Гигроскопические свойства семян Текст научной статьи по специальности «Физика»

связи с нулевыми начальными условиями по концентрации воды в газовой фазе, что делает невозможным конденсацию паров компонентов в начале реактора.

Таким образом, полученные результаты позволяют решить следующие задачи:

- проверка адекватности разработанной модели;

- выявление основных качественных параметров проведения процесса;

- выбор каналов управления и их структурная и параметрическая идентификация.

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липин А. А. Тепло- и массообмен в процессах дополиа-мидирования и сушки полиамида-6. Дис. ... к.т.н. ИГХТУ. 2012. 146 с.;

Lipin A.A. Heat- and mass transfer in processes of pre-polyamidization and drying of polyamide-6. Dissertation for candidate degree on tehnical sciences. Ivanovo. ISUCT. 2012. 146 p. (in Russian).

2. Липин А.А., Базаров Ю.М., Липин А.Г., Кириллов Д.В., Мизеровский Л.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 3. С. 86-88;

Lipin A.A., Bazarov Yu.M., Lipin A.G., Kirillov D.V., Mizerovskiy L.N. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 3. P. 86-88 (in Russian).

3. Базаров Ю.М., Мизеровский Л.Н., Павлов М.Г. // Перспективные полимерные композиционные материалы. Применение. Экология: Доклады междунар. конф. «Композит-2001». Саратов. 3-5 июля 2001. Саратов: Изд-во СГТУ. 2001. С. 9-10;

Bazarov Yu.M., Mizerovskiy L.N., Pavlov M.G. // Promising polymer composite materials. Application. Ecology. Presentations of Int. Conf. "Kompozit-2001". Saratov. 2001. Saratov: SGTU. 2001. P. 9-10 (in Russian).

4. Павлов М.Г., Силантьев А.А., Базаров Ю.М. // Техника и технология экологически чистых производств: 4-Междунар. симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва. 2000. Тезисы докладов. М.: Изд-во МГУИЭ. 2000. С. 96-97;

Pavlov M.G., Silant'ev A.A., Bazarov Yu.M. //Techniks and technology of ecologically clean productions : 4th Int. Symp. of young scientists, post-graduates, and students. Moskva. 2000. Proceedings. M.: MGUIE. 2000. P. 96-97 (in Russian).

Кафедра технической кибернетики и автоматики

УДК 66.047

С.П. Рудобашта*, Г. А. Зуева**, Н.А. Зуев*

ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕМЯН

(*Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, **Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: [email protected]; zueva_galina [email protected]

Приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований гигроскопических свойств типичных коллоидных капиллярно-пористых материалов -семян горчицы белой и лука репчатого. Дано сопоставление гигроскопических свойств этих материалов с гигроскопическими свойствами других коллоидных капиллярно-пористых материалов растительного происхождения - зерновых культур.

Ключевые слова: равновесие, сушка, семена, изотерма десорбции, коллоидные капиллярно-пористые материалы, горчица белая, лук репчатый

Согласно [1] к коллоидным капиллярно- влажности в зависимости от влажности воздуха и

пористым материалам относятся капиллярно- температуры необходимы для вскрытия механиз-

пористые материалы с проницаемыми для распре- ма массопереноса при сушке семян, который обу-

деляемого вещества стенками пор. Таковыми явля- словлен физико-химическими свойствами зерно-

ются все материалы растительного и животного вых культур. Знание равновесного влагосодержа-

происхождения (в частности семена), имеющие ния up важно также для определения движущей

клеточное строение. Для кинетического расчета силы процесса сушки, которая, согласно зависи-

процесса сушки материалов, в том числе семян, а мости для скорости сушки (1), определяется раз-

также для выбора условий их хранения нужны дан- ностью значений влагосодержания (u-up): ные по их равновесному влагосодержанию [1, 2]. du _ ^ (u u ) (1)

Закономерности изменения равновесной dx ^ р'

К - коэффициент сушки, с"1; и, ир - фактическое и равновесное влагосодержание семян, (кг вла-ги)/(кг сух. м-ла).

Гигроскопические и массопроводные свойства являются одними из основных свойств материалов, которые необходимо учитывать при сушке. Массопроводность, определяющая внутренний массоперенос в процессах экстрагирования и сушки, применительно к непористым материалам в последнее время рассматривалась в [3], а применительно к семенам при сушке - в [4-6]. В отличие от этих работ, данная статья посвящена изучению гигроскопических свойств семян.

Равновесное влагосодержание семян зависит не только от вида культуры, но и от ее сорта. Банк данных по равновесному влагосодержанию семян непрерывно пополняется. В публикуемых работах приводятся новые сведения по равновесию для тех или иных сортов семян, полученные данные для удобства кинетического расчета описываются соответствующими уравнениями, выражающими зависимость равновесного влагосо-держания от относительной влажности воздуха и температуры. В последнее время опубликованы новые данные по гигротермическому равновесию зерна - пшеницы яровой сорта «Люба» [7], пшеницы «Московская 39» и этой же пшеницы, обработанной озонированным воздухом, ржи «Восход 2», ячменя «Михайловский» [8].

В данной работе приведены результаты опытного исследования равновесного влагосодер-жания семян горчицы белой сорта «ВНИИМК-162» и лука репчатого сорта «Штутгартер ризен». Исследования проводили статическим методом: путем помещения семян в атмосферу воздуха определенной относительной влажности при заданной температуре 37 °С и выдерживания их в этой среде длительное время (в течение месяца). Температура 37 °С была выбрана в силу того, что именно

такова средняя температура семян, высушиваемых перспективным осциллирующим инфракрасным методом (ИК- методом), который позволяет не только высушивать семена, но и стимулирует семена: повышает их энергию прорастания и всхожесть [9, 10].

Для получения зависимости ир=/(ф)г необходимо получить ряд взаимосвязанных значений Ф и ир, для чего использовались сосуды с насыщенными растворами солей, создающих определенную относительную влажность воздуха ф [11] (табл. 1, 2).

По данным табл. 1 построен график функции ир=/(ф)г при ^ = 37 °С, приведенный на рис. 1. Как показывает рассмотрение графика, изотерма десорбции для семян горчицы имеет обычный для коллоидных капиллярно-пористых материалов, в частности, для семян других культур, вид [7, 8].

Была получена также опытная изотерма десорбции влаги для семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» - описанным выше статическим методом с использованием тех же растворов солей. Досушивание семян до сухого веса осуществляли согласно ГОСТ -12041-82 при температуре 130 °С. Результаты этого исследования представлены в табл. 2 и на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что изотерма десорбции для лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» имеет также 8-образный вид, типичный для различных семян [7,8].

Полученные опытные данные по равновесному влагосодержанию лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» были описаны уравнением Гендерсона [12]

u =

p

a,

- T ln(l -j)

(2)

Были получены следующие значения констант этого уравнения: а=0,33-106, Ь=0,37. Полу-

Таблица 1

Результаты экспериментального исследования равновесного влагосодержания при десорбции влаги

из семян горчицы белой при t = 37 °С Table 1. The results of experimental study of equilibrium moisture content at the moisture desorption from seeds

of white mustard at 37 °С

b

Соль CH3COOK MgCl2 Mg(NO3)2 NaNO2 KJ NaNO3 NaCl KCl K2SO4

Ф,% 14,2 32,1 48,5 61,8 67,9 71,2 75,0 83,5 96,5

Up, % 6,2 7,1 6,6 9,0 12,1 12,4 12,7 17,2 28,4

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования равновесного влагосодержания семян лука репчатого сорта

«Штутгартер ризен» при t = 37 °С Table 2. The results of experimental study of equilibrium moisture content at the moisture desorption from seeds

of bulb onion at 37 °С

Соль CH3COOK MgCl2 Mg(NO3)2 NaNO2 KJ NaNOs NaCl KCl K2SO4

Ф,% 14,2 32,1 48,5 61,8 67,9 71,2 75,0 83,5 96,5

up, % 7,8 8,0 13,4 10,1 12,9 12,3 13,7 17,5 25,4

ченные значения этих коэффициентов по порядку величин согласуются с их значениями для семян других культур [7,8] (табл. 3). Уравнение (2) может быть использовано для практических расчетов.

ир%

up =

0,33 • 106 T

ln(1- j)

(3)

ются. Дополнительно к этому была проведена также аппроксимация опытных данных полиномом третьей степени

ир = а0+ а\ф+ а2ф2+ а3ф3, (4)

где ао=0,\7802; а\=0,65\9\; а2=-0,0\392; аз= =0,000102. Среднеквадратичное отклонение составляет \,24.

ф.%

Рис 1. Изотерма десорбции семян горчицы белой сорта «ВНИИМК-162» при t = 37 оС. 1-эксперимент; 2-графи-ческая аппроксимация опытных точек; 3 - аппроксимирующая линия, сглаживающая ошибки измерений Fig. 1. The adsorption isotherm of white mustard seeds of VNIIMK-162 kind at 37 оС. 1-experiment; 2 - graphic approximation of experimental points; 3 - approximating line smoothing errors of measurement

С использованием значений полученных коэффициентов уравнение (2) принимает вид

где ир - равновесное влагосодержание семян, %; Т - термодинамическая температура, К; ф - относительная влажность воздуха (доли).

Уравнение (3) описывает равновесные данные при различных температурах. На рис. 3 опытные данные по равновесному влагосодер-жанию семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» сопоставлены со значениями, рассчитанными по уравнению (3). Как видно, опытные и расчетные значения удовлетворительно согласу-

100

Рис. 2. Изотерма десорбции семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» при t = 37 оС. 1-эксперимент; 2-графическая аппроксимация опытных точек; 3 - аппроксимирующая линия, сглаживающая ошибки измерений Fig. 2. The adsorption isotherm of bulb onion seeds of Shtutgarten Risen kind at 37 оС. 1-experiment; 2 - graphic approximation of experimental points; 3 - approximating line smoothing errors of measurement

Результаты аппроксимации лучше согласуются с опытными данными, полученными при t=37 °С (рис. 3), однако, преимуществом уравнения (3) является возможность перенесения опытных данных, полученных при одной температуре, на другие температуры.

Полученные данные по равновесному вла-госодержанию семян могут быть использованы для кинетического расчета и выбора условий их сушки.

Таблица 3

Значения коэффициентов a и b в уравнении Гендерсона Table 3. Values of a and b coefficients in Henderson's equation

№ п/п Значения коэффициентов Средняя относительная

Тип семян уравнения (2) Источник Погрешность аппроксимации

a-10-6 b уравнением (2), %

1 лук репчатый сорта «Штутгартер ризен» 0.33 0.37 данные авторов ± 3,2

2 яровая пшеница «Люба» [7] ±3,8

3 пшеница «Мироновская 39» 0,489 0,375 ±3,0

4 рожь «Восход 2» ±4,1

5 ячмень «Михайловский» [8] ±5,5

6 яровая пшеница «Люба», озонированная 0,167 0,429 ±5,0

ïi, %

9,%

Рис. 3. Изотерма десорбции влаги для семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» при t = 37 оС: 1 - экспериментальные значения; 2 - расчетная кривая по уравнению Гендерсо-

на; 3 - аппроксимация полиномом третьего порядка Fig. 3. The adsorption isotherm of bulb onion seeds of Shtutgarten Risen kind at 37 оС. 1-experiment; 2 - calculated curve on Henderson's equation; 3 - approximation with a polynomial of third order

ВЫВОДЫ

Получены опытные зависимости по равновесному влагосодержанию семян горчицы белой сорта «ВНИИМК-162» и лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» от относительной влажности воздуха при t = 37 °С.

Опытные функции up=f(y)t =37°c для семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» для целей кинетического расчета аппроксимированы полиномом третьей степени и уравнением Ген-дерсона. Первый из них лучше соответствует опытным данным, а второе позволяет обоснованно переносить опытные данные на иные температурные условия.

Опытные константы уравнения (2) по порядку величин согласуются с их значениями для семян других культур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия. 1980. 248 с.;

Rudobashta S.P. Mass Transfer in Systems with a Solid Phase. M.: Khimiya. 1980. 248 p. (in Russian).

2. Лыков А.В. Теория сушки. Изд. 2-е, перер. и доп. М.: Энергия. 1968. 472 с.;

Lykov A.V. Theory of Drying. M.: Energiya. 1968. 472 p. (in Russian).

3. Климов А.М., Рудобашта С.П., Тепляков Ю.А., Нечаев В.М., Михайлов Г.М. // Изв. вузов. Хим. и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 5. С. 117-120;

Klimov A.M., Rudobashta S.P., Teplyakov Yu.A., Nechaev V.M., Mikhaiylov G.M. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 5. P. 117-120 (in Russian).

4. Забавим И.С., Рудобашта С.П., Дмитриев В.М. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2010. № 8. С. 24-28; Zabavin I.S., Rudobashta S.P., Dmitriev V.M. // Khra-nenie i Pererabotka Selkhozsirya. 2010. N 8. P. 24-28 (in Russian).

5. Рудобашта С.П., Моряков А.В., Дмитриев В.М. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. № 8. С.42 - 46; Rudobashta S.P., Moryakov A.V., Dmitriev V.M. // Khranenie i Pererabotka Selkhozsirya. 2012. N 8. P. 42-46 (in Russian).

6. Рудобашта С.П., Зуева Г.А., Дмитриев В.М., Зуев Н.А.

// Изв. вузов. Химия. и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 1. С. 103-107;

Rudobashta S.P., Zueva G.A., Dmitriev V.M., Zuev N.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57 N 1. P. 103-107 (in Russian).

7. Забавим И.С., Рудобашта С.П. // Труды междунар. науч.-технич. семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». Воронеж. 2010. С. 330 - 336;

Zabavin I.S., Rudobashta S.P. // Proceedings of the international scientific and technical seminar "Actual problems of drying and thermomoist processing of materials". Voronezh. 2010. P. 330 - 336 (in Russian).

8. Нуриев Н.Н., Рудобашта С.П. // Сб. науч. трудов МГАУ «Электрические аппараты и электротехнологии сельского хозяйства». М.: МГАУ. 2002. С. 88-93; Nuriev N.N., Rudobashta S.P. // Proceedings of MSAU "Electric devices and electrotechnologies of agriculture" . M.: MSAU. 2002. P. 88-93 (in Russian).

9. Зуев Н.А., Рудобашта С.П., Зуева Г.А., Зотова Е.Ю. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2012. № 5. С. 27 - 29; Zuev N.A., Rudobashta S.P., Zueva G.A., Zotova E.Yu. // Khranenie i Pererabotka Selkhozsirya. 2012. N 5. P. 27 - 29 (in Russian).

10. Зуев Н.А., Рудобашта С.П., Зуева Г.А., Зотова Е.Ю. //

Вестник МГАУ. М.: 2012. Вып.2. (53). С. 9 - 12; Zuev N.A., Rudobashta S.P., Zueva G.A., Zotova E.Yu. // Vestnik MSAU. M.: 2012. N 2 (53). P. 9-12 (in Russian).

11. Schneider A. // Holz als Roh - und Werkstoff. 1960. Jahrg. 18. Heft 7. S. 269 - 272.

12. Henderson S.M. // Agricultural Engineering. 1952. V. 33. N 1. P. 29 - 32.

Кафедра теплотехники, гидравлики и энергообеспечения предприятий