Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Ильиных В.В. Инженерная реология - файл 1.doc


Ильиных В.В. Инженерная реология
скачать (3040 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3040kb.04.12.2011 01:33скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Федеральное агентство по образованию РФ
Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности

ИНЖЕНЕРНАЯ РЕОЛОГИЯ

Учебно-методический комплекс

для студентов по направлению 655900

«Технология сырья и продуктов животного происхождения»

по специальности 270900 «Технология мяса и мясных продуктов»

всех форм обучения

Кемерово 2005


Составитель

В.В. Ильиных

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры технологии мяса

Протокол №3 от 02.11.2004
Рекомендовано методической комиссией технологического факультета

Протокол №6 от 12.01.2005

Учебно-методический комплекс включает программу, теоретический материал по дисциплине, лабораторный практикум, задания для выполнения контрольных работ, список рекомендуемой литературы. В учебно-методическом комплексе отражены теоретические основы инженерной реологии, основные структурно-механические свойства пищевых продуктов, приборная техника для измерения структурно-механических свойств продуктов, основы реодинамических расчетов трубопроводного транспорта и транспортных средств, а также вопросы для контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукцией.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 655900 «Технология сырья и продуктов животного происхождения» по специальности 270900 «Технология мяса и мясных продуктов» всех форм обучения.

© КемТИПП, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Инженерная реология» относится к общепрофессиональным дисциплинам и предназначена для подготовки инженеров-технологов по специальности 270900 «Технология мяса и мясных продуктов».

Целью дисциплины является изучение основ инженерной реологии пищевых материалов, формирование у студентов знаний, умений и навыков в области структурообразования пищевых масс, методов и приборов для определения структурно-механических свойств пищевых материалов в целях контроля, регулирования и управления показателями сырья, готовой продукции на стадиях технологического процесса.

Основные задачи дисциплины:

  • приобретение теоретических знаний в области прикладной инженерной реологии как составной части науки физико-химической механики пищевых производств;

  • приобретение знаний в области структурообразования пищевых масс, построения реологических моделей для моделирования технологических процессов;

  • приобретение знаний в области методологии измерения и приборной техники для определения структурно-механических свойств пищевых масс.

В результате изучения дисциплины «Инженерная реология» студент должен знать: теоретические основы структурообразования пищевых масс и поведение пищевых материалов в ходе технологической обработки; классификацию основных структурно-механических свойств материалов; методы и приборы для определения структурно-механических характеристик сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; методы расчета результатов измерений, построение зависимостей структурно-механических характеристик от технологических параметров; основные направления в области оптимизации, контроля и управления технологическими процессами.

Уметь: определять структурно-механические свойства пищевого сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; проводить анализ характера изменения структурно-механических свойств пищевых масс в ходе технологической обработки и давать рекомендации по их регулированию; составлять схемы оптимизации технологических процессов для получения продукции высокого качества.

^ Иметь навыки: составления механических моделей для реальных пищевых продуктов; обращения с приборной техникой и методами измерения структурно-механических характеристик пищевых масс; анализа влияния тех-нологических факторов на характер изменения структурно-механических свойств сырья и готовой продукции; формирования практических рекомендаций по оптимизации, контролю и управлению качеством продукции.

Изучение дисциплины базируется на знании естественно-научных дисциплин: высшая математика, физика, теоретическая механика, гидравлика и др.

Знания по дисциплине применяются студентами при изучении спецдисциплин, а также при выполнении НИРС, УИРС, КП и ДП.

Дисциплина «Инженерная реология» изучается студентами дневной формы обучения на 4 курсе, а заочной формы обучения на 6 курсе.

I. ^ Содержание дисциплины
Тема 1. Введение
Предмет и задачи дисциплины. Роль инженерной реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукции. Инженерная реология как наука о деформации и течении материалов. Составные части инженерной реологии. Пищевые материалы как предмет изучения инженерной реологии.
Тема 2. Научные основы инженерной реологии
Общие положения. Понятия и определения. Виды дисперсий. Типы структур и их классификация. Основные термины и определения реологии: аксиомы реологии, деформация, упругость, вязкость, пластичность, адгезия и др.. Реологические модели простых «идеальных» тел. Основные уравнения напряжений и деформаций «идеальных» тел. Реологические модели сложных реальных тел. Основные уравнения сложных реологических тел. Основные нелинейные эмпирические уравнения напряжений и деформаций для реальных пищевых масс. Применение реологических моделей для описания свойств реальных пищевых масс.
Тема 3. Основные структурно-механические свойства пищевых продуктов
Структурно-механические характеристики пищевых материалов как объективной показатель воздействия. Основные структурно-механические характеристики пищевых материалов: сдвиговые, компрессионные и поверхностные. Сдвиговые свойства пищевых масс: предельное напряжение сдвига, эффективная и пластическая вязкость, период релаксации и др. Компрессионные свойства пищевых масс: модуль упругости, равновесный модуль, относительная и объемная деформация, плотность и др. Поверхностные свойства пищевых материалов: липкость и коэффициент внешнего трения. Влияние технологических факторов на структурно-механические свойства пищевых материалов: температуры, влагосодержания, давления, степени измельчения, продолжительности измельчения и др.
Тема 4. Методы и приборы для измерения структурно-механических свойств пищевых продуктов
Методология, классификация методов и приборов для измерения структурно-механических свойств пищевых масс. Приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов: капиллярные вискозиметры, ротационные вискозиметры, консистометры, пенетрометры и др. Приборы для измерения компрессионных свойств пищевых масс: приборы для измерения сжатия-растяжения, дефометры, компрессионные акалориметры, приборы для измерения кручения, среза и др. Приборы для измерения поверхностных свойств продуктов: адгезиометры, трибометры и др. Приборы для измерения структурно-механических свойств в технологическом потоке.
Тема 5. Реодинамические расчеты трубопроводов и транспортных устройств для вязко-пластичных сред
Общие положения. Перспективы развития трубопроводного транспорта

для перемещения сырья и полуфабрикатов. Основы теории реодинамических расчетов трубопроводов. Примеры расчетов трубопроводов и насадок для жидких, твердых и вязко-пластичных пищевых масс.
Тема 6. Контроль процессов и качества продуктов по структурно-ме-ханическим характеристикам
Актуальность проведения контроля за технологическими процессами и качеством продукции. Автоматизированный контроль качества продуктов. Связь между структурно-механическими свойствами продукта и сенсорной оценкой качества. Оптимизация технологических процессов на основе инженерной реологии.
Лабораторные работы
1. Определение предельного напряжения сдвига пластично-вязких продуктов на коническом пластометре КП-3.

2. Определение сдвиговых свойств мясного фарша на ротационном вискозиметре РВ-8.

3. Определение усилия среза для целых тканей мяса.

4. Определение вязкости жидкообразных продуктов.

Тема 1. Введение

1.1. Предмет и задачи дисциплины.

1.2. Роль инженерной реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукции.

1.3. Инженерная реология как наука о деформации и течении материалов.

1.4. Составные части инженерной реологии.

1.5. Пищевые материалы как предмет изучения инженерной реологии.
1.1. Предмет и задачи дисциплины
Предметом изучения дисциплины «Инженерная реология» являются пищевые материалы животного и растительного происхождения (мясо, рыба, молоко, зерно, овощи, фрукты и др.), а также пищевые композиции, состоящие из двух и более компонентов с добавлением различных добавок или без них (мясные и ливерные фарши, паштеты, полуфабрикаты, тесто, кондитерские массы и др.).

Основными задачами изучения дисциплины «Инженерная реология» являются:

  • изучение теоретических основ прикладной инженерной реологии как составной части науки физико-химической механики пищевых производств;

  • изучение основ структурообразования пищевых масс (продуктов) и поведения пищевых материалов в процессах технологической обработки;

  • изучение основных структурно-механических характеристик пищевых продуктов и их влияние на качество готовой продукции;

  • изучение механических моделей и их практическое применение для моделирования при разработке новых реальных пищевых продуктов;

  • изучение методов и приборов для определения структурно-механических характеристик пищевых продуктов;

  • знакомство с реологическими расчетами отдельных элементов технологического оборудования;

  • изучение основных направлений в области оптимизации, контроля и управления технологическими процессами с целью получения продукции высокого качества.


^ 1.2. Роль инженерной реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукции
Производство продуктов питания на современном уровне, включающих в себя проведение большое количество различных технологических процессов, невозможно без применения инструментальных (объективных) методов измерения и приборной техники для проведения контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукции. В этом важная и ответственная роль отводится инженерной реологии, как науке, занимающейся вопросами структурообразования пищевых материалов, изучением структурно-механических свойств, разработкой методов и приборов для их определения.

Вопросами структурообразования пищевых материалов, изучением структурно-механических (реологических) свойств, разработкой методов и приборов их определения занимается инженерная реология. Разработанные и предлагаемые к внедрению в промышленность приборы позволяют их устанавливать на местах или непосредственно в технологическое оборудование, включая их в технологический процесс обработки сырья. Оперативный сбор информации о качестве сырья на стадиях его поступления, технологической обработки и выпуска готовой продукции на основе реологических характеристик с применением приборов - все это обеспечивает возможность проведения контроля, регулирования и управления качеством сырья и готовой продукции.

Наиболее полное представление о качестве продукта дают свойства, определяемые его структурой. При этом важно, чтобы небольшие изменения структуры продукта вызывали существенное колебание тех характеристик, которые определяются с помощью приборов. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют структурно-механические (реологические) свойства продукта.

В качестве контролирующих параметров могут выступать структурно-механические (реологические) свойства сырья - сдвиговые (напряжение сдвига, вязкость, пенетрацию и др.), компрессионные (адгезия, липкость, пластичность и др.) и поверхностные (сила трения, коэффициент внешнего трения и др.).

Применяя приборы, можно измерять отдельные показатели (характеристики) структурно-механических (реологических) свойств сырья перед проведением, во время проведения и после проведения технологической операции или технологического процесса. Далее, сравнивания полученные данные с оптимальными (эталонными) значениями показателей, проводят их анализ, определяя отклонение, то есть контролировать. В случаях значительного отклонения показателей от заданных осуществлять оперативное вмешательство в изменение технологических параметров отработки.

При применении приборов, позволяющих проводить измерение контро-лируемых показателей непосредственно в технологическом процессе, можно контролировать изменение этих показателей, и изменения их достигать требуемых значений, т. е. регулировать их непосредственно во время выполнения технологического процесса.

Качество готовой продукции зависит не только от качества применяемого сырья, но также и от качества выполнения всех технологических процессов на стадиях ее производства. Это возможно при установке приборов, способных контролировать изменения показателей сырья в потоке, непосредственно на всех технологических операциях производства продукта.

Сбор информации о показателях сырья со всех операций технологического процесса производства и дальнейшее их сравнение с заданными (эталонными) показателями готовой продукции позволяют в целом контролировать, регулировать и управлять этими показателями. В результате всех проводимых мероприятий становится возможным получать продукцию, отвечающую всем показателям стандарта, т. е. выпускать качественную стандартную продукцию.

В настоящее время на основании результатов, достигнутых в науке, технике и инженерной реологии, становится возможным создание автоматизированных комплексов, систем по производству пищевых продуктов со стандартными показателями качества.

Роль инженерной реологии заключается в том, что, применяя в качестве

контролирующих показателей структурно-механические свойства продуктов, и инструментальные (объективные) методы и приборы оперативного контроля, становится возможным обеспечить контроль, регулирование и управление качеством сырья и готовой продукции.
^ 1.3. Инженерная реология как наука о деформации

и течении материалов
Реология - наука о деформации и течении различных тел. Слово «реология» происходит от греческого «реw», что означает «теку». Под деформацией понимается относительное смещение частиц материального тела, при котором не нарушается непрерывность (сплошность) самого тела. Если под действием конечных сил деформация тела увеличивается во времени непрерывно и необратимо, то это означает, что материал течет. При деформации обычно происходит изменение формы или размеров тела. Предметом реологии в общем понимании как науки является изучение различных видов деформации в зависимости от сопровождающих их напряжений.

В определение, что такое реология, имеется два взгляда на предмет реологии.

Реология, в широком смысле - это наука о деформации и течении различных материалов.

Реология, в узком смысле - это наука о деформации и течении материалов, проявляющих существенные отклонения свойств от классических моделей - ньютовский жидкостей, твердых гуковских и пластичных сен-венановских тел.

В развитии инженерной реологии различают следующие этапы.

Классическая реология - наука о течении и деформации реальных тел, в задачу которой входит изучение свойств существующих продуктов и разра-ботка методов расчета процессов течения их в рабочих органах машин.

Управляющая реология - наука, в задачу которой входит исследование и обоснование сочетания различных видов воздействий, при которых обеспечивается заданный уровень реологических характеристик в течение всего технологического процесса.

Физико-химическая механика - наука о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами, в задачи которой входят: установление существа образования и разрушения структур в дисперсных и нативных системах в зависимости от совокупности физико-химических, биохимических, механических и др. факторов; исследование, обоснование и оптимизация путей получения структур с заранее заданными технологическими свойствами.

Инженерная физико-химическая механика пищевых производств - наука, о деформировании и течении продуктов в рабочих органах машин и методах формирования структур дисперсных систем с заранее заданными технологическими характеристиками и развивается на базе физико-химической механики и реологии.

Инженерная реология как наука о течении и деформации реальных тел сформировалась в связи с изучением материалов, механические свойства которых являются промежуточными между свойствами упругих тел и вязких жидкостей. К таким материалам относятся и пищевые продукты - мясо и мясопродукты, молоко и молочные продукты, рыба и рыбные продукты и т.д. Реология также занимается изучением течения других разнообразных вязко-пластичных материалов, как-то глинистых паст и суспензий, консистентных смазок, смол, строительных растворов и т.п.

Основателем физико-химической механики является советский ученый, академик П.А. Ребиндер. Существенный вклад в развитие физико-хи-мической механики и реологии внесли многие отечественные и зарубежные ученые М. П. Волорович, Г.В. Виноградов, В.Е. Гуль, М. Рейнер и многие др. Значительный вклад в развитие реологических исследований в мясной и молочной промышленности внесли А.В. Горбатов, В.Д. Косой, в кондитерской, хлебопекарной и других отраслях пищевой промышленности Ю.А. Мачихин, С.А. Мачихин, Б.А. Николаев и др.

Инженерная реология пищевых производств или просто инженерная реология, является составной частью инженерной физико-химической механики пищевых производств, носит прикладной характер, в область изучения которой входят только пищевые материалы и их композиции.

Основными задачами инженерной реологии пищевых производств являются:

  • определение основных реологических характеристик пищевых материалов и установление их изменения от различных технологических факторов (длительности механической обработки; температуры, влажности и др.);

  • разработка методов и приборов для измерения реологических (структурно-механических) характеристик пищевых продуктов;

  • разработка механических моделей для реальных пищевых продуктов;

  • определение эталонных показателей реологических характеристик, установление связи реологических характеристик сырья и готовых продуктов;

  • управление структурой и качеством продуктов;

  • комплексное исследование различных физических характеристик для установления аналогии их изменения, для моделирования, прогнозирования, расчета и конструирования продуктов с заранее заданными технологическими показателями;

  • разработка научно-обоснованных методов расчета оборудования.


^ 1.4. Составные части инженерной реологии
Инженерная реология как наука включает в себя широкий круг вопросов, теоретическую основу, различные методы и приборы измерения реологических характеристик пищевых материалов, методики инженерных расчетов параметров, разработки по оптимизации, интенсификации технологических процессов, а также по контролю и управлению качеством продукции.

В целях, систематизации материала инженерная реология пищевых производств условно разделена на четыре части:

  • реология пищевых материалов - содержит основные сведения по теоретической части инженерной реологии пищевых материалов;

  • реометрия пищевых материалов - посвящена методам измерения реологических характеристик пищевых материалов, приборной технике и представлению результатов измерения;

  • реодинамические расчеты - посвящена представлению полученных экспериментальных данных в виде математических формул, графиков (реограмм), механических моделей, дающих количественную оценку результатам изменения пищевых материалов в результате воздействия рабочих органов машин, а также инженерные расчеты по технологическому оборудованию;

  • реологические основы оптимизации, интенсификации, контроля и управления качеством продукции - посвящена использованию результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований по разработке вопросов: оптимизации технологических параметров, интенсификации технологических процессов производства продуктов, проведения контроля качества продукции, а также разработке вопросов управления качеством выпускаемой продукции.


^ 1.5. Пищевые материалы как предмет изучения

инженерной реологии
В научных и производственных кругах среди специалистов, а также при изучении специальных дисциплин в вузах, техникумах и т.д. широко используется термин «пищевые материалы», под которым понимают реальные пищевые продукты - сырье растительного и животного происхождения (мясо, молоко, рыба, овощи, фрукты и т.д.), полуфабрикаты, смеси, композиции (мясной фарш, рыбный фарш, мучное тесто, кондитерские массы и т.д.) и готовая продукция (колбасные изделия, молочные продукты, хлебные, макаронные и кондитерские изделия и т.д.). Данный термин используется только для того, чтобы обозначить, что пищевые продукты как объект изучения, тоже рассматриваются как материал, но только как пищевой материал.

Целью рассмотрения данного вопроса является (выяснение) того, к какой науке относятся пищевые материалы с точки зрения их изучения. На этот вопрос однозначного ответа нет.

Пищевые продукты или пищевые материалы, как: сырье, полуфабрикаты, готовые продукты, в большинстве представляют собой сложные композиции, состоящие из двух, трех и более компонентов в различных пропорциях. Причем каждый компонент оказывает в той или иной мере влияние на свойства продукта и не учитывать их или абстрагироваться от них нельзя. С научной точки зрения пищевые продукты (материалы) относятся к дисперсным системам, объектом изучения которых является инженерная физико-химическая механика пищевых производств. Классификация дисперсных систем в зависимости от того или иного признака представлена ниже (см. п. 2.1).

Пищевые продукты (материалы) существенно отличаются от других тем, что они являются материалами растительного и животного происхождения. Кроме того, они не могут в течение продолжительного времени сохранятся в том виде, в каком были первоначально. Особенно это касается мяса и мясопродуктов. Изучением таких материалов занимается инженерная физико-химическая механика пищевых производств.

Пищевые продукты (материалы), как и другие, обладают комплексом различных свойств, среди которых группа физических свойств дает наиболее полное представление о структуре продукта. Структура продукта, ее изменение определяются структурно-механическими свойствами, которые принято выражать такими характеристиками (показателями) как упругость, вязкость, пластичность, липкость и др. Если предположить, что материал обладает только одним из этих свойств, например упругостью, вязкостью или пластичностью, то изучением таких материалов (см. табл. 2.1.) занимаются теоретическая механика, сопротивление материалов, гидравлика. Поведение таких материалов при воздействии внешних сил описываются уравнениями Ньютона, Гука, Сен-Венана и имеют линейную зависимость.

На основании проведенных исследований установлено, что большинство пищевых материалов при воздействии внешних нагрузок имеют несколько иной характер поведения. Причем характер изменения упругости, вязкости и пластичности имеет не линейную зависимость. При этом пищевые материалы одновременно могут обладать упругостью, вязкостью и пластичностью. Изучением такого типа материалов занимается инженерная реология (см. табл. 2.1.), поэтому пищевые продукты (материалы) являются предметом изучения инженерной реологии.


Тема 2. Научные основы инженерной реологии


2.1. Общие положения. Понятия и определения. Виды дисперсий. Типы структур и их классификация

2.2. Основные термины и определения реологии: аксиомы реологии, де-

формация, упругость, вязкость, пластичность, адгезия и др.

2.3. Реологические модели простых «идеальных» тел. Основные уравне-ния напряжений и деформаций «идеальных» тел

2.4. Реологические модели сложных реальных тел. Основные уравнения сложных реологических тел

2.5. Основные нелинейные эмпирические уравнения напряжений и де-формаций для реальных пищевых масс (продуктов)

2.6. Применение реологических моделей для описания свойств реальных пищевых масс (продуктов)

^ 2.1. Общие положения. Понятия и определения.

Виды дисперсий. Типы структур и их классификация
Предметом изучения инженерной реологии являются пищевые материалы, которые рассматриваются как реальные тела и занимает конкретное место в разделах технической механике сплошной среды. Общая классификация реальных тел представлена в табл. 2.1.

Согласно классификации, пищевые продукты могут быть представлены в различных сочетаниях основных так называемых «первичных» тел - упругого (тело Гука), идеально-вязкого (тело Ньютона) и идеально-пластичного (тело Сен-Венана) тела, комбинируя которые можно моделировать деформационные характеристики множества реальных пищевых продуктов. При этом поведение реологических тел описываются не простыми, а более сложными - нелинейными и эмпирическими уравнениями, чаще всего степенными, связывающими деформации и скорости деформаций.

С помощью основных «первичных» тел можно в различных сочетаниях и комбинациях моделировать деформационные характеристики любых реальных пищевых продуктов.

^ Виды дисперсий. В инженерной физико-химической механике, на кото- рую опирается инженерная реология, классическими объектами изучения являются дисперсные системы.

Дисперсная система - система, состоящая из двух и более фаз, в которой условно принято называть: непрерывную (слошную) фазу - дисперсионной средой, а другую, раздробленную, состоящую из частиц, не контактирующих друг с другом - дисперсной фазой. С этой точки зрения, пищевые продукты в большинстве случаев, состоящие из двух и более компонентов, представляют собой дисперсные системы. Отличием дисперсной системы от гомогенной является то, что в первой - частички дисперсной фазы состоят не из отдельных молекул, а из конгломератов, которые обладают термодинамическими свойствами фазы. Основным условием существования дисперсных систем является нерастворимость или малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Дисперсные системы с целью их систематизации классифицируют по ряду существенных признаков и для этого используют тот или иной критерий, отражающий одно определенное свойство. Наиболее известной и широко применяемой является классификация дисперсных систем, предложенная В. Освальдом, которая основана на различии агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды, представлена в табл. 2.2. Данная классификация позволяет охватить практически все дисперсные системы мясных продуктов.

Таблица 2.1
Классификация реальных тел


Идеально твердое тело,

Эвклидово

Упругое тело,

Гуково


Пластичное тело, Сен-Венаново


Реологическое тело


Истинно-вязкая жидкость, ньютоновская

Идеальная жидкость, пасскалевская

1

2

3

4

5

6

При любых нормальных касательных напряжениях деформация равна нулю

Напряжение пропорционально деформации

При достижении предельного напряжения сдвига начинаются пластические деформации

Линейные - сотавные из тел по графам 2, 3, 5 и нелинейные - эмпирические

Напряжение пропорционально градиенту скорости в первой степени

Вязкость и сжимаемость равна нулю

Теоретическая

механика

Сопротивление

материалов

Сопротивление материалов

Реология

Гидравлика

Гидравлика


Кроме названной выше классификации, дисперсные системы разделяют по структуре: на свободнодисперсные и связнодисперсные системы. К свободнодисперсным относятся дисперсные системы, в которых частицы фазы могут перемещаться свободно в дисперсионной среде (суспензии, эмульсии, золи), а к связнодисперсным - дисперсные системы, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может свободно перемещаться (эмульсии, гели, пасты, студни).

Таблица 2.2
Классификация дисперсных систем

Дисперсионная среда

Дисперсная

фаза

Система

Примеры системы

Газ

твердая

жидкая

газообразная

аэрозоли

аэрозоли-туманы

атмосфера

Коптильный дым, пыль,

дисперсия крови, молока;

атмосфера земли

Жидкость

твердая
жидкая
газообразная

суспензия
эмульсия
пена

бульон, колбасный фарш, паштеты;

кровь, жир в воде, молоко;
крем, взбитый белок

Твердое тело

твердая


жидкая


газообразная

твердая суспензия - сплав

капиллярные

системы, твердая эмульсия
пористые тела, твердые пены

замороженная мышечная ткань;

замороженное сливочное масло, нативная мышечная ткань, жидкость в пористых телах;

кость, сыр, изоляционный материал, взбитый и коагулированный меланж

Продолжение табл. 2.2


В зависимости от размера частиц дисперсной фазы, системы подразделяются: на грубодисперсные и высокодисперсные.

^ Типы структур и их классификация. Для представления материла как такового, а также для проведения схожести или разделения с другими материалами, вводится понятие структура.

Структура - внутреннее строение продукта (материала) и характер взаи-модействия между отдельными ее элементами (частицами), которую определяют: химический состав, биохимические показатели, температура, дисперсность, агрегатное состояние и ряд технологических факторов.

Академик П.А. Ребиндер, применяя к дисперсным системам феноменологический подход, условно разделил все материалы (массы) на два вида, на золи - вещества, ведущие себя как жидкости и гели - вещества, обладающие свойствами твердых тел.

Согласно классификации, предложенной академиком П.А. Ребиндером, структуры пищевых продуктов разделяют: на коагуляционные и конденсационно-кристализационные.

^ Коакуляционные структуры образуются в дисперсионных системах взаимодействием между частицами и молекулами через прослойки дисперсной среды за счет Ван-дер-Ваальсовых сил сцепления. В таких структурах частицы связаны между собой молекулярными силами сцепления, образуя сплошную сетку или каркас. Прочность каркаса зависит от наличия сольватного (гидратного) слоя на поверхности частиц. Отличительными признаками таких структур являются: сравнительно небольшая прочность связи между частицами; способностью к самопроизвольному восстановлению структуры после разрушения т.е. тиксотропией; обладают упругостью, пластичностью, вязкостью и др. свойствами. При обезвоживании прочность их повышается, и после определенного предела они перестают быть обратимотиксотропными. Типичными представителями систем с коагуляционной структурой являются сырые мясные и ливерные фарши колбас и др.

^ Конденсационно-кристализационные структуры. Они присущи натуральным продуктам (мясо и мясопродукты с сохраняющимся клеточным строением и др.), но могут образоваться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или срастании частиц дисперсной фазы при термообработке (коакуляции или денатурации белков), а также при охлаждении расплавов или увеличении концентрации растворов. Отличительными признаками такого типа структур являются: большая прочность по сравнению с коагуляционными; отсутствие тиксотропии и необратимый характер разрушения; высокая хрупкость и упругость из-за жесткости скелета структуры; наличие внутренних напряжений, возникающих в процессе образования фазовых контактов и влекущих в последующем перекристаллизацию и самопроизвольное понижение прочности вплоть до нарушения сплошности, например растрескивание при сушке.

В последующем, на основании исследований мясных и молочных продуктов, классификация была дополнена А.В. Горбатовым еще двумя переходными типами структур, которые получили название: коагуляционно-кристал-лизацонные и коагуляционно-конденсационные.

Таким образом, тип структуры продуктов обуславливает его качественные и технологические показатели и поведение в процессах деформирования. Для описания деформационного поведения структур используют кривые течения - реограммы, которые связывают между собой напряжение и скорость деформации (деформацию). Характер реограмм, как правило, дает возможность отнести реальный продукт к тому или иному виду реологических тел.
^ 2.2 Основные термины и определения реологии: аксиомы реологии, деформация, упругость, вязкость, пластичность, адгезия и др.
Инженерная реология, как любая другая наука, опирается на ряд аксиом, допущений, предположений и другие ограничения, которые вызваны необходимостью абсолютироваться от второстепенных вопросов.

^ Первая аксиома. Под действием всестороннего (изотропного) давления все материалы ведут себя одинаково - как идеально упругие тела.

Это означает, что всесторонне равномерное давление будет оказывать одинаковое действие на шар, изготовленный из стали, или на шар из мясного фарша (теста). Плотность обоих шаров будет увеличиваться без искажения формы. Изменение диаметров произойдет за счет упругой деформации, т.е. при снятии давления диаметр и плотность этих тел примут первоначальные значения. Различия в реологических свойствах проявляются только при деформации, изменяющей форму тела - деформации формоизменения.

^ Вторая аксиома. Каждый материал обладает всеми реологическими свойствами, хотя и в различной степени. К основным реологическим свойствам относятся упругость, пластичность, вязкость и прочность.

Это означает, что у одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения могут проявляться в большей или меньшей мере различные реологические свойства. Например, такой вязко-пластичный материал, как макаронное тесто, при мгновенном воздействии нагрузки в основном ведет себя, как упругое тело, а пластическая деформация и вязкое течение почти отсутствуют. При других условиях нагружения большее значение имеют пластические и вязкие свойства. Поэтому, в первую очередь, необходимо выяснить, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях являются основными, определяющими.

Рассмотрим основные физико-механические и математические понятия, используемые в инженерной реологии.

^ Виды деформаций. При приложении к материалу внешней нагрузки он подвергается воздействию, которое выражается в изменении его размеров и формы. Эти изменения материала принято называть деформацией. В зависи-мости от приложения нагрузки деформации принципиально разделяются на два вида: первые - деформации объемного (линейного) растяжения-сжатия и вторые - деформации сдвига. При первой изменяется только объем (линейный размер) материала, а его форма не претерпевает заметных изменений. При деформации сдвига изменяется форма материала, а объем его остается прежним. Между этими видами деформаций существует тесная взаимосвязь, определяемая коэффициентом Пуансона. Способность деформироваться под действием внешних сил - основное свойство материалов всех реальных тел.

Деформация - это изменение формы или линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и пр., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела.

В зависимости от вида деформации тела они разделяются на объемные, линейные (нормальные) и сдвиговые. Изменения линейных размеров тела принято выражать в относительных единицах деформации.

Относительная деформация тела при нормальном растяжении-сжатии, обозначают , представляет отношение абсолютной деформации к первоначальным размерам тела, определяют по формуле
. (2.1)
Объемная относительная деформация тела , определяется по формуле
, (2.2)
где , , - относительные деформации тела по осям x, y, z.

Относительная деформация при сдвиге , представляет отношение абсолютной величины сдвигового смещения слоя под действием касательных сил к его толщине h, определяют по формуле
. (2.3)
Деформации разделяются на упругие, т.е. исчезающие после снятия нагрузки, и на остаточные, необратимые, не исчезающие после удаления нагрузки. Остаточные деформации, не сопровождающиеся разрушением материала, называются пластическими, а сами материалы - пластическими.

^ Скорость деформации , , с-1, это изменение деформации во времени, определяют по формуле
при растяжении-сжатии: ;

при сдвиге: . (2.4)
Напряжение , , Па, - это мера внутренних сил , Н, возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади , м, нормальной к вектору приложения силы, определяют по формуле
нормальное напряжение ;

касательное напряжение (сдвига) . (2.5)
Упругость - способность тела после деформирования полностью вос-станавливать свою первоначальную форму, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел характеризуется модулями упругости:

при растяжении-сжатии - модулем упругости первого рода , Па;

при сдвиге - модулем упругости второго рода , Па.

Величины напряжений и деформаций связаны законом Гука и имеют вид уравнений
, . (2.6)
Адгезия , Па, это слипание разнородных твердых или жидких тел, соприкасающихся своими поверхностями. Прочность слипания тел определяют путем отрыва, вводя показатель как липкость , Н/м, которая рассчитывается по формуле:
, (2.7)
где - сила отрыва, Н; - геометрическая площадь пластины, м.
Отрыв материалов одного от другого может быть трех видов (рис. 2.1):

  • адгезионный, отрыв происходит по границе контакта материалов;

  • когезионный, отрыв происходит по слою одного из материалов;

  • адгезионно-когезионный, смешанный











а б в г

Рис. 2.1. Виды отрыва:

а - предварительный контакт, б - адгезионный, в - когезионный, г - адгезионно-когезионный.

Внешнее трение - взаимодействие между телами на границе их соприкосновения, препятствующее относительному их перемещению вдоль поверхности соприкосновения. Оно зависит от нормального усилия и липкости, и рассчитывается по формуле:
, (2.8)
где Ртр - внешнее трение, Н; - истинный коэффициент внешнего трения;

- сила нормальная поверхности сдвига (усилие контакта), Н.
^ Коэффициент внешнего трени f. Для пищевых материалов в зависимости от реологических свойств, состояния фрикционных поверхностей и скорости скольжения коэффициент внешнего трения f определяется различными способами. Классический тип прибора для измерения силы внешнего трения представляет собой пару тел, соприкасающихся плоскими поверхностями, площадь которых может быть от долей квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров. При этом одно из тел смещается относительно другого. Сила, прикладываемая для смещения (трения) одного тела относительно другого, измеряется тензометрическими, динамометрическими или какими-либо другими датчиками.

Вязкость , Па·с, - это способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. Вязкое течение реализуется в истинно-вязких, ньютовских жидкостях при любых, сколь угодно малых напряжениях сдвига, и описывается уравнением Ньютона
. (2.9)
При течении неньютовских (аномально-вязких) жидкостей вязкость не остается величиной постоянной, она зависит от напряжения сдвига и градиента скорости. В этом случае пользуются понятием «эффективная вязкость» , Па·с, которая рассчитывается по формуле
(2.10)
Пластичность , Па, это способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. Пластическое течение начинается при величине напряжения, равной пределу текучести.
^ 2.3. Реологические модели простых «идеальных» тел.

Основные уравнения напряжений и деформаций «идеальных» тел
Для моделирования поведения сложного реологического тела в зависимости от свойств его компонентов в инженерной реологии используются комбинации в различных сочетаниях рассмотренных выше простых идеальных тел, каждое из которых обладает только одним физико-механическим свойством.

Модели простых идеальных тел можно комбинировать, располагая их параллельно, последовательно, смешанно (параллельно и последовательно). В комбинациях число простых элементов может быть разное - два, три, четыре и более, достигая 10-20. Однако практика показывает, что применение в моделях свыше трех, четырех элементов значительно усложняет возможности визуального наблюдения за поведением тел при одновременном изменении такого количества его свойств. Поэтому, чаще всего применяются сложные модели, в которых количество элементов составляет не более трех, четырех.

Для параллельного соединения элементов принимается, что деформация упругого элемента равна деформации вязкого элемента, а суммарное напряжение равно сумме напряжений упругого и вязкого элементов.




Механическая модель «идеально» упругого тела. Такой моделью представляется упругое тело Гука и изображается в виде пружины (рис. 2.2).
а б

Рис. 2.2. Механическая модель тела Гука
Данная модель характеризуется тем, что при приложении мгновенной нагрузки пружина сжимается, а после снятия возвращается в исходное положение. При этом понимается, что деформации возникают непосредственно после приложения нагрузки и скорость ее распространения практически мгновенна.

Ее поведение описывается законом Гука, основным уравнением которого являются выражения вида:


  • при растяжении-сжатии: ;




  • при сдвиге: . (2.11)



Зависимость напряжения от деформации ( или ) принято показывать в виде реограммы т.е. в виде графика (рис. 2.2, б).

^ Механическая модель «идеально» вязкого тела. Такой моделью представляется вязкое тело Ньютона и изображается в виде цилиндра с жидкостью и поршня с отверстиями (демпфера), через отверстия которого может протекать жидкость (рис. 2.3). При перемещении поршня жидкость через отверстия протекает из одной части цилиндра в другую. При этом перемещение поршня не свободно, а зависит от сопротивления жидкости, т.е. ее вязкости.




Поведение модели характеризуется тем, что при приложении мгновенной нагрузки она ведет себя, как абсолютно твердое тело, так как жидкость не способна мгновенно перетечь через отверстия поршня. Если к модели приложить нагрузку и выдерживать под ней или нагрузку прикладывать постепенно, то поршень будет перемещаться в цилиндре в результате протекания жидкости через отверстия. При этом скорость его перемещения зависит от вязкости жидкости, которой он наполнен.

а б

Рис. 2.3 Механическая модель тела Ньютона
Ее поведение описывается законом Ньютона. Основным уравнением, описывающим поведение модели является уравнение вида:


  • при продольном смещении: ,




  • при сдвиге: . (2.12)


Графическая зависимость представлена на рис. 2.3 б.




Механическая модель «идеально» пластичного тела. Такой моделью представлено пластичное тело Сен-Венана и изображается в виде пары трения скольжения (рис. 2.4).

а б
Рис. 2.4 Механическая модель тела Сен-Венана

Модель характеризуется тем, что при приложении нагрузки менее критической величины, она остается неподвижной, т.е. никаким изменениям не подвергается. И в случае достижения нагрузки некоторой критической величины происходит смещение одного элемента относительно другого, при этом элемент может перемещаться с любой скоростью.

Ее поведение описывается основным уравнением вида:
, (2.13)
где - предел текучести материала, т.е. критическая величина напряжения при котором материал начинает течь необратимо, Па.

Графическая зависимость представлена на рис. 2.4 б.

На практике механические модели «идеальных» тел и их основные уравнения используются для описания поведения, свойств реальных пищевых материалов, жидкостей, которые достаточно близки по свойствам к ним. Однако, в большинстве это невозможно по причине того, что пищевые материалы представляют собой достаточно сложные композиции, которые одновременно могут обладать двумя, тремя и более свойствами.
^ 2.4. Реологические модели сложных реальных тел.

Основные уравнения сложных реологических тел
Основными сложными моделями широко используемыми для моделирования реальных пищевых продуктов, в том числе мясных, являются: модель упруго-вязкого тела (тело Максвелла), модель упруго-вязкого тела (тело Фойгта-Кельвина), модель упруго-пластичного тела, модель вязко-пластич-ного тела (Шведова-Бингама) и др.

^ Механическая модель вязко-упругого тела с релаксацией деформаций (тела Максвелла). Механическая модель вязко-упругого релаксирующего тела Максвелла (рис. 2.5) представляет последовательное соединение элементов Гука с модулем упругости и Ньютона с вязкостью . На оба элемента действует одинаковое напряжение . Для последовательного соединения элементов считается, что полная скорость деформации тела равна сумме скоростей ее элементов и каждый элемент передает полную нагрузку.
Рис. 2.5. Механическая модель тела Максвелла

Поведение модели. Если к модели приложить мгновенную нагрузку и сразу снять, то успевает отреагировать только пружина, которая растянется и сожмется, а поршень не успевает сдвинутся. В этом случае модель ведет себя как упругое тело. Если после приложения нагрузки продолжать поддерживать растяжение пружины постоянным, то она релаксирует, т.е. сжимается, перемещая поршень, до тех пор, пока полностью не вернется к своему первоначальному состоянию. В этом случае модель ведет себя, почти как ньютовская жидкость.

Для упругого элемента скорость деформации определяется из закона Гука , а для вязкого из закона Ньютона .

Складывая скорости упругой и вязкой деформаций и проведя математические действия, получаем основное реологическое уравнение для тела Максвелла вида:
или . (2.14)
Механическая модель вязко-упругого тела с релаксаций напряжений (тела Фойгта-Кельвина). Механическая модель вязко-упругого тела Фойгта- Кельвина (рис. 2.6 ) представляет параллельное соединение элементов Гука с




модулем упругости и Ньютона с вязкостью .

б

Рис. 2.6 Механическая модель тела Фойгта-Кельвина
Поведение модели. Если к модели приложить нагрузку мгновенно и снять, модель остается неподвижной, т.е. она ведет себя, как абсолютно твердое тело. Если к модели приложить нагрузку и ее удерживать постоянной, то под действием растягивающего усилия пружина удлиняется, и одновременно перемещается поршень в жидкости. При этом движение поршня связано с вязким сопротивлением жидкости, ввиду чего полное растяжение пружины наступает не сразу. После снятия нагрузки, пружина сжимается до первоначальной длины, но это требует времени вследствие вязкого сопротивления жидкости.

Поведение модели описывается основным уравнением Фойгта-Кель-вина вида
. (2.15)
Если предположить, что деформация постоянна, то =0, при этом наблюдается процесс рассасывания, релаксации напряжений, причем при =0 напряжение равно какому-то начальному значению . При интегрировании уравнения в пределах от до и времени от 0 до получают уравнение вида
или . (2.16)
Если в этом уравнении выражение обозначить через , то уравнение примет вид
, (2.17)
где - период релаксации, сек.

Данное уравнение называют экспоненциальным уравнением релаксации напряжений.

Период релаксации характеризует быстроту процесса перехода системы из неравновесного термодинамического состояния, вызванного внешним воздействием, в состояние термодинамического равновесия. За этот период напряжение убывает в 2,7 раза.




^ Механическая модель вязко-пластичного тела Шведова-Бингама. Механическая модель (рис. 2.7) представляет параллельное соединение элементов Ньютона с вязкостью и Сен-Венана с пределом текучести .

Рис. 2.7 Механическая модель вязко-пластичного тела Шведова-Бингама.
Поведение модели. Если при приложении нагрузки в модели возникают напряжения выражающиеся неравенством , то тело ведет себя как абсолютно твердое недеформируемое. В противоположном случае, когда , механическая модель описывается основным реологическим уравнением вида:
или . (2.18)




Механическая модель упруго-пластичного тела. Механическая модель упруго-пластичного тела (рис. 2.8) представляет последовательное соединение упругого элемента Гука с модулем упругости и пластического элемента Сен-Венана с пределом текучести .

а б

Рис. 2.8. Механическая модель упруго-пластичного тела
Поведение модели. При приложении нагрузки меньше критической величины происходит только растяжение пружины, а пара трения скольжения остается неподвижной, т.е. модель ведет себя, как упругое тело. В случае превышения нагрузки выше критической, происходит перемещение одного элемента пластичного тела относительно другого, при этом пружина остается в том же растянутом состоянии, в котором находилась в момент достижения нагрузки критической величины, т.е. модель ведет себя, как пластичное тело.

При механическая модель упруго-пластичного тела описывается основным реологическим уравнением Гука имеющего вид .

При , механическая модель описывается основным реологическим уравнением Сен-Венана имеющего вид .
^ 2.5. Основные нелинейные эмпирические уравнения напряжений и деформаций для реальных пищевых масс (продуктов)
В связи с тем, что нередко классические реологические модели не позволяют достаточно точно описать кривую течения материала, в реологии широко используются различные эмпирические и полуэмпирические уравнения, полученные экспериментальным путем. Среди множества уравнений, предлагаемых для описания течения пищевых масс, широко используются два основных уравнения - уравнение Шульмана и уравнение Гершеля-Балкли.

Первое уравнение: уравнение Шульмана, которое имеет вид
=, (2.19)
где а, b - коэффициенты, определяемые экспериментально.

При значениях а = b = 2 это уравнение превращается в уравнение Кэссона, вида
. (2.20)

Второе уравнение: уравнение Гершеля-Балкли, которое имеет вид:

, (2.21)
где - коэффициент, пропорциональный вязкости при градиенте скорости, равном единице, Па·сп; п - индекс течения.

Данное уравнение при =0 приобретает вид степенного уравнения Освальда де Вале

. (2.22)
При п = 1 уравнение приобретает вид уравнения Шведова-Бингама.

Приведенные математические зависимости широко используются для описания поведения пищевых продуктов в различных условиях деформирования при приложении нормальных и касательных напряжений.
^ 2.6. Применение реологических моделей для описания свойств реальных пищевых масс (продуктов)
Представленные выше механические модели широко используются для моделирования и описания свойств реальных пищевых продуктов.

Для моделирования свойств мясных фаршей для вареных колбас рекомендуется механическая модель Шведова-Бингама (см. рис. 2.7). Так, например, при моделирования поведения двух и более приготовленных образцов фаршей, отличающихся хотя бы одним показателем, например вязкостью, наглядно видно, что при приложении нагрузки одной и той же величины, более существенной деформации подвергнется образец, имеющий наименьшую вязкость. А в случае, например, полной потери пластичности материал переходит в состояние вязкого материала, не способного удерживать свою форму, т.е. будет просто растекаться. С помощью данной модели можно исследовать поведение мясных фаршей например, при добавлении воды, различных добавок или оценить механическое воздействие на структуру продукта и т.д.

Для описания поведения цельной мышечной ткани мяса может применяться механическая модель Максвелла. Для описания других материалов могут применяться другие механические модели, рассмотренные выше.

Как показывает практика, применение механических моделей для описания поведения материалов с двумя элементами дают недостаточно точные результаты, которые могут значительно отличаться от результатов, полученных с помощью экспериментальных кривых реограмм. Поэтому с целью повышения точности предлагаются модели, состоящие из трех или четырех элементов простых моделей.

Так, например, для описания поведения материалов, обладающих одновременно упруго-пластично-вязкими свойствами, предлагается механическая модель, состоящая из двух упругих тел, пластичного и вязкого, которая представлена на рис. 2.9 а.

а б

Рис. 2.9. Механические модели реальных пищевых материалов:

а) - механическая модель продуктов типа мясных фаршей, б) – механическая модель неразрушенной мышечной ткани мяса: 1 - линейно-упругий элемент; 2 - нелинейно-упругий элемент; 3 - вязкий элемент;

4 - элемент, фиксирующий определенное значение деформации.
Данная модель более точно описывает поведение материалов типа мясные фарши, тесто и др., которые обладают одновременно тремя свойствами - упругими, пластичными и вязкими.

Для более точного описания поведения неразрушенной мышечной ткани мяса предлагается механическая модель, представленная на рис. 2.9 б.

Структура неразрушенной мышечной ткани мяса, сложная по своему строению, представлена в виде мышечных волокон, связанных пространственной соединительной пленкой. Все промежутки структуры заполнены тканевой жидкостью: слабо и сильносвязанной влагой. По характеру и прочности связи между частицами мышечную ткань можно отнести частично к конденсационно-кристаллизационным структурам. Подобные структуры обладают рядом свойств твердых тел, но в то же время эластичны, пластичны и т.д., что необходимо учитывать при выборе наиболее целесообразных способов и режимов технологической обработки.

Общая деформация механической модели складывается из нелинейно-упругой с модулем упругости (последовательно включенный элемент (2), эластичной с модулем упругости и вязкостью 1 (параллельно соединенные элементы (1) и (3)) и пластической с нелинейным модулем упругости , вязкостью и фиксатором (последовательно соединенные элементы (2), (3) и параллельно с ними фиксатор - элемент (4).

Данная механическая модель позволяет моделировать деформационные изменения мяса при осевом сжатии. Модель описывается нелинейным дифференциальным реологическим уравнением второго порядка.

Кроме рассмотренных механических моделей, предлагаются и другие для конкретных материалов, познакомиться с которыми можно в специальной литературе.


  1   2   3   4   5   6



Скачать файл (3040 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru