Классификация сырья. Основные физические величины.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

Классификация сырья	Наименование продуктов	Типичные реологические свойства
Твердые Хрупкие	Шоколад, печенье, крекеры, вафли, экструдированные продукты, карамель, сухари, сушки, макароны, хлебцы	Предел прочности, модуль упругости
Упруго-пластичные	Хлеб, пшеничное тесто, макаронное тесто, мармелад, зефир, пастила, конфеты, твердый жир, пряники, клейковина, желатин	Предел прочности, модуль упругости, предельное напряжение сдвига, адгезия
Вязко- пластичные	Ржаное тесто, песочное тесто, сметана, майонез, желирующие продукты, полуфабрикаты кондитерского производства	Вязкость, адгезия, предельное напряжение сдвига (пластическая прочность)
Жидкообразные	Дрожжевая суспензия, раствор соли, раствор сахара, растопленный маргарин, цельное молоко, молочная сыворотка	Вязкость, коэффициент поверхностного натяжения
Порошкообразные	Мука, сахар песок, крахмал, соль поваренная пищевая	Угол естественного откоса, механические характеристики при прессовании

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 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):

Рис. 2.1. Виды отрыва


а - предварительный контакт	б – адгезионный, отрыв происходит по границе контакта материалов	в – когезионный; отрыв происходит по слою одного из материалов	г - адгезионно-когезионный, смешанный

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 Р_тр - внешнее трение, Н; - истинный коэффициент внешнего трения;

- сила нормальная поверхности сдвига (усилие контакта), Н.

Коэффициент внешнего трения 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.

5.Технологические процессы, связанные с реологией пищевых масс. Многие технологические процессы пищевой промышленности связаны с механическим воздействием на продукт, находящийся в вязкопластичном соcтоянии. В хлебопекарном производстве - это замес теста, тестоделение, формование тестовых заготовок. При производстве кондитерских изделий к таким процессам относятся смешивание, пластикация массы и формование отливкой, выпрессовыванием, резкой и т.д. Большое значение имеет также межоперационное транспортирование полуфабриката по трубам и на различных, конвейерах. Во всех перечисленных случаях выбор технологического оборудования, определение режима его работы обусловливается физико-механическими и, в первую очередь реологическими свойствами перерабатываемых или транспортируемых пищевых масс, полуфабрикатов и готовых изделий. При создании совершенных технологических процессов, позволяющих получить готовый продукт высокого качества, необходимо практически в каждом конкретном случае изучать целый комплекс физико-механических свойств. Эти свойства характеризуют поведение пищевых масс под действием механических нагрузок со стороны рабочих органов машин. Большое значение в пищевой промышленности имеет объективная оценка качества пищевых продуктов и полуфабрикатов. В связи с этим создание и применение методов и приборов для объективного контроля качества, обеспечивает не только замену органолептического контроля, но и создает предпосылки для разработки автоматических систем управления технологическими процессами пищевых производств. В настоящее время в пищевой промышленности имеется довольно большой и разнообразный арсенал технических средств для определения и исследования физико-механических свойств пищевых материалов на различной стадии приготовления: от сырья до готового продукта. Для изучения этих свойств служат методы физико-химической механики пищевых продуктов.

6.Классификация реальных тел. Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет верно выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению.

Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчёта различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.

Классификация реологических тел, предложенная Горбатовым А.В. (таблица 1.2), по величине отношения предельного напряжения сдвига к их плотности и ускорению свободного падения [θ ₀/(ρ ∙ g)], которое представляет собой меру способности вещества сохранять свою форму, представлена ниже.

θ ₀/(ρ ∙ g), м	Наименование вещества
Менее 0, 005	Структурные жидкости
0, 005 – 0, 02	Жидкие пасты
0, 02 – 0, 15	Густые пасты
Более 0, 15	Твёрдые тела

Таблица 1.2 Классификация тел по физическим параметрам:

Б.А. Николаев предложил обобщённую классификацию

(от твёрдого до истинно-вязкого состояния) по величине механических свойств: модулей упругости, вязкости и др.. К первой группе относятся твёрдые и твёрдообразные тела (твёрдый жир, целые ткани мяса, сухари, печенье и пр.), ко второй – твёрдо-жидкие (мясной фарш, творог, студни, мучное тесто и пр.), к третьей – жидкообразные и жидкости (расплавленный жир, бульоны, молоко, мёд, вода и пр.).

Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения Гершеля – Балкли: , (1.7) где: – коэффициент, пропорциональный вязкости при градиенте скорости, равном единице, Па·сⁿ; n – индекс течения.

После проведения некоторых преобразований получим следующее выражение:

, (1.8), где – эффективная вязкость при градиенте скорости, равном единице, Па·с;

– безразмерный градиент скорости;

m – темп разрушения структуры, индекс течения.

При таком способе классификации строятся зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости (кривые течения) и между эффективной вязкостью и градиентом скорости сдвига. По характеру полученных кривых выделяют шесть видов тел:

идеально твердое тело Эвклидово
упругое тело Гука;
пластичное тело Сен-Венана;
реологическое тело
истинно-вязкое тело Ньютона;
идеальная жидкость (Паскалевская).

Перечисленные выше системы не меняют своих свойств во времени.

7. Дисперсные системы. Классическими объектами инженерной физико-химической механики являются дисперсные системы, состоящие из двух и более фаз. В них дисперсионной средой является непрерывная фаза, дисперсионной фазой - раздробленная фаза, состоящая из частиц, не контактирующих друг с другом. При этом под фазой понимается совокупность гомогенных частей системы, ограниченных от других частей физическими поверхностями раздела. Упрощенная классификация дисперсных пищевых продуктов, не учитывающая дисперсности и типа контактов между фазами, приведена в таблице 1 .

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.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒