Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf

га считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновес­ ное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. В общем виде кривая

Учитывая, что градиент скорости и окружная скорость боковой поверхности ротора вискозиметра w связаны соотно-

24

шениемё = aw [см. формулы (I—35), (I—36), (I—39) и (I—43)],

формулу (I—26) можно представить в следующем виде:

(1-27)

где В — эффективная вязкость при единичной скорости, т. е. при wi=

= 1 м/с;

w„— относительная скорость, численно равна скорости, выраженной

вм/с;

а— коэффициент, зависящий от толщины градиентного слоя и спо­

соба расчета градиента скорости, 1/м.

Исходя из зависимости изменения эффективной вязкости от напряже­

Эта характеристика показывает, какая часть структурной сетки от первоначального состояния разрушилась при данной величине напряжения сдвига.

В последнее время Г. М. Бартенев и Н. В. Ермилова [15] развивают представления, согласно которым целесообразно классифицировать дисперсные системы на твердо- и жидкооб­ разные по характеру уменьшения эффективности вязкости с увеличением градиента скорости. Они вводят понятие о двух типах реологических кривых течения. К первому типу отно­ сятся кривые течения, у которых вязкость и градиент скорости являются однозначными функциями напряжения (см. рис. 2 и 3). Эти кривые характерны для многих исследованных пищевых продуктов (мясные фарши, конфетные массы и пр.). У второго типа кривых течения зависимость вязкости или скорости дефор­ мации представляются неоднозначными функциями напряже­ ния сдвига (рис. 4). Для них характерно наличие некоторой области уменьшения напряжения сдвига при увеличении гра­ диента скорости. Такие кривые были получены для некоторых концентрированных суспензий глин, консистентных смазок, полимерных дисперсий; изучены они недостаточно.

При обработке экспериментальных данных не всегда удается всю кривую течения описать одним уравнением, тогда реоло­ гические характеристики вычисляют для определенных интер­ валов напряжений или деформаций. В тех случаях, когда опыт­ ная кривая не «спрямляется», ее либо разбивают на участки, либо аппроксимируют одной прямой [27, 58].

Особенностью многих структурированных дисперсных систем коагу­ ляционного типа является наличие петель гистерезиса при нагрузке и разгрузке. Материал начинает течь, когда напряжение достигает предель­

25

ной величины. В дальнейшем, с увеличением напряжения, повышается градиент скорости и разрушается структурная сетка, уменьшаются адсорб­ ционные оболочки частиц, разрушаются агрегаты. Каждому значению гра­ диента скорости соответствует определенное равновесное состояние сис­ темы, которое достигается при чрезвычайно медленных изменениях гра­ диента скорости. В действительности, опыт протекает быстро, возможны местные накопления деформаций или напряжений, которые не успевают релаксировать при переходе к следующему измерению, когда наклады-

напряжения сдвига.

ваются новые напряжения. Неоднократное прохождение зоны исследуемых напряжений в прямом и обратном направлениях позволяет добиться рав­ новесного состояния продукта, при котором петли гистерезиса практичес­ ки исчезнут. Обычно каждая последующая кривая располагается левее и выше предыдущей (рис. 3, а и 13). В пространственной системе коорди­ нат т1Эф(т,0) все экспериментальные точки образуют криволинейную поверх­ ность. Площадь реограммы (см. рис. 3, а) между кривой с (0) и осью орди­ нат представляет собой удельную мощность N (на единицу объема в Вт/м3). Она складывается из мощности ньютоновского течения N„ (пло­ щадь между осью ординат и линией 0—5) и мощности AN, требующейся при том же градиенте скорости для достижения данной степени разруше­ ния структуры, т. е. N = Nn-f- A N [11].

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СДВИГОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Приборы и методы исследования реологиче­ ских свойств пищевых продуктов

В зависимости от состояния исследуемого пище­ вого продукта (твердоили жидкообразное) приборы для изме­ рения свойств подразделяют на два вида; однако в ряде случаев одни и те же приборы (например, ротационные) пригодны для изучения свойств обеих групп продуктов.

26

По физико-математической обоснованности принципа работы приборы для измерения реологических свойств любых продук­ тов подразделяют на три группы: абсолютные, относительные и условные. С помощью приборов первой группы получают чис­ ленное значение свойств в абсолютной системе единиц, основы­ ваясь на геометрических размерах рабочего органа и условиях проведения опыта; приборы второй группы требуют предва­ рительной тарировки на эталонном материале, в результате получают безразмерные относительные показатели, которые легко пересчитать в абсолютные значения. Приборы обеих групп теоретически обоснованы. Данные, полученные на этих прибо­ рах, как правило, объективны, их можно использовать для расчета рабочих узлов машин и аппаратов и для оценки ка­ чества продукта. Значения измеряемых величин, полученные на приборах третьей группы, не пригодны для расчетов, их исполь­ зуют главным образом для сравнения каких-либо качественных показателей в узком диапазоне изменения технологических характеристик продукта.

Приборы могут быть дифференциальными и интегральны­ ми. Первые позволяют проследить распределение скоростей и деформаций продукта в приборе для любого момента време­ ни и сечения. Вторые дают возможность определить конечный, суммарный эффект измерения. Поля скоростей и деформаций могут быть однородными, т. е. изменяться одинаково по всему сечению, и неоднородными.

Основньми предпосылками для применения величин СМС в расчетах рабочих узлов машин является подобие эпюр ско­ ростей и деформаций при измерении в приборе и в рабочем узле, одинаковый или подобный характер численных измене­ ний величин СМС при воздействии однотипных факторов. Для соблюдения этого условия существенное значение имеет пра­ вильный выбор вида прибора и размеров его рабочего органа. Влияние на показания приборов геометрических, кинемати­ ческих и динамических факторов определяется эксперимен­ тально и имеет целью выбор оптимальных условий проведения экспериментов. В оптимальном режиме эксплуатации прибора измеренные величины СМС объективно отражают внутреннюю сущность объекта.

При работе на приборах возможны систематические й случайные ошиб­ ки. Удовлетворительной считается ошибка ±10% при измерении СМС пластично-вязких и ±2% при измерении СМС жидких продуктов. Тща­ тельная разработка методики экспериментов позволяет в ряде случаев свести ошибку к минимуму (не более ±5% ).

Твердообразные продукты. Сдвиговые свойства измеряют приборами, позволяющими определить силу сопротивления внутри материала при относительном смещении его слоев.

27

Наиболее важные сдвиговые свойства — предельное напряже­ ние и вязкость (пластическая, эффективная и пр.).

Больше всего распространены ротационные вискозиметры [16]. Приборы (рис. 5, а, б) имеют два концентрических цилинд­ ра (конуса, диска, ш ара)— внутренний и внешний, один из которых может быть сменным для изменения величины зазора. В некоторых случаях рабочий орган помещают в «неограничен­ ную» среду, например шаровой вискозиметр Бакунца для мяс­ ного фарша [12]. Зазор между рабочими органами заполняется исследуемым материалом и один из них приводится во враще­ ние. Опыт сводится к определению деформации или скорости деформаций и силы (напряжения) сопротивления.

Вискозиметры различают по конструктивным особенностям и способу привода одного из цилиндров. Привод от падающих грузов осуществлен в вискозиметрах Воларовича (см. рис. 5, а); от электродвигателя с измерением напряжений упругой нитью (торзионом) — в вискозиметрах типа «Реотест» (см. рис. 5, б), а также системы Дерягина,Михайлова, Виноградова и Павлова, Трапезникова и др. [16, 31].

Для измерения наибольшей вязкости, модуля упругости, периода релаксации при малых деформациях сдвига с однород­ ным полем применяют приборы с тангенциальным смещением пластин [91, 146]. Предельное напряжение сдвига можно опре­ делить на приборе конструкции Симоняна (рис. 5, в) или на коническом пластометре (рис. 5, г).

Для исследования реологических свойств с целью расчета движения материалов по трубам целесообразно использовать приборы, имеющие длинную трубу — «капилляр». В прибо­ рах создаются неоднородные поля деформаций, центральная часть потока может двигаться как твердый стержень. Заслу­ живает внимания «капиллярный» вискозиметр, работающий по принципу «моста» (рис. 5, д). Он применим для фруктовых и овощных пюре. При протекании пюре через трубки возникает перепад давлений (разбаланс моста). Если меняются пластично­ вязкие свойства пюре, то изменяется перепад давлений, который регистрируется прибором. При наличии обратной связи этот прибор может регулировать консистенцию пюре. При измене­ нии расхода от 6 до 12 л в минуту ошибка не превышает ± 2 % (диаметр узкой трубки 6 мм).

Метод падающего, или всплывающего, шарика для пластич­ но-вязких систем не нашел применения [70].

Результаты измерений при напряжениях, меньших предель­ ного напряжения сдвига, могут содержать существенные ошиб­ ки — до ± 30%, а при исследовании на разных приборах от­ личаются в несколько раз и пригодны лишь для качественной оценки того или иного технологического процесса. СМС, изме­

29