Роль реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качества сырья.

Основные разделы реологии.

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 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.

Роль реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качества сырья.

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 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 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 контролируемых 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 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.

Таблица 1

Дисперсная среда	Дисперсная фаза	Примеры систем
газ	+твердая (аэрозоли) +жидкость (аэрозоли туманы) +газ (атмосфера)	Коптильный дым, пыль Дисперсия крови, молока Атмосфера земли
жидкость	+твердая (суспензия) +жидкая (эмульсия) +газ (пена)	Бульон, колбасныйфарш, паштет Кровь, жир в воде, молоко Крем, взбитый белок
Твердое тело	+твердая (твердая суспензия-сплав) +жидкость (капиллярные системы, твердая эмульсия) +газ (пористые тела, твердые пены)	Замороженная мышечная ткань Замороженное сливочное масло, нативная мышечная ткань, жидкость в пористых телах Кость, сыр, изолированный материал, взбитый и коагулированный меланж

При определении реологического поведения продукта приведенные в таблице данные позволяют отнести его к той или иной группе: сыпучим, жидко- и твердообразным (в зависимости от концентрации дисперсной фазы) или твердым. В реологии жидкообразные продукты принято называть золи, а твердообразные - гели. Продукты в таблице 1 отнесены к той или иной системе по главнейшим признакам. Например, колбасный фарш после куттерования представляет собой суспензию, насыщенную воздушными пузырьками, то есть трехфазную систему. Один и тот же продукт (сливочное масло) в зависимости от температуры может быть отнесен к разным системам. Механическое воздействие (резание, 15 взбивание, перемешивание) также может вызвать переход из одного вида дисперсии в другой.

Упругопластическое тело

Положение, согласно которому уравновешенная система сил, приложенная к некоторой части твёрдого тела, вызывает в нём появление неравномерности распределения напряжений, которая быстро уменьшается по мере удаления от этой части. На расстояниях, больших максимального линейного размера зоны приложения нагрузок, неравномерность распределения напряжения и деформации оказываются пренебрежительно малыми. Сформулирован Сен-Венаном в 1855 году. Строгого доказательства этого принципа для общего случая нет, однако он подтверждается экспериментом, численными методами решения задач и строгими аналитическими решениями частных случаев. В сопротивлении материалов этот принцип формулируется так: в сечениях, достаточно удалённых от мест приложения нагрузки, деформация тела не зависит от конкретного способа нагрузки и определяется лишь статическим эквивалентом нагрузки. Таким образом, этот принцип позволяет одни граничные условия (действующие силы) заменять другими (удобными для статичного расчёта) при условии, что равнодействующая и главный момент новой заданной системы сил не изменяется. Принцип используется также и при упругопластической деформации.

Вязкоупругое тело Кельвина.

Вязкоупругость – это свойство материалов быть и вязким и упругим при деформации. Вязкие материалы, такие как мед, при сопротивлении сдвигаются и натягиваются линейно во время напряжения. Упругие материалы тянутся во время растягивания и быстро возвращаются в обратное состояние, когда уходит напряжение. У вязкоупругих материалов свойства обоих элементов, и по существу, проявляют напряжение в зависимости от времени. В то время как упругость обычно является результатом растягивания вдоль кристаллографический плоскости в определенном твердом теле, вязкость является результатом диффузии атомов или молекул в аморфных материалах. Существуют некоторые проявления вязкоупругих материалов:

· если держится постоянное напряжение, нагрузка растет со временем (ползучесть)

· если держится постоянная нагрузка, напряжение уменьшается со временем (расслабление)

· фактическая неподвижность зависит от уровня нагрузки

· если применена циклическая нагрузка, то получается гистерезис (отставание фаз), который приводит к рассеиванию механической энергии

· акустические волны подвергаются ослаблению

· восстановление объекта после воздействия меньше, чем 100%

· во время верчения происходит сопротивление трения

Если быть точным, вязкоупругость – это молекулярная перестановка. Во время напряжения вязкоупругого материала такого как полимер, части длинной полимерной цепочки меняют позиции. Это движение или перестановка называется ползучесть. Полимеры остаются твердыми материалами, даже если эти части цепей переставляются в порядке, сопутствующему напряжению, и когда так происходит, создается обратное напряжение в материале. Когда обратное напряжение происходит в той же магнитуде, что и напряжение, материал перестает ползти. Когда изначальное напряжение уходит, накопленное обратное натяжение заставит полимер вернуться в оригинальную форму. При ползучести материала, приставляется префикс вязко-, если материал полностью восстанавливается, приставляется суффикс -упругость.

Поверхностные свойства

Поверхностные свойства занимают особое место среди структурно-механических свойств (адгезия, липкость, коэффициент трения). Они характеризуют усилие взаимодействия между поверхностями конструкционного материала и продуктом при нормальном отрыве или сдвиге. При этом для большинства продуктов пищевой промышленности липкость (адгезия) обусловливает величину усилия внешнего трения. Под липкостью понимается свойство продукта образовывать связи с твердой поверхностью. Эти связи имеют молекулярный характер, следовательно, их количество зависит от площади действительного молекулярного контакта, которая в свою очередь определяется пластичностью (вязкостью) продукта, продолжительностью контактирования, давлением прижатия, толщиной слоя и т.д.

Адгезия зависит от ряда технологических характеристик: влажности, состава продукта, степени измельчения и т.д.

Свойством липкости в значительной степени обладают многие пищевые продукты (сливочное масло, сыр, вареная колбаса и др.). Излишняя липкость нарушает эксплуатацию механизированных процессов и поточных линий, так как при обработке (делении, формовании) сырье, полуфабрикаты или массы прилипают к рабочим частям машин и транспортных механизмов. При разрезании или разжевывании готовых продуктов (сыра и других) они прилипают к лезвию ножа, крошатся или ломаются, липнут к зубам и небу.

Однако и недостаточная липкость в ряде случаев отрицательно сказывается на такие процессы обработки сырья и полуфабрикатов, как их перемешивание, формование, выжимание и др.

Структурно-механические свойства объема и зависящие от них свойства липкости пищевых продуктов, как показано выше, могут быть изменены путем физических (механических, тепловых, электрических) воздействий на их структуру. Энергичное размешивание или перетирание продуктов, имеющих значительную вязкость и упругость, приводит к разрушению структуры – понижению вязкости и увеличению липкости. Однако последующая выдержка такой структуры обычно сопровождается более или менее быстрым восстановлением ее с соответствующими

Трение может быть статическим – до начала смещения и динамическим – при движении продукта по поверхности.

На внешнее трение влияют те же факторы, что и на липкость. Следовательно, статическое трение должно быть больше динамического.

Методы измерения СМС

Для измерения величин структурно-механических характеристик материалов используются различные методы измерения и приборная техника, правильность выбора которых в целом определяют точность и ценность полученных результатов. Поэтому, приступая к исследованиям (испытаниям), необходимо руководствоваться методологией проведения исследований.

Для измерения структурно-механических свойств пищевых продуктов применяются следующие методы измерения:

1. Метод постоянной нагрузки. Он основан на измерении характеристик материала при приложении к нему постоянной нагрузки.

2. Метод постоянной скорости сдвига. Он основан на измерении характеристик материала при приложении к нему постоянной скорости сдвига.

3. Метод постоянной силы нагружения. Он основан на измерении величин во время воздействия подвижной частью прибора с неизменной массой.

4. Метод энергии деформирования. Он основан на расчете площади, расположенной под кривой деформирования.

Для экспериментального определения реологических параметров продуктов или текстурных показателей консистенции существует множество методов, которые различаются по области применения (лабораторные и производственные), виду измеряемой величины (например, реологические характеристики продукта и показатели его консистенции), принципам нагружения, степени автоматизации и др.

Для практического выбора метода измерения учитывают необходимое количество проб, точность и продолжительность измерений и другие факторы, которые зависят от конкретных конструктивных решений измерительного прибора.

Большое число реологических методов измерений предназначено для лабораторных исследований. Кроме лабораторных методов измерений для фундаментальных научных исследований реологических характеристик материалов (в том числе и специальных) с высокой точностью, для многократно повторяющихся исследований предпочтение отдается тем методам и приборам, которые позволяют провести измерения и обработку их результатов быстро и с минимальной зависимостью от субъективных факторов. Промышленностью ряда зарубежных стран выпускаются такие приборы, измерения на которых полностью автоматизированы с помощью компьютера, одновременно математически обрабатывающего исходные данные измерений в соответствии с выбранными моделями и уравнениями деформации и течения исследуемых продуктов, а также комплексные реологические лаборатории под названием «автоматизированное рабочее место реолога».

Эффективное и качественное управление процессами производства пищевых продуктов часто требует контроля реологических показателей в производственных условиях. Использование лабораторных методов при этом сопряжено с большими затратами времени и труда и возможно только для очень длительных процессов.

Методы измерений в производственном процессе требуют использования большей частью несложных принципов одномерного нагружения продукта (простой сдвиг, одноосное растяжение-сжатие и т.д.), охватывающих измерение конкретных показателей консистенции или характерных величин, которые связаны с выбранными реологическими свойствами.

Одномерное стационарное сдвиговое течение может быть реализовано при капиллярном, плоскопараллельном, цилиндрическом и торсионном течении.

Требования предъявляемые к технологическому трубопроводному транспорту.

Технологический трубопроводный транспорт представляет собой закрытую транспортную систему и предназначен для перемещения по трубам различных жидкостей, сырья и продуктов между отдельными технологическими операциями, отделениями и цехами предприятия.

Преимущества трубопроводного транспорта:

- позволяет создавать закрытые поточно-механизированные и автоматизированные линии, системы;

- обеспечивает возможность транспортирования сырья, продукции на малые и большие расстояния от 1 до 50 м и более без нарушения их структуры;

- исключает возможность распыления и окисления перемещаемой продукции;

- исключает загрязнения производственного воздуха неприятными запахами и другими веществами;

- повышает санитарно-гигиенические условия и культуру производства;

- возможность визуального наблюдения и контроля, за ходом движения продукции в случае изготовления трубопроводов из прозрачного материала, в частности из пищевого органического стекла и других;

- снижает стоимость транспортирования продукции в 4-5 раз по сравнению с напольным транспортом;

- исключает загромождение производственных цехов, так как технологические трубопроводы могут быть проложены (смонтированы) в любом удобном месте и на любом уровне;

- отличается простотой конструкции, легкостью разборки, сборки и монтажа.

Технологический трубопроводный транспорт (технологическая трубопроводная система) состоит из следующих основных элементов: накопительной емкости (резервуара), устройств для создания напора и вытеснения транспортируемой массы, комплекта труб, соединительных и фасонных частей, запорной, регулирующей, дросселирующей, предохранительной и контрольной арматуры, а отдельных случаях, приборов для измерения структурно-механических характеристик перемещаемой массы (среды) и приемной емкости (приемника) в конечной точке перемещения.

В отдельных случаях, трубопроводный транспорт (система) может отличаться тем или иным количеством элементов. Транспортирование продукции (массы) трубопроводным транспортом осуществляется следующими способами: путем создания давления в начальной точке магистрали; путем создания вакуума на конечной точке вытеснения или путем свободного перемещения массы за счет собственного веса.

Для создания давления вытеснения транспортирования продукции (массы) применяются насосы или компрессионные установки, а для создания вакуума - вакуумные насосы.

Транспортирование продукции по трубам может осуществляться периодически или непрерывно.

Принудительное перемещение продукции (массы) по трубам возможно лишь в том случае, когда она представляет собой сплошную среду (массу), как-то жидкости или на подобии фаршеобразных материалов, или мелкоизмельченной в виде муки. При транспортировании, например, дробленной кости или кусковой продукции, необходимо добавлять воду, которая заполнив пустоты, позволит образовать сплошную монолитную массу, исключая свободный проход сжатого воздуха. В этой связи, различают следующие способы транспортирования продукции - без добавления воды и с добавлением воды.

Требования, предъявляемые к технологическому трубопроводному транспорту: возможность автоматического регулирования потока транспортируемой продукции; высокая надежность и безопасность в работе; прочность и герметичность, обеспечивающие длительный срок эксплуатации; способность сохранять исходные свойства продукции во время транспортировки, исключать нагрев, перетирание продукции; трубопроводы должны быть изготовлены из материалов, обладающих малой агдезионной способностью, а также физиологической индифферентностью и стойкостью к воздействию агрессивных сред; конструкция трубопровода должна легко разбираться для мойки и санитарной обработки и не иметь недоступных мест.

Виды местных сопротивлений.

Простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.

1. Внезапное расширение потока. Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.

Рис. 4.9. Внезапное расширение трубы

При внезапном расширении русла (трубы) (рис.4.9) поток срывается с угла и расширяется не внезапно, как русло, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Рассмотрим два сечения потока: 1-1 - в плоскости расширения трубы и2-2 - в том месте, где поток, расширившись, заполнил все сечение широкой трубы. Так как поток между рассматриваемыми сечениями расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает. Поэтому второй пьезометр показывает высоту на Δ H большую, чем первый; но если бы потерь напора в данном месте не было, то второй пьезометр показал бы высоту большую еще на hрасш. Эта высота и есть местная потеря напора на расширение, которая определяется по формуле: где S1, S2 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2. υ -скорость на известном участке трубопровода. Это выражение является следствием теоремы Борда.

Теорема Борда: потеря напора при внезапном расширении потока равна скоростному напору, определенному по разности скоростей

Выражение (1 - S1/S2)2 обозначается греческой буквой ζ (дзета) и называется коэффициентом местного сопротивления, таким образом

2. Постепенное расширение русла. Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис.4.10). Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора α.

Рис. 4.10. Постепенное расширение трубы

Кроме того, в диффузоре имеются и обычные потери на терние, подобные тем, которые возникают в трубах постоянного сечения. Полную потерю напора в диффузоре рассматривают как сумму двух слагаемых:

где hтр и hрасш - потери напора на трение и расширение (вихреобразование).

где n = S2/S1 = ( r2/r1 ) 2 - степень расширения диффузора. Потеря напора на расширение hрасш имеет ту же самую природу, что и при внезапном расширении русла

где k - коэффициент смягчения, при α = 5…20°, k = sinα.

Учитывая это полную потерю напора можно переписать в виде:

откуда коэффициент сопротивления диффузора можно выразить формулой

Рис. 4.11. Зависимость ζ диф от угла

Функция ζ = f(α )имеет минимум при некотором наивыгоднейшем оптимальном значении угла α, оптимальное значение которого определится следующим выражением:

При подстановке в эту формулу λ Т =0, 015…0, 025 и n = 2…4 получим α опт = 6 (рис.4.11).

3. Внезапное сужение русла. В этом случае потеря напора обусловлена трением

потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые

образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис.4.12).

Полная потеря напора определится по формуле;

где коэффициент сопротивления сужения определяется по

полуэмпирической формуле И.Е. Идельчика:

в которой n = S1/S2 - степень сужения.

При выходе трубы из резервуара больших размеров, когда можно считать, что S2/S1= 0, а также при отсутствии закругления входного угла, коэффициент сопротивления ζ суж = 0, 5.

4. Постепенное сужение русла. Данное местное сопротивление представляет

собой коническую сходящуюся трубу, которая называется конфузором

(рис.4.13). Течение жидкости в конфузоре сопровождается увеличением

скорости и падением давления. В конфузоре имеются лишь потери на трение

, где коэффициент сопротивления конфузора определяется по формуле

, в которой n = S1/S2 - степень сужения.

Небольшое вихреобразование и отрыв потока от стенки с одновременным

сжатием потока возникает лишь на выходе из конфузора в месте соединения

конической трубы с цилиндрической. Закруглением входного угла можно

значительно уменьшить потерю напора при входе в трубу. Конфузор с плавно

сопряженными цилиндрическими и коническими частями называется соплом (рис.4.14).

5. Внезапный поворот трубы (колено). Данный вид местного сопротивления (рис.4.15) вызывает значительные потери энергии, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол δ. Потерю напора рассчитывают по формуле

, где ζ кол - коэффициент сопротивления колена круглого сечения, который определяется по графику в зависимости от угла колена δ (рис.4.16).

Рис. 4.15.

Рис. 4.16. Зависимости ζ кол от угла δ

Рис. 4.17. Отвод

6. Постепенный поворот трубы (закругленное колено или отвод). Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и сопротивление отвода по сравнению с коленом. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны отвода R/d рис.4.17). Коэффициент сопротивления отвода ζ отв зависит от отношения R/d, угла δ, а также формы поперечного сечения трубы.

Для отводов круглого сечения с углом δ = 90 и R/d 1 при турбулентном течении можно воспользоваться эмпирической формулой:

Для углов δ 70° коэффициент сопротивления а при δ 100°

Потеря напора в колене определится как Все выше изложенное относится к турбулентному движению жидкости. При ламинарном движении местные сопротивления играют малую роль при определении общего сопротивления трубопровода. Кроме этого закон сопротивления при ламинарном режиме является более сложным и исследован в меньшей степени.

Адгезия

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 .

На величину адгезии влияют: технологические свойства самого продукта (температура, влажность, состав и др.); марка конструкционного материала; шероховатость поверхности материала; условия измерения (геометрические, кинематические и динамические параметры прибора).

Адгезионный отрывПри равномерном отрыве нагрузка прикладывается перпендикулярно плоскости субстрата, при этом адгезия характеризуется нормальной силой, отнесенной к единице площади контакта, т.е. нормальным напряжением. При сдвиге определяются касательные напряжения, возникающие при относительном смещении слоев адгезива относительно субстрата. Для исследования адгезии пищевых вязко-пластичных материалов используются приборы, основанные на способе нормального отрыва.

Основные разделы реологии.

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

Роль реологии в обеспечении контроля, регулирования и управления качества сырья.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒