Пищевая реология: основы методики расчета реологических характеристик, полученных на ротационных вискозиметрах
1. Задачи реологии
Реология - наука о деформации и течении различных тел, она изучает способы определения структурно-механических свойств сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов, приборы для регулирования технологических процессов и контроля качества на всех стадиях производства.
При помощи инженерной реологии, на основе биохимических, биофизических, физико-химических и органолептических показателей, решают следующие задачи:
- глубокое изучение сущности процессов, участвующих в структурообразовании функциональных продуктов;
- определение нормативных структурно-механических свойств, характеризующих качество изделий, для их использования в технологической документации;
- получение необходимых данных для расчета и создания специализированного технологического оборудования.
Реология включает два раздела: первый посвящен изучению реологических или в более общем смысле структурно-механических свойств реальных тел, второй рассматривает движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.[5, 6c]
2. Объекты исследований пищевой реологии
Объектом исследования в пищевой реологии являются пищевые материалы.
Для проведения реологических исследований свойства тел выражают в виде математических (идеализированных) моделей или уравнений, которые с той или иной степенью точности характеризуют поведение реального тела в процессе деформирования. Недостаток теоретической реологии заключается в том, что простые и понятные модели не пригодны для практического использования, а приемлемые для практики модели – чрезвычайно сложны. Это положение относится к белковым пищевым продуктам, которые имеют сложное физико-химическое строение и чувствительны к изменению внешних факторов. Для точного описания процессов течения и деформирования этих продуктов необходимы составные комплексные модели теоретической реологии и соответствующие дифференциальные уравнения, что неприемлемо для практических целей. Поэтому приходится находить приближенные решения на основе различных гипотез и соображений. В инженерной реологии обычно ориентируются на отыскание возможно простых зависимостей, так как для практики требуются только некоторые средние, суммарные характеристики. С этой целью в теоретических и экспериментальных исследованиях используются различные реологические методы: дифференциальный и интегральный, методы анализа закономерностей и подобия. Разработка и проведение экспериментов, и их обобщение в таком направлении позволяют получить физически обоснованные решения, применимые для практических целей.[5, 12c]
3. Основы методики расчета реологических характеристик, полученных на ротационных вискозиметрах
Вискозиметрия основывается на двух экспериментальных принципах: измеряется сопротивление движению, обусловленное вязкостью среды, либо при протекании исследуемого вещества в канале той или иной геометрической формы, либо при движении твердого тела в среде, вязкость которой определяют наиболее распространены капиллярная, ротационная, вибрационная вискозиметрия, метод падающего шарика, пенетрация и пластометрия.
Ротационные вискозиметры широко применяются во многих отраслях пищевой промышленности в технологических лабораториях предприятий, в научно-исследовательских организациях. Вискозиметры служат для контроля качества исходного сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также для контроля технологических процессов.
В ротационной
вискозиметрии измеряют крутящий момент
М и угловую скорость вращения
В
одном из основных вариантов метода слой
исследуемой жидкости высотой
Н находится между двумя коаксиальными
цилиндрами с внутренними радиусами
R>i> и
R>о> (R>i> <
R>o>) которые
вращаются один относительно
другого. Вязкость вычисляется
по формуле Маргулеса:
,
где
=R>0>> >/R>i>.
Обычно зазор между цилиндрами
мал [(R>0> —
R>i>)/R>0>>
>1],
что обеспечивает однородность условий
деформирования в исследуемом образце.
В этом основное преимущество ротационной
вискозиметрии перед капиллярной,
поскольку в капилляре неизбежно
распределение скоростей и напряжений
по радиусу канала. Если наружный цилиндр
отсутствует
,вязкость вычисляют
по формуле:
.
Образец можно помещать также
между конусом и плоскостью, между двумя
конусами или сферами. Для ньютоновских жидкостей
=
const. При расчете
вводят
всевозможные поправки, в первую очередь
на краевые эффекты.
Таким образом, в приборах реализуются два метода исследования:
- метод постоянства скорости деформации;
- метод постоянства крутящегося момента.
При реологических исследованиях эффективно сочетание обеих методов. Сочетание методов целесообразно осуществлять таким образом, чтобы вязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методом постоянства крутящегося момента, а процессы разрушения и режим установившегося течения – методом постоянства скорости деформации.
Методика расчета реологических характеристик имеет специфические особенности для каждой из двух основных областей состояния структуры продукта.
В области неразрушенной структуры определяют модули упругости, наибольшую вязкость и характер развития деформаций. Измерения начинают после тиксотропного восстановления структуры. Величины деформаций отсчитывают по показаниям прибора. Опыт проводят при усилиях, меньших, чем предельное напряжение сдвига, с интервалом записи деформаций 10-20 с.
При переходе к области лавинного разрушения структуры по кривой течения определяют статистическое и динамическое предельное напряжение сдвига, пластическую вязкость и зависимость эффективной вязкости от градиента скорости или напряжения сдвига. Обсчет результатов проводят по равновесной кривой течения, проходящей через все точки. Вращение ротора вызывает появление внутренних напряжений в продукте, который находится между ротором и стаканом. Эти касательные напряжения пропорциональны сдвигающим усилиям, поэтому графическую и математическую обработку опытов можно проводить в консистентных переменных, или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта.[4, 51c]
4. Регулирование структурно-механических свойств при механической обработке
Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается в построении кривых кинетики деформации (кривых течения). По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия, вязкость релаксационного релаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучести и прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так как зависит от механического режима деформирования. Перечисленные константы позволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полно охарактеризовать его структурно-механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых масс, то есть при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения.
Кривые течения (реограммы) ньютоновских жидкостей представляют собой прямую линию, проходящую через начало координат. Все кривые течения (дилатантная жидкость, структурно-вязкая жидкость, нелинейное пластичное тело, линейное пластичное тело), которые отклоняются от прямой линии, называют неньютоновскими жидкостями. При этом кривая – дилатантная жидкость, характеризующая дилатантное течение, характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», то есть происходит повышение вязкости; кривая – стуктурно-вязкая жидкость описывает псевдопластическое течение, что характерно для «сдвигового размягчения» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации; кривая – нелинейного пластичного тела показывает нелинейное пластическое течение, характерное для большинства пластичных тел после достижения предельного напряжения сдвига. Линейная зависимость - линейное пластичное тело характерна для бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению, после достижения предельного напряжения сдвига.
Тиксотропным системам присуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а также непрерывное ее разрушение (до определенного предела) при деформировании.
Реопексные системы способны структурироваться, то есть образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости.
Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса при нагрузке и разгрузке. Площадь реограммы между кривой и осью ординат представляет собой (в соответствующем масштабе) удельную мощность (на единицу объема). Она складывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этом же градиенте скорости достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса, характеризуют степень приближения структуры к равновесному состоянию.
Во многих процессах продукт подвергается интенсивным механическим воздействиям (в насосах, мешалках и т.д.), то есть его структура достигает частичного или практически предельного разрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований для практических расчетов следует хотя бы приближенно выбрать ту кривую течения, которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим при расчете различных процессов необходимо использовать характеристики, определенные в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественную оценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данного процесса характеристикам.[1, 108c]
Список литературы
1. Горбатова А.В. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов. М. - Легкая и Пищевая промышленность, 1982-237с
2. Перебейнос А.В. Технологии производства функциональной продукции из продовольственного сырья. М. - Легкая и Пищевая промышленность, 2002-230с
3. Рогов И.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. М. -Пищевая промышленность 2004-584с
4. Федоров Н.Е., Измерение ротационным вискозиметром. М. - Легкая и Пищевая промышленность, 2000-104с
5. Шалыгина А.М. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов. М. - Колос, 2002-201с