Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИЩЕВЫХ МАСС МЕТОДОМ ВИСКОЗИМЕТРИИ
Методические указания к лабораторной работе
по курсу «Технологическое оборудование отрасли»
для студентов специальности направления 260600
дневной и заочной форм обучения
Электронное издание локального распространения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Саратов 2006
ВВЕДЕНИЕ
В процессе приготовления изделий пищевой промышленности большое количество пищевых масс обрабатывается на машинах: замешивается, штампуется, пропускаются через прессы, закатываются и т. д. При этом, наряду с происходящими химическими, биологическими и другими процессами пищевая масса претерпевает различные механические воздействия со стороны рабочих органов машины [1,2].
Создавая ту или иную машину, конструктор должен иметь ввиду конкретную перерабатываемую массу, с определенными свойствами. Нецелесообразно поэтому, на одной и том же прессе получать нежные помадные конфеты и жесткие макаронные трубки. Хотя в обоих случаях масса продавливается прессом через матрицу, имеющую формующие отверстия.
Для создания все более совершенных машин и технологических режимов необходимо изучать такие свойства пищевых масс, которой характеризуют их поведение под воздействием механических нагрузок со стороны рабочих органов машины. Изучением таких свойств занимается реология - наука о деформациях и течении разнообразных реальных тел.
1. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Многие реологические характеристики, необходимые для расчета машин пищевой промышленности и выбора параметров технологического режима, могут быть определены в результате экспериментального построения так называемой "кривой течения" данной пищевой массы. Проведя математическую обработку опытных данных, можно получить аналитическое выражение реологического уравнения исследуемой массы, являющегося в простейшем случае зависимостью между напряжениями и скоростью сдвига. Коэффициенты этого уравнения и будут являться реологическими характеристиками, которые нужны для расчетов пищевых машин [2].
Задачи исследования следующие: на основе эксперимента вискозиметрии той или иной массы построить график кривой течения; выбрать математическую модель, наилучшим образом описывающую свойства исследуемой массы; методами математической статистики определить константы реологического уравнения для выбранной модели; в соответствии со специальным заданием определить зависимость реологических характеристик пищевой массы от тех или иных технологических параметров, характеризующих процесса переработки данной массы в пищевых машинах.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Простейшим вариантом кривой течения является уравнение ньютоновской вязкой жидкости;
(1)
где t - напряжение сдвига, Н/м2;
- скорость сдвига, 1/С;
m - коэффициент вязкости, постоянный для данной жидкости при определенной температуре, Н×С/м2;
На рис.1 приведен график кривой течения ньютоновской жидкости (а).
Рис.1. Кривые течения ньютоновских и неньютоновских жидкостей.
Некоторые пищевые массы могут быть отнесены к группе неньето-новских жидкостей. Если записать для них реологическое уравнение
то обнаружится, что коэффициент m в данном случае не является постоянной величиной, а изменяется с изменением скорости сдвига (или напряжения сдвига).
Жидкости, у которых вязкость (коэффициент вязкости) возрастает с увеличением скорости сдвига, называет дилатантными жидкостями. График кривой течения таких жидкостей приведен на рис. 1(б). Значительно чаще среди пищевых масс встречаются такие, вязкость которых падает с увеличением скорости сдвига. Это так называемые псевдопластики. Для них характерна кривая течения с графиком, приведенным на рис.1(в). Реологическое уравнение или выражение кривой течения таких масс можно записать в виде, например, степенного уравнения:
(2)
где k и n. – реологические константы [З].
Графики указанных кривых течения выходят из начала координат, т. е. движение слоев друг относительно друга начинается при самых незначительных напряжениях сдвига. Большое распространение среди лицевых масс имеют такие, которые до некоторого напряжения сдвига t0 , называемого предельным напряжением сдвига, не испытывает течения даже с малой скоростью сдвига. После увеличения напряжения выше предельного напряжения сдвига начинается течение. Массу имеющую такие свойства, называют телом Бингама (рис.1 г). Реологическое уравнение в этом случае запишется в виде:
(3)
где: mпл – пластическая вязкость, Па×С.
Эксперимент капиллярной вискозиметрии с целью получения кривой течения состоит в продавливании исследуемой массы через капилляр определенных размеров и фиксации зависимости объемного расхода Q или средней линейной скорости u выхода массы из капилляра от перепада давления Dр на длине капилляра. По измеренному перепаду давления Dр на длине капилляра и размерам (l – длина, d – диаметр) капилляра легко подсчитать напряжение сдвига tс в точках массы, находящихся у стенок капилляра:
(4)
Скорость сдвига 
подсчитывается из уравнения Рабиновича-Муни (см. имже), таким образом, можно построить кривую течения 
и определить количественно реологические характеристики, являющиеся константами реологического уравнения [4].
Необходимо помнить, что уравнения (1-4) справедливы при условии, что давление массы по длине капилляра изменяется по линейному закону, движение носит ламинарный характер и масса прилипает к стенкам капилляра. Первые два требования практически всегда выполняются при реально встречающихся скоростях и геометрии рабочих органов пищевых машин и вискозиметров. Третье требование выполняется при шероховатой внутренней поверхности капилляра (резьба, нарезка и др.).
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В простейшей варианте капиллярный вискозиметр представляет собой резервуар, в дно которого ввинчивается капиллярная трубка. Резервуар заполнимся исследуемой массой, после чего она выдавливается с помощью какого-либо нагнетательного органа (например, поршневой, шнековый или шестеренчатый пресс). По манометру' фиксируется давление. Путём взвешивания массы, выпрессованной за определенный промежуток времени, в течение которого давление поддерживается постоянным, определяется расход Q.
Поскольку свойства массы существенно зависят от температуры, то и сам резервуар и капиллярные трубки имеют, как правило, «водяные ру6ашки», в которых циркулирует вода определенной температуры. Для измерения перепада давления используются различные датчики давления (тензометрические, ёмкостные, индукционные), устанавливаемые либо в различных точках по длине самого капилляра, либо в днище, в непосредственной близости от места входа в капилляр.
Принципиальная схема капиллярной вискозиметрической установки, сконструированной и изготовленной на кафедре МАХП, приведена на рис.2. Установка имеет следующие основные узлы (в скобках указаны номера позиций на рис.2).
1. Цилиндр, содержащий исследуемую массу (11, 12),
2. Капиллярная трубка (6).
3. Устройство для выпрессовывания массы (1, 2, 3, 4, 13).
4. Устройство для фиксации скорости выхода массы (8, 9, 20, 21, 22).
5. Узел записи перепада давления (14, 15, 16).
6. Устройство, темперирующее исследуемую массу (5, 10).
7. Устройство, отрезающее выпрессовываемый жгут (7).
8. Устройство для тарировки датчиков давления (17, 18, 19, 23).
Цилиндр, в котором находится исследуемая масса, имеет диаметр, равный 40 мм и толщину стенок 8 мм, что позволяет выпрессовывать на данной установке самые высоко вязкие массы, создавая давление на массу до 15-20 МПа (150-200 кГ/См2). Цилиндр имеет двойные стенки, в которых циркулирует вода, подаваемая из термостата.
Установка снабжена набором капиллярных трубок диаметром от 1 до 5 мм и длиной от 30 до 70 мм.
Для вылрессовывания массы через капиллярную трубку сверху на массу давит поршень, приводимый в движение пневматическим цилиндром. Воздух под давлением подается в пневматический цилиндр от компрессора (или от газового баллона). Для изменения скорости хода штока пневмоцилиндра, что в свою очередь меняет давление на массу, имеется вентиль (1), который позволяет менять давление в пневмоцилиндре.
Рис.2.Схема установки для исследования реологических характеристик пищевых масс.
Для фиксация скорости выхода массы из капилляра используется фотодиодиый блок (9) и отрезное устройство (7).
В дне цилиндра, в непосредственной близости от входа в капиллярную трубку, установлен датчик давления мембранного типа (14). Сигнал от датчика усиливается тензометрической станцией (15) и выводится на микроамперметр (16).
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
До начала эксперимента включается усили, используемый для усиления сигнала датчика давления. Датчик подключают к входу усилителя и дают прогреться в течение 5-10 мин. Устанавливают необходимый коэффициент усиления и балансируют станцию (выходной сигнал с усилителя, фиксируемый микроамперметром 16, должен быть равен нулю). Затем производит тарировку датчика давления, для этого используют тарировочный пресс 23. Датчик ввинчивают в переходной штуцер 17 и создают давление масла в прессе с помощью рукояток 19. В таблицу (см. приложение) записывают давление, фиксируемое образцовым манометром 16 и показания микроамперметра. Таким образом проводится тарировка при постепенно меняющемся давлении во всем диапазоне возможных давлений на капиллярном вискозиметре.
Включают термостат 10 и темперируют цилиндр 11 с капилляром 6 до требуемой температуры. Включают в сеть усилии отрезное устройство 7. Датчик давления устанавливают в цилиндр. Исследуемую массу помещают в камеру цилиндра 12.
Пневмоклапан включают в положение, при котором воздух подается в верхнюю часть пневмоцилиндра 4. Вентиль 1 открывают на минимальное давление воздуха, которое контролируется манометром 3. Поршень 13 опускается вниз до соприкосновения с поверхностью исследуемой массы.
Через некоторое время после начала выпрессовывания, когда процесс вывода массы из капилляре становится стабильным, включают отрезное устройство, которое резко отрезает конец жгута исследуемой массы. Ровный конец жгута массы входит в фотодиодное устройство 9, При перекрытии светового пучка, создаваемого электролампочками 8, жгутом массы, сигнал с верхнего фотодиода 20 поступает на усилии усиленный, включает электросекундомер 22. Как только конец жгута перекроет пучок света, идущий на нижний фотодиод, электросекундомер выключится. Также срабатывает отрезное устройство и жгут снова отрезается. Таким образом, зная расстояние между фотодиодами и время движения жгута между ними, определяют скорость выпрессовывания массы.
Затем опыт повторяют, но при большем давлении воздуха в пневмоцилиндре (вентиль I немного открывают).
В таблицу (см. приложение) записывают: время движения жгут, показания микроамперметра, расстояние между фотодиодами, температуру массы, её влажность (определяется по заданию преподавателя).
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
(на примере экспериментального получения реологической зависимости)
Данные экспериментов капиллярной вискозиметрии удобно откладывать на графике в так называемых «консистентных переменных» Р и V, где:
(5)
По экспериментальным данным нетрудно подобрать эмпирические формулы зависимости 
. Часто используют один из двух вариантов этих зависимостей 
или 
.
Преобразовав уравнения Рабиновича-Муни в вид:
(6)
и имея после обработки экспериментальных данных коэффициенты: К1, n1, Р0, В, нетрудно подсчитать реологические коэффициенты, К, n, t0, mпл, которые являются константами кривой течения исследуемой массы, для двух случаев математической модели:
1) в виде уравнения псевдопластика ;
2) в виде уравнения Бингама .
Для случая, когда кривая течения в консистентных переменных во всем исследованном диапазоне может быть описала уравнением с постоянными коэффициентами К1 и n1 (об этом говорит то обстоятельство, что в логарифмических координатах точки экспериментальных данных хорошо «ложатся» на прямую), реологические константы могут быть подсчитаны следующим образом:
(7)
Дня случая аналогично получается, что:
(8)
Окончательно, воспользовавшись методом наименьших квадратов, можно подсчитать К1 и n1, по формулам:
(9)
(10)
После этого можно подсчитать основные значения коэффициентов К и n, характеризующие истинную кривую течения по формулам (7).
Аналогично получаются модели Бингама:
(11)
и окончательно t0 и mпл по формулам (8).
6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ ПО РАБОТЕ
Отчет о лабораторное работе оформляется каждым студентом на листах формата 11 (ГОСТ 2.301.68) либо в специально предназначенной для этого тетради. Текст отчета пишется чернилами (тёмными), эскизы и графики могут выполняться карандашом (с соблюдением требований ЕСКД), все обозначения, цифры и надписи на них делаются чернилами. Графики результатов экспериментов строятся в масштабе.
Содержание отчета излагается в порядке, указанном в работе, и должно включать в себя:
- краткое содержание и цель работы;
- схему проведения эксперимента с указанием типов приборов, режимов работы и др. подробностей;
- схему измерений с указанием точного названия измерительного инструмента и точности намерений;
- таблицу результатов измерений;
- расчетные формулы с числовыми решениями;
- графики зависимостей;
- краткие выводы по работе.
Законченные и оформленные отчеты студенты предъявляют преподавателю, как правило, до начала выполнения следующей работы. При сдаче (защите) работы и хорошем понимании сущности и закономерности явлений студенты получают зачет.
Отчёты должны сохраняться и могут быть использована студентами для подготовки к экзаменам.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица 1.
Данные по тарировке датчика давления
М | мка. | |
Р | кГ/см2 |
Таблица 2.
Экспериментальные данные
№ | М | t | J | p | P | V | lgP | lgV | (lgV)2 | lgP×lgV |
мка. | °С | см/°С | кГ/см2 | Па | С-1 | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
1 2 3 . . . N | ||||||||||
|
|
|
| |||||||
Обозначения:
М – ток микроамперметра;
t – время прохождения жгута между фотодиодами;
J – скорость выпрессовывания жгута массы;
p – давление прессования;
Р – консистентная переменная давления;
V – консистентная переменная скорости;
N – число экспериментов (точек).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуськов, пищевых масс/ и др. – М.: Пищевая промышленность, 1970.–160с
2. Николаев, -механические свойства мучного теста/ . – М.: Пищевая промышленность, 1976.–120с
3. Рогов, методы обработки пищевых продуктов/ , . – М.: Пищевая промышленность, 1974.-178с
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
Составители: НИКОНОРОВ Сергей Николаевич
СТАРШОВ Геннадий Иванович
Под редакцией
Саратов,
Научно-техническая библиотека СГТУ
,
http://lib. *****
Регистрационный номер 060152Э
