Физико-механические свойства сырья и готовой продукции (стр. 1 )

Лекции

по курсу «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции»

для студентов специальности 260601.65 (МПП)

Лекция №1

Одной из важнейших задач, стоящих перед пищевой промышленностью, является повышение качества продук­тов и эффективности производства путем строгого соблюдения ре­цептур, сокращения доли ручного труда, комплексной механизации и автоматизации производства. В связи с этим перед научными и производственными работниками пищевой промышленности стоят проблемы создания и освоения прогрессивных технологических про­цессов с применением физических методов обработки; создания но­вых видов оборудования, обеспечивающих повышение эффективности производства; разработки объективных научных методов оценки качества сырья и продуктов и т. д. При решении этих вопросов су­щественное значение имеет знание всего комплекса свойств пищевых материалов как научный фундамент для практических и теоретических разработок.

Пищевые продукты сложны по химическому составу и об­ладают комплексом различных свойств, которые составляют в сово­купности качество продукции и должны быть учтены при расчете процессов и аппаратов и их совершенствовании. Существующие в настоящее время методы оценки качества продукции часто субъек­тивны и далеки от совершенства. При проектировании машин и аппаратов не всегда верно учитываются важнейшие физические свой­ства пищевых продуктов. Для научно обоснованного учета этих свойств в различных областях техники и технологии пищевых про­изводств необходима систематизация данных о структурно-механи­ческих (реологических) характеристиках продуктов.

Наиболее полное представление о некоторых существенных ас­пектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннего строения (структуры продукта). Небольшие изменения этих определяющих характеристик должны вызывать значительные изменения величин свойств, которые регист­рируются приборами. При этом характеристики сырья предопреде­ляют основные показатели готовых продуктов. К одной из групп таких свойств относятся структурно-механические.

Классическая реология как наука о течении и деформации реальных тел (техническая механика реальных тел или дисперсных систем) ставит своей задачей изучение свойств существующих про­дуктов и разработку методов расчета процессов течения их в рабо­чих органах машин.

Физико-химическая механика как наука о способах и за­кономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами ставит своей задачей: а) установление суще­ства образования и разрушения структур в дисперсных и нативных системах в зависимости от совокупности физико-химических, биохи­мических, механических и других факторов и б) исследование, обо­снование и оптимизацию путей получения структур с заранее задан­ными технологическими (в самом широком понимании этого слова) свойствами.

Реализация исследований методами инженерной физико-химиче­ской механики позволяет стабилизировать выход изделий, получать готовые продукты постоянного, заранее заданного качества, научно обосновать понятие качества продуктов, рассчитывать, совершенст­вовать и интенсифицировать технологические процессы, «конструи­ровать» те или иные виды пищевых продуктов и т. д. Это показы­вает, что реология и инженерная физико-химическая механика пище­вых продуктов превратились из пассивных отраслей знания в производительную силу, позволяющую активно вмешиваться в про­изводственные процессы с целью разработки новых и совершенствова­ния существующих.

Курс инженерной реологии пищевых производств является такой дисциплиной, в рамках которой можно достаточно пол­но и систематически изложить инженерные проблемы, связан­ные с механическим взаимодействием перерабатываемых пи­щевых материалов с рабочими органами перерабатывающих машин. Без знания механизма этих процессов, лежащих в основе принципов действия большинства пищевых машин и ап­паратов, современный специалист не может решать на требуе­мом сегодня уровне стоящие перед ним задачи. Не зная зако­номерностей механических процессов, рассматриваемых в кур­се инженерной реологии, нельзя грамотно проанализировать и другие уровни взаимодействия в системе «пищевые мате­риалы — машины», основанные на химических, электричес­ких, биологических и других процессах.

Инженерная реология пищевых производств дает необхо­димые инженеру сведения из теоретической реологии, знако­мит с результатами реологических испытаний пищевых мате­риалов, разрабатывает методы расчета пищевых машин с уче­том реологических особенностей перерабатываемого ими про­дукта и, наконец, предлагает принципы объективного, прибор­ного контроля качества и управления технологическими опе­рациями и процессами.

Таким образом, в инженерной реологии пищевых произ­водств можно условно выделить 4 части:

1.  Реология пищевых материалов. Эта часть содержит основ­ные сведения из общей теоретической реологии, отобранные с целевым назначением для инженера-пищевика;

2.  Реометрия пищевых материалов. В ней рассматриваются экспериментальные методы и результаты измерения реоло­гических свойств пищевых материалов и особенности их проявления при взаимодействии перерабатываемого про­дукта с рабочими органами машин;

3.  Реодинамические расчеты. Этот раздел посвящен расчет­ным моделям, дающим количественную теоретическую оценку результатов взаимодействия пищевых сред с рабо­чими органами и каналами машин и позволяющим прово­дить необходимые технологические расчеты машин (произ­водительность, потребная мощность и т. п.).

4.  Реологические основы оптимизации, интенсификации, кон­троля и управления в пищевой промышленности.

Основные структурно-механические свойства можно классифици­ровать по характеру приложения к продукту внешних усилий и вы­зываемым ими деформациям: сдвиговые свойства проявляются при воздействии касательных усилий, компрессионные — при воздейст­вии нормальных усилий и поверхностные — при сдвиге или отрыве продукта от твердой поверхности. При этом поверхностные явления, возникающие в межфазных разделах дисперсных гетероген­ных систем и характеризующие внутреннюю структуру продукта, в последней группе свойств рассматриваются только частично, т. е. в данное понятие вложен смысл, несколько отличающийся от традици­онного. В зависимости от принятой модели реального тела в каждой группе свойств может существовать множество показателей: вязкость, пределы текучести, периоды релаксации, модули упругости, коэффи­циенты внешнего трения и т. п. Для измерения величин характеристик разработаны и используются самые различные приборы периодиче­ского и непрерывного действия.

Классификация реальных тел

Реологические уравнения, как видно из предыдущего, по своему характеру являются наиболее общими. Большинство уравнений тео­рии упругости, пластичности, гидравлики могут быть получены в виде частных случаев из реологических.

Классификация дисперсных систем. Классическими объектами инженерной физико-химической механики являются дисперсные си­стемы, состоящие из двух и более фаз. В них дисперсионной средой является непрерывная фаза, дисперсной 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 табл. 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.

Классификация пищевых дисперсных систем

Классификация структур дисперсных систем. Структура, т. е. внутреннее строение продукта, и характер взаимодействия между отдельными ее элементами (частицами) определяются химическим составом, биохимическими показателями, температурой, дисперсно­стью агрегатным состоянием и рядом технологических факторов.

По классификации акад. структуры пищевых продуктов можно разделить на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные.

Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через про­слойки дисперсионной среды за счет Ван-дер-Ваальсовых сил сцеп­ления. Толщина прослойки соответствует минимуму свободной энергии системы. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты мoлeкyлJ способ­ные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной среде. В свою очередь дисперсионная среда находится в связанном состоя­нии. Обычно эти структуры обладают способностью к самопроизволь­ному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно, обычно до пер­воначальной прочности. Толщина прослоек в определенной мере за­висит от содержания дисперсионной среды. При увеличении ее со­держания значения сдвиговых свойств обычно уменьшаются, а си­стема из твердообразной переходит в жидкообразную. При этом степень дисперсности, т. е. преобладающий размер частиц, даже при постоянной концентрации фазы оказывает влияние на состояние си­стемы и ее прочность.

При обезвоживании коагуляционных структур (при увеличении содержания дисперсной фазы) прочность их повышается, но после определенного предела они перестают быть обратимо-тиксотропными. Восстанавливаемость структуры сохраняется в пластично-вязкой сре­де, когда разрушение пространственного каркаса происходит без на­рушения сплошности.

При образовании коагуляционных структур во многих продуктах пищевой промышленности существенную роль играют поверхностно-активные вещества и растворенные в воде белки, которые выступают в качестве эмульгаторов и стабилизаторов образуемых систем [4, 10] и могут существенно изменять их структурно-механические характе­ристики.

Конденсационно-кристаллизационные структуры присущи нату­ральным продуктам, однако могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или при срастании частиц дис­персной фазы в расплавах или растворах. В процессе образования эти структуры могут иметь ряд переходных состояний: коагуляционно-кристаллизационные, коагуляционно-конденсационные; их образование характеризуется непрерывным нарастанием прочности. Основные от­личительные признаки структур такого типа следующие: большая по сравнению с коагуляционными прочность, обусловленная высокой прочностью самих контактов; 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 за собой в последующем перекристаллизацию и самопроизвольное понижение прочности вплоть до нарушения сплошности, например растрескивание при сушке.

Таким образом, вид структуры продукта обусловливает его ка­чественные и технологические показатели и поведение в процессах деформирования. Для их описания используются кривые течения или деформирования (реограммы), которые связывают между собой напряжение и скорость деформации (деформацию). Характер реограмм, как правило, дает возможность отнести данный реальный продукт к тому или иному виду реологических тел.

Формы связи влаги с продуктом. Большинство продуктов пище­вой промышленности в тех или иных количествах содержат воду. Она, являясь в большинстве систем дисперсионной средой, в значительной мере определяет структуру продукта. Поэтому вид или форма связи влаги с продуктом определяют технологические по­казатели продукта и его структурно-механические характеристики. Выделяют три основные формы связи: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химическая связь обусловлена ионными или молекулярными взаимодействиями в точных количественных соотношениях; удаля­ется эта влага из продукта прокаливанием или в результате хими­ческих реакций. Она резко отличается по своим свойствам от сво­бодной.

Физико-химическая связь обусловлена адсорбцией влаги в гидратных оболочках или осмотическим удерживанием в клетках в нестрого определенных соотношениях; удаляется из материала испа­рением, десорбцией (адсорбционная) или вследствие разности кон­центраций (осмотическая). Адсорбционная влага может иметь иные, чем вода, свойства и способствует диспергированию частиц и плас­тификации системы, она присуща обычно структурам коагуляцион-ного типа, хотя может существовать и в структурах других типов. Осмотическая влага вызывает набухание тела и присуща нативным и дисперсным клеточным структурам.

Физико-механическая связь обусловлена удержанием влаги в ячейках структуры (иммобилизационная), в микро - и макрокапил­лярах и прилипанием ее к поверхности частиц или тела (смачивание) в неопределенных соотношениях; удаляется из материала испарени­ем или механическими способами (отжатие, центрифугирование и т. д.). Основная масса воды находится в свободном состоянии и не меняет своих свойств.

При увеличении содержания влаги ее избыток перестает быть связанным с продуктом и самопроизвольно отделяется от него (от­стаивание, расслаивание и т. п.).

По преобладанию формы связи влаги продукты можно разде­лить на коллоидные (физико-химически связанная влага), ка­пиллярно-пористые (физико-механически связанная влага) и колло­идные капиллярно-пористые, имеющие качества, присущие первым и вторым, например мясной фарш, творожно-сырковая масса и т. п.

Лекция №2

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ РЕАЛЬНЫХ ТЕЛ

Структурно-механические свойства (CMC) характеризуют пове­дение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости дефор­маций в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала и существенно зависят от формы и разме­ров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния ок­ружающей среды, температуры, структуры и множества других факторов.

При известных характеристиках можно вычислить значения на­пряжений или деформаций и в итоге получить необходимые парамет­ры процесса или аппарата, т. е. выполнить прочностные и технологи­ческие расчеты. Кроме того, свойство продукта как объективная реальность позволяет охарактеризовать его качество. Поэтому особое значение в реологии имеет вид уравнения, которое связывает между собой посредством постоянных величин — свойств — напряжения и деформации для каждого конкретного продукта. Выбор такого уравнения из множества других обусловлен соответствием теоретиче­ской или эмпирической дифференциальной или интегральной зависи­мости течения продукта реальной кривой течения, т. е. реальным ус­ловиям. Нередко ошибки при определении свойств и их использовании для расчета заключаются в том, что для обобщения опытных данных принимают модели, не соответствующие течению реального объекта.

По виду приложения усилия или напряжения к продукту реоло­гические свойства можно разделить на три связанные между собой группы. Сдвиговые свойства характеризуют поведение объе­ма продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напря­жений. Изучение их занимает основное место в реологии — внутрен­ней механике потоков жидкостей или дисперсий. Компрессион­ные свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме, между двумя пластинами или при каком-либо другом способе растя­жения — сжатия образца продукта. Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раз­дела с другим, твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия или липкость) и касательных (внешнее трение) напряжений. В отличие от распространенного понятия «поверхностные явления», которое рассматривает явления на межфазных границах внутри все­го объема системы, поверхностные свойства в принятой интерпрета­ции учитывают только один аспект взаимодействий, рассмотренный выше.

В последнее время в связи с попытками объективно оценить ка­чество изделий, в частности нежность, консистенцию, определяют са­мые разнообразные механические характеристики: сопротивление ре­занию струной или лезвием, продавливаемость через отверстие, растя­жимость, разжевываемость и т. п.

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

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. Относитель­ная деформация е при одноосном растяжении — сжатии (свободном или в форме) представляет собой отношение абсолютной Δl (в м) к первоначальным размерам тела l (в м), т. е.

Относительная деформация γ при сдвиге — отношение абсолют­ной величины сдвигового смещения слоя под действием касательных сил к его толщине.

Скорость деформации (градиент скорости) учитывают, если деформации изменяются во времени τ (в с) при неустановив­шемся процессе; при установившемся процессе деформирования из­менение деформации в единицу времени постоянно. Все это описы­вается понятием «скорость деформации» — ε (в с-1) при растяже­нии— сжатии и у (в с-1) при сдвиге:

Если деформация при сдвиге под действием конечных сил уве­личивается непрерывно и неограниченно, то материал начинает течь. Установившийся режим течения характеризуется градиентом скоро­сти, который по смыслу аналогичен скорости деформации

где и — линейная скорость элементарного слоя, м/с; z — координата по нормали к вектору скорости, м.

При описании процессов течения в дифференциальной форме обычно учитывают значение градиента скорости для какого-либо слоя, находящегося на расстоянии r от оси ротора вискозиметра или трубы. Тогда истинное значение градиента скорости будет

Наибольшее значение градиент скорости приобретает на стенке трубы или у поверхности вращающегося ротора.

Напряжение σ (в Па)—мера внутренних сил Р (в Н), возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади F (в м2), нормальной к вектору приложения силы [161:

Напряжение в точке

Формально сдвиговые или касательные напряжения (τ), нор­мальные напряжения (σ), давление, или гидростатическое давление (р), и адгезия, или давление прилипания (ро), описываются зависи­мостью, где сила и площадь будут иметь соответствующий физический смысл.

Гидростатическое давление (давление) представ­ляет собой отношение силы, равномерно распределенной по нормаль­ной к ней поверхности, к площади этой поверхности. Давление в точке в истинно-вязких жидкостях или в жидкообразных системах не зависит от ориентации площадки, в пластично-вязких системах, имеющих структурный каркас, — зависит. Если на тело, заключенное в определенном объеме, действует гидростатическое давление р (в Па), то в нормальном направлении будет действовать меньшее дав­ление рг (в Па). Их отношение характеризуется коэффициентом бо­кового давления ξ:

который для истинно-вязкой жидкости равен единице, для абсолют­но жесткого тела — нулю.

В случае, когда неидеальное тело, у которого 0< ξ <1, не заклю­чено в жесткую обойму и подвергается действию одноосно растягивающего или сжимающего напряжения, происходит изменение его формы.

Упругость — способность тела после деформирования полно­стью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, т. е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел характеризуется модулем упругости первого (Е, Па) или второго (G, Па) рода, соответственно при растяжении — сжатии и сдвиге. Величины деформаций определяются законом Гука:

Коэффициент объ­емного сжатия β (в 1/Па) может быть использован как некая интегральная характери­стика сжатия продукта в форме

Коэффициент характеризует относительное изменение объема продукта при изменении давления на единицу его измерения. Для ньютоновских жидкостей он практически не зависит от величины давления и времени его действия; для пластично-вязких систем с увеличением давления он уменьшается.

Адгезия р0 (в Па) — слипание разнородных твердых или жидких тел, соприкасающихся своими поверхностями. Аутогезия — самопроизвольное слипание однородных тел. Формально адгезия (липкость) определяется по уравнению как удельная сила нормального отрыва пластины от продукта

где Ро — сила отрыва, Н; Fo — геометрическая площадь пластины, м2.

Отрыв может быть трех видов: по границе контакта — адгезионный, по слою продукта — когезионный и смешанный — адгезионно-когезионный. Часто адгезионного отрыва не происходит, поэтому удельную силу при любом виде отрыва называют липкостью, адгезионным давлением или давлением прилипания.

Внешнее трение — взаимодействие между телами на границе их соприкосновения, препятствующее относительному их перемещению вдоль поверхности соприкосновения. Оно зависит от усилия нормального контакта <и липкости, определяется по двучленному закону :

где f — истинный коэффициент внешнего трения; Рк — сила, нормальная поверхности сдвига (усилие контакта).

Если величины в уравнении разделить па площадь, то можно получить

В ряде случаев удобнее оперировать эффективным коэффициен­том внешнего трения, который вычисляется по зависимости

и может быть связан с величиной истинного коэффициента трения

Уравнение (1 —156) можно применить для вычисления как чис­то внешнего трения, так и трения в поверхностной пленке материала. Тогда τ0 можно отождествить с предельным напряжением сдвига в пленке, fрк представляет собой касательное напряжение, вызван­ное внешним давлением рк; коэффициент трения характеризует сколь­жение в сдвигаемой пленке.

Пластичность — способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. Плас­тическое течение начинается при величине напряжения, равной пре­делу текучести. В реологии в этом смысле при сдвиговых деформа­циях используется понятие «предельное напряжение сдвига», обо­значенное τо.

Вязкость — способность тела оказывать сопротивление отно­сительному смещению его слоев. Вязкое течение реализуется в истинно-вязких, ньютоновских жидкостях при любых, сколь угодно малых напряжениях сдвига τ. Это течение описывается уравнением Ньютона

где η| — коэффициент динамической, или абсолютной, вязкости, Па-с; характеризует величину усилий, возникающих между двумя элементарными слоями жидкости при их относительном смещении; γ — скорость деформации, с-1; Р — сила сопротивления между дву­мя элементарными слоями, Н; F — площадь поверхности соприкосно­вения этих слоев, м2; du/dz — градиент скорости, т. е. интенсивность изменения скорости по нормали к ее вектору, с-1.

Полная вязкость движущейся жидкости складывается из лами­нарной (ньютоновской), турбулентной и объемной вязкости.

При течении неньютоновских (аномально-вязких) жидкостей вяз­кость не остается величиной постоянной; она зависит от напряже­ния сдвига и градиента скорости. Тогда пользуются понятием «эффек­тивная вязкость», которая вычисляется по зависимости (1 —16) для фиксированных значений напряжения и градиента скорости:

где напряжение сдвига и скорость деформации могут быть представ­лены в дифференциальной или интегральной форме, например как консистентные переменные для цилиндрической трубы, кольцевого за­зора коаксиального вискозиметра и др.

Лекция №3

Особенности течения реальных пищевых масс

При течении материала реакция R, в соответствии с рисунком 3, зависит как от силы Р, так и от вязкодеформируемого материала.

Напряжение сдвига τ, Па

где dv - скорость сдвига элементарного слоя относительно соседнего слоя, м/с:

dy - толщина элементарного слоя, м.

Для ньютоновских материалов напряжение сдвига пропорционально вязкости μ, Па • с, и скорости сдвига

Вязкость не зависит от скорости сдвига, а изменяется в зависимости от температуры и давления в данной системе. Величина, обратная вязкости, назы­вается текучестью. Когда необходимо учитывать массу измеряемой среды, оп­ределяют кинематическую вязкость v, м2/с,

где р - плотность среды, кг/м3.

Течение реальных материалов, перерабатываемых в пищевой промыш­ленности, плохо описывается уравнением (3).

В уравнение (3) входит коэффициент вязкости μ, который является

константой, то есть для данного материала он постоянен и не зависит от при­ложенных напряжений и от возникших при этом скоростей сдвига слоев жид­кости друг относительно друга. Рассмотрение же течения реальных материалов говорит о том, что коэффициент вязкости, характеризующий большую или меньшую сопротивляемость сдвигу слоев друг относительно друга, является

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7