1. Задачиреологии
Реология — наука одеформации и течении различных тел, она изучает способы определения структурно-механическихсвойств сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов, приборы длярегулирования технологических процессов и контроля качества на всех стадияхпроизводства.
При помощи инженернойреологии, на основе биохимических, биофизических, физико-химических иорганолептических показателей, решают следующие задачи:
— глубокое изучениесущности процессов, участвующих в структурообразовании функциональныхпродуктов;
— определение нормативныхструктурно-механических свойств, характеризующих качество изделий, для ихиспользования в технологической документации;
— получение необходимыхданных для расчета и создания специализированного технологическогооборудования.
Реология включает двараздела: первый посвящен изучению реологических или в более общем смысле структурно-механическихсвойств реальных тел, второй рассматривает движение реальных тел в рабочихорганах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.[5, 6c]
2. Объектыисследований пищевой реологии
Объектом исследования в пищевой реологии являются пищевыематериалы.
Для проведения реологических исследований свойства телвыражают в виде математических (идеализированных) моделей или уравнений,которые с той или иной степенью точности характеризуют поведение реального телав процессе деформирования. Недостаток теоретической реологии заключается в том,что простые и понятные модели не пригодны для практического использования, априемлемые для практики модели – чрезвычайно сложны. Это положение относится кбелковым пищевым продуктам, которые имеют сложное физико-химическое строение ичувствительны к изменению внешних факторов. Для точного описания процессовтечения и деформирования этих продуктов необходимы составные комплексные моделитеоретической реологии и соответствующие дифференциальные уравнения, чтонеприемлемо для практических целей. Поэтому приходится находить приближенныерешения на основе различных гипотез и соображений. В инженерной реологии обычноориентируются на отыскание возможно простых зависимостей, так как для практикитребуются только некоторые средние, суммарные характеристики. С этой целью втеоретических и экспериментальных исследованиях используются различныереологические методы: дифференциальный и интегральный, методы анализазакономерностей и подобия. Разработка и проведение экспериментов, и ихобобщение в таком направлении позволяют получить физически обоснованныерешения, применимые для практических целей.[5, 12c]
3. Основы методики расчета реологическиххарактеристик, полученных на ротационных вискозиметрах
Вискозиметрия основывается на двух экспериментальныхпринципах: измеряется сопротивление движению, обусловленное вязкостью среды,либо при протекании исследуемого вещества в канале той или иной геометрическойформы, либо при движении твердоготела в среде, вязкость которойопределяют наиболее распространены капиллярная, ротационная, вибрационнаявискозиметрия, метод падающего шарика,пенетрация и пластометрия.
Ротационные вискозиметры широко применяются во многихотраслях пищевой промышленности в технологических лабораториях предприятий, внаучно-исследовательских организациях. Вискозиметры служат для контролякачества исходного сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также дляконтроля технологических процессов.
В ротационной вискозиметрии измеряюткрутящий момент М и угловую скорость вращения/> В одномиз основных вариантов метода слой исследуемой жидкости высотой Ннаходится между двумя коаксиальными цилиндрами с внутренними радиусами Ri и Rо (Ri
/> ,
где/>=R0 /Ri.
Обычно зазор между цилиндрами мал [(R0 — Ri)/R0/>1], чтообеспечивает однородность условий деформирования в исследуемом образце. В этомосновное преимущество ротационной вискозиметрии перед капиллярной, поскольку вкапилляре неизбежно распределение скоростей и напряжений по радиусу канала.Если наружный цилиндр отсутствует/> , вязкость вычисляютпо 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 накраевые эффекты.
Таким образом, в приборах реализуются два метода исследования:
— метод постоянства скорости деформации;
— метод постоянства крутящегося момента.
При реологических исследованиях эффективно сочетание обеихметодов. Сочетание методов целесообразно осуществлять таким образом, чтобывязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методомпостоянства крутящегося момента, а процессы разрушения и режим установившегосятечения – методом постоянства скорости деформации.
Методика расчета реологических характеристик имеетспецифические особенности для каждой из двух основных областей состоянияструктуры продукта.
В области неразрушенной структуры определяют модулиупругости, наибольшую вязкость и характер развития деформаций. Измеренияначинают после тиксотропного восстановления структуры. Величины деформацийотсчитывают по показаниям прибора. Опыт проводят при усилиях, меньших, чемпредельное напряжение сдвига, с интервалом записи деформаций 10-20 с.
При переходе к области лавинного разрушения структуры покривой течения определяют статистическое и динамическое предельное напряжениесдвига, пластическую вязкость и зависимость эффективной вязкости от градиентаскорости или напряжения сдвига. Обсчет результатов проводят по равновеснойкривой течения, проходящей через все точки. Вращение ротора вызывает появлениевнутренних напряжений в продукте, который находится между ротором и стаканом.Эти касательные напряжения пропорциональны сдвигающим усилиям, поэтомуграфическую и математическую обработку опытов можно проводить в консистентныхпеременных, или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственноиз опыта.[4, 51c]
4. Регулированиеструктурно-механических свойств при механической обработке
Наиболее простой методизучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается впостроении кривых кинетики деформации (кривых течения). По этим кривым можнонайти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модулимгновенной упругости и упругого последействия, вязкость релаксационногорелаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучестии прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так какзависит от механического режима деформирования. Перечисленные константыпозволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полноохарактеризовать его структурно-механические свойства. Получение такиххарактеристик 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, проходящуючерез начало координат. Все кривые течения (дилатантная жидкость,структурно-вязкая жидкость, нелинейное пластичное тело, линейное пластичноетело), 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 сувеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», то естьпроисходит повышение вязкости; кривая – стуктурно-вязкая жидкость описываетпсевдопластическое 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 предельногонапряжения сдвига. Линейная зависимость — линейное пластичное тело характернадля бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению, последостижения предельного напряжения сдвига.
Тиксотропным системамприсуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а такженепрерывное ее разрушение (до определенного предела) при деформировании.
Реопексные системыспособны структурироваться, то есть образовывать контакты между частицами врезультате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии снебольшими градиентами скорости.
Особенностью многихпсевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных системкоагуляционного типа является наличие петель гистерезиса при нагрузке иразгрузке. Площадь реограммы между кривой и осью ординат представляет собой (всоответствующем масштабе) удельную мощность (на единицу объема). Онаскладывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этомже 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 процессахпродукт подвергается интенсивным механическим воздействиям (в насосах, мешалкахи т.д.), то есть его структура достигает частичного или практически предельногоразрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований дляпрактических расчетов следует хотя бы приближенно выбрать ту кривую течения,которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим прирасчете различных процессов необходимо использовать характеристики,определенные в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественнуюоценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данногопроцесса характеристикам.[1, 108c]
Списоклитературы
1. Горбатова А.В. Структурно-механические характеристикипищевых продуктов. М. — Легкая и Пищевая промышленность, 1982-237с
2. Перебейнос А.В. Технологиипроизводства функциональной продукции из продовольственного сырья. М. — Легкаяи Пищевая промышленность, 2002-230с
3. Рогов И.В. Физические методыобработки пищевых продуктов. М. -Пищевая промышленность 2004-584с
4. Федоров Н.Е., Измерениеротационным вискозиметром. М. — Легкая и Пищевая промышленность, 2000-104с
5. Шалыгина А.М.Структурно-механические характеристики пищевых продуктов. М. — Колос, 2002-201с