,14…0,24.

Важны следующие аэродинамические характеристики слоя семян — перепад аэродинамического давления в плотном и псевдоожиженном слое, критическая скорость псевдоожижения, расширение слоя.

Экспериментальные исследования аэродинамического сопротивления плотного слоя масличных семян в воздушном потоке обобщаются эмпирической формулой

где АР — сопротивление слоя, кгс/м² (мм в. ст.); — высота плотного слоя семян, мм; w — скорость фильтрации воздуха, м/с; А, п — постоянные, значения которых для семян подсолнечника: А = 0,53 и п = 1,46.

Уравнение, описывающее течение потока в слое, может быть представлено в общем критериальном виде.

где Eu = AP/p_ew² — критерий Эйлера; Н_пл = M/Fp — высота гипотетического слоя без воздушных промежутков, эквивалентного реальному по массе, м.

Перепад давления во всем диапазоне существования псевдоожиженного слоя остается практически постоянным и теоретически определяется так:

Приближенно удельный перепад аэродинамического давления (кг/м³) в псевдоожиженном слое.

где Н₀ —высота исходного неподвижного слоя семян, м; р_н — объемная (насыпная) масса семян, кг/м³.

На практике имеются некоторые отклонения в пределах ±15%, поэтому в общем случае уравнение, связывающее перепад давления в псевдоожиженном слое с удельной нагрузкой материала на единицу площади газораспределительной решетки, имеет вид.

где R — коэффициент взвешивания.

Случай R > 1 в основном связывают с потерями на трение между частицами и стенками аппарата. Это чаще имеет место в аппаратах малого диаметра, и режим псевдоожижения характеризуется поршнеобразованием. При неравномерном кипении слоя по сечению возможен режим каналообразования, и наблюдают обычно заниженный перепад давления по сравнению с теоретическим R < 1.

Большое влияние на R оказывает газораспределительное устройство, но рост толщины слоя и скорости газа можно принять как факторы, определяющие величину R, при прочих равных условиях.

Границей между двумя такими отличающимися состояниями слоя зернистого материала, как неподвижное и псевдоожиженное, является критическая скорость псевдоожижения. Обычно для определения критической скорости псевдоожижения пользуются общим подходом, согласно которому критической скорости псевдоожижения соответствует скорость потока, при которой перепад давления в плотном слое сравнивается с перепадом давления в псевдоожиженном слое.

Результаты исследований критической скорости псевдоожижения целесообразно представлять в критериальном виде:

Как указывалось выше, вывести зависимость для Re_Kpn, соответственно, для w_Kp можно на основе уравнения течения в плотном слое, которое обычно можно несколько упростить (для достаточно большого сечения слоя пристеночный эффект исключается: с = 0; экспериментально установлена линейная зависимость перепада давления от высоты слоя: b = 1).

и уравнения, описывающего сопротивление псевдоожиженного слоя.

Подставляя уравнение (1.79) в (1.78) и проводя подобные преобразования, получим уравнение в обобщенных переменных.

В условиях псевдоожижения семян газовым потоком (р «р_в) последним членом уравнения — симплексом плотностей семян и газа — можно пренебречь.

В результате обработки экспериментальных данных получены следующие критериальные зависимости для определения скорости псевдоожижения семян подсолнечника:

— для влажности семян WsW_r

— для влажности семян W > W_r

где W/W. — симплекс влажности, учитывающий влияние гигроскопической влажности W_r = 26%, при которой на поверхности семян появляется свободная влага.

С учетом уравнения (1.76) для R можно записать уравнение (1.80) в более общей форме.

Для газового псевдоожижения р/(р — р_в) — 1, а также с учетом близости к нулю показателя степени при относительной высоте слоя, связь параметров аэродинамики плотного слоя и критической скорости псевдоожижения получаются следующие: А = (0,1275/С)^{|/(|, 8+а)}; п = 3/(1,8 + а), соответствующие уравнению (1.81). Соответственно, а = -0,16; С = 40, что близко к известным экспериментальным данным по аэродинамике слоя семян подсолнечника.

Имея критериальные уравнения для критической скорости псевдоожижения и скорости витания, можно осуществить расчет расширения псевдоожиженного слоя от скорости потока, что важно при определении размеров по высоте аппаратов с псевдоожиженным слоем. Известно, что изменение порозности псевдоожиженного слоя от скорости потока описывается логарифмическим уравнением.

Таким образом, уравнение зависимости имеет вид.

Для определения двух неизвестных коэффициентов уравнение (1.84) записывается для двух крайних известных случаев (начало псевдоожижения е = 0,4 и начало уноса е = 1).

Из (1.86)

Далее, вычитая из (1.85) (1.86), получаем.

|.

и с учетом ранее приведенных уравнений для Re_Kp (1.81) и Яе_вит (1.71) определяем N

Зная начальную высоту плотного слоя Н₀ и порозность е₀, после расчета в по уравнению, полученному из (1.84) с учетом (1.87) и (1.89).

можно определить высоту псевдоожиженного слоя.

Для определения е₀ для слоя семян подсолнечника рекомендуется эмпирическая зависимость е₀ = 6,22 • 10~⁵ W² + 2,81 • 10~³ W + 0,419, а для расширенного слоя е = 1,07 • е₀ (Re/Re_Kp).^0 409

Гйгроскопические свойства семян. Масличные семена являются капиллярно-пористыми коллоидными телами, поэтому для них характерны все формы связи влаги, но основное место занимают физико-химическая (монои полимолекулярная адсорбция) и физико-механическая (влага микрои макрокапилляров).

Различные формы связи влаги с материалом характеризуются энергией связи — т. е. работой изотермического обратимого отрыва одного моля воды без изменения состава вещества.

где R — газовая постоянная (R = 8,31 • 10³ дж/моль • К); Т — абсолютная температура, К; p_s — давление насыщенного пара свободной воды; р_в — парциальной давление пара воды (при той же температуре) над материалом для данных гигротермических условий; ср — относительная влажность воздуха.

Из анализа уравнения (1.92) следует, что чем больше ср и, соответственно, прямо связанная с ней равновесная влажность материала (в пределе ср = 1 соответствует гигроскопической влажности материала W_r, при которой в материале появляется свободная влага), тем меньше энергия связи влаги с материалом (в пределе при ср = 1, Е = 0). Соответственно, при уменьшении ср равновесная влажность снижается, а энергия связи влаги с материалом возрастает.

Таким образом, гигроскопические свойства материалов представляют собой устанавливаемые экспериментально зависимости равновесной влажности при различных температурах и относительных влажностях воздуха. Они дают возможность не только предсказать характер процесса при контакте с влажным воздухом (сушка или увлажнение), регулировать термовлажностные условия процесса для достижения требуемой влажности материала, но и производить расчет энергии связи влаги с материалом; это позволяет прогнозировать направление алагопереноса при контактировании разнородных материалов и точнее вести расчет энергозатрат.

Экспериментально гигроскопические свойства определяют тензиметрическим методом, помещая семена на достаточно длительный срок над растворами солей или кислот различной концентрации. Это обеспечивает определенную относительную влажность воздуха в закрытом объеме для достижения равновесной влажности семян при заданных ср и Т.

Влагообмен семян с окружающим влажным воздухом может идти в двух направлениях: при р_с > р_в происходит испарение, сушка, десорбция; при р_с< р_в происходит конденсация, увлажнение, сорбция. Соответственно получают две равновесные кривые, называемые изотермой десорбции и изотермой сорбции. Явление отличия этих изотерм называют сорбционным гистерезисом.

Чем выше температура, тем ниже равновесная влажность материала. Для масличных материалов отмечено, что чем ниже масличность, тем выше равновесная влажность. Одно из важнейших направлений использования данных по равновесным влажностям масличных семян — установление безопасной влажности при хранении (она не должна быть выше критической, соответствующей равновесной влажности воздушно-сухого состояния семян при ср = 0,7). Таким образом, для безопасного хранения предпочтительны низкие температуры в хранящейся семенной массе. Для высокомасличных семян при закладке их на хранение требуется обеспечить низкую влажность.

Для семян подсолнечника обобщены данные по равновесной влажности при сорбции.

при десорбции Обобщение проведено с использованием уравнения, связывающего основные технологические характеристики семян подсолнечника независимо от их масличности.

где М_с, М_я — соответственно масличность семян и ядра, % на абсолютно сухое вещество; Л — лузжистость воздушно-сухих семян подсолнечника, %.

Таким образом, по приведенным уравнениям можно рассчитывать равновесную влажность не только семян подсолнечника различных сортов, отличающихся масличностью и лузжистостью, но и лузги (Л = 100%) и ядра (Л = 0%).

Теплофизические свойства семян. Расчет теплофизических свойств се мян подсолнечника осуществляется по соотношениям.

Здесь а, м²/ч, X, кДж/(м • ч • град), с, кДж/(кг* град) — коэффициенты, соответственно, температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости.