Основные понятия инженерной реологии и ее основные задачи

Основные понятия инженерной реологии и ее основные задачи

 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 показателей относятся структурно-механические (реологические) свойств.

 Переработка различных пищевых материалов сопровождается сложными физико-химическими, биологическими и механическими процессами, изучение которых позволяет организовать эффективный и объективный реологический контроль и управление технологическими циклами производства. Большинство процессов в пищевой промышленности связано с переработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов, различных упруго-пластично-вязких материалов. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке пищевых материалов.

Реологические свойства могут быть использованы в расчётах процессов, которые необходимо производить при создании новых конструкций машин и реконструкции существующих, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства, использовать в качестве контролируемых параметров при создании автоматизированных систем управления машинами, агрегатами, производственными участками, при автоматизированном контроле качества продукции. Реология позволяет управлять структурой и качеством продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки.Свойства пищевого сырья и продуктов зависят от таких факторов как температура, влажность, величина и продолжительность механического воздействия, а также от сроков хранения, транспортирования, способа получения данного продукта и многих других причин.

Реология – наука о деформации и течении различных тел. Слово «реология» происходит от греческого «rew», что означает «теку».

Деформация – это изменение формы и (или) линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и др., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела. Величина и характер деформации зависят от способа приложения внешних сил, свойств материала тела и его формы.Деформацию делят на два вида: а) обратимую (упругую), которая исчезает после прекращения действия силы; б) пластическую (вязкую), которая не исчезает после снятия нагрузки. При эластической деформации часть механической энергии переходит в тепло. Кроме того, существует и другое деление деформаций. Например, по виду нагружения они могут быть сдвиговыми (рис. 1.1,а), одноосными (линейными) (рис. 1.1,б), а так же двухосными (плоскими) и объёмными. При этом деформации вычисляются по уравнениям:

; .      (1.1)

 

 

 

 

а)       б)

 

Рис. 1.1. Схемы нагружения материалов:

а) сдвиг; б) растяжение

Если деформации изменяются во времени t при неустановившемся процессе, то учитывают скорость деформации (градиент скорости); при установившемся процессе деформирования изменение деформации в единицу времени постоянно. Все это описывается понятием «скорость деформации» – [с–1], при растяжении – сжатии и [с–1], при сдвиге:

; .    (1.2)

Если деформация при сдвиге под действием конечных сил увеличивается непрерывно и постоянно, то материал начинает течь. Установившийся режим течения характеризуется градиентом скорости, который по смыслу аналогичен скорости деформации (рис. 1.2):

,    (1.3)

где: τ – напряжение сдвига, Па;

u – линейная скорость элементарного слоя, м/с;

y – координата слоя по нормали к вектору скорости, м.

В реологии выделяют два вида течения: 1. вязкое течение – реализуется в истинно вязких, ньютоновских жидкостях при любых сколь угодно малых напряжениях сдвига τ. Это течение описывается уравнением Ньютона:

 или  ,    (1.4)

где η – коэффициент динамической или абсолютной вязкости, который характеризует величину усилий, возникающих между двумя элементарными слоями жидкости при их относительном смещении, Па∙с;

F – сила сопротивления между двумя элементарными слоями, Н;

A – площадь поверхности сопротивления этих слоёв, м2;

2. Пластическое течение – течение при величине напряжения τ, равного пределу текучести τТ.

Напряжение – мера внутренних сил F [Н], возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади А [м2], нормальной к вектору приложения силы:

, Па.     (1.5)

Напряжение в точке нагруженного тела:

.     (1.6)

Формально сдвиговые или касательные напряжения (τ), нормальные напряжения (σ), давление, или гидростатическое давление (р), и адгезия, или давление прилипания (р0), описываются зависимостью (1.5) где сила и площадь будут иметь соответствующий физический смысл.

Исследование различных видов деформаций в зависимости от сопровождающих их напряжений и составляет предмет реологии.

К основным реологическим свойствам материалов относятся: вязкость, упругость, пластичность, прочность и твёрдость. У одного и того же материала, в зависимости от его состояния и условий нагружения, проявляются те или иные реологические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснить, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Вязкость – мера сопротивления течению. Она является основным свойством для жидких тел, а также для пластичных тел после превышения предела текучести. Для неньютоновских жидкостей вязкость – функция скорости сдвига, поэтому её называют «кажущейся», или эффективной, вязкостью hЭФ [Па·с]. Для неньютоновских жидкостей эффективная вязкость состоит из двух компонентов:

1) ньютоновской  вязкости η, которая основана на внутреннем трении и представляет физическую константу материала;

2) структурного  сопротивления, которое зависит  от структурного состояния дисперсных  систем и является функцией  скорости сдвига .

Упругость – способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел при растяжении – сжатии характеризуется модулем упругости первого рода (модуль Юнга) Е [Па], а при сдвиге – второго рода (модуль сдвига) G [Па].

Пластичность – способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. В реологии в этом смысле при деформациях существует понятие «предельное напряжение сдвига» (ПНС), обозначаемое θ0. Это напряжение, при превышении которого в материале появляются пластические деформации.

Прочностью называют сопротивление тела действию внешних сил, которые приводят к течению или к их разрушению. У гуковских (упругих) тел скорость деформации не влияет на предел прочности, так что различий в статической и динамической прочности не существует. У негуковских тел (к которым принадлежат почти все твердые пищевые продукты), которые обладают как упругими, так и пластичными (вязкими) свойствами, прочность зависит от скорости деформирования.

Твёрдость – это комплексное свойство негуковских тел оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых деформаций. Твёрдость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения.

К другим физико–механическим свойствам материалов можно отнести мягкость, хрупкость, адгезию и липкость.

Сдвиг – это очень важный вид деформации в реологии. Простой сдвиг рассматривается как плоская деформация, параллельная неподвижной плоскости вследствие действия на гранях элемента касательных напряжений. Простой сдвиг представляет собой случай ламинарного потока, при котором тело можно считать состоящим из бесконечно тонких слоев. Эти слои не деформируются, а только скользят один по другому (рис. 1.1,а).

Мягкость – свойство, противоположное твёрдости.

Хрупкость – свойство твёрдых тел достигать разрушения при незначительных пластических деформациях. Чисто гуковские тела обнаруживают хрупкое разрушение при любой скорости деформации. У негуковских тел хрупкое разрушение наступает только при высоких скоростях деформации или низких температурах, когда теряют действие вязкостные свойства.

Адгезия – свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления.

Липкость – свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей.

Каждый материал обладает всем комплексом реологических свойств, хотя и в различной степени. У одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения, могут проявляться, в большей или меньшей степени, различные реологические свойства.

Качественное развитие реологии, которая играет важную роль в инженерной физико-химической механике, видно из следующих этапов её изменения.

Классическая реология как наука о течении и деформации реальных тел (техническая механика реальных тел или дисперсных систем) ставит задачей изучение свойств существующих продуктов и разработка методов расчёта процессов их течения в рабочих органах машин, для получения готовых изделий заданного качества.

Физико-химическая механика как наука о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами решает следующие задачи:

1) установление существа образования  и разрушения структур в дисперсных  и нативных системах в зависимости  от совокупности физико-химических, биохимических, механических и других  факторов;

2) исследование, обоснование и оптимизация  путей получения структур с заранее заданными реологическими (в самом широком смысле этого слова) свойствами.

3) разработка способов приложения  установленных закономерностей  для расчёта машин и аппаратов  и оперативного контроля основных  показателей качества по значениям величин структурно-механических характеристик.

Управляющая реология включает исследование и обоснование такого сочетания различных видов воздействий на перерабатываемое сырье, при которых обеспечивается заданный уровень реологических характеристик в течение всего технологического процесса и получение готового продукта с заданными потребительскими свойствами.

Реализация исследований методами инженерной реологии и 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 технологических процессов.

 

Классификация реологических тел

 

Объектом исследований в пищевой реологии являются пищевые материалы. Проведём качественный предварительный анализ и группировку пищевых материалов. Если за основные простейшие (по агрегатному состоянию) материалы принять газы, жидкости и твердые тела, то подавляющее большинство пищевых материалов представляет собой, так называемые, дисперсные системы. Именно для последних особенно характерны существенные отклонения от классических законов деформации и течения.

Дисперсные системы состоят из двух или более компонентов или фаз. Обычно одну из фаз рассматривают как сплошную и называют дисперсионной средой, другую, несплошную – дисперсной фазой. Такое разделение является условным и более или менее очевидным в большинстве случаев. Формально, и в некоторой степени условно, дисперсные среды могут быть разделены на восемь типов:

1) двухфазные системы из твердой  и газовой фаз;

2) двухфазные системы из твердой  и жидкой фаз;

3) двухфазные системы из жидкой  и газовой фаз;

4) двухфазные системы из двух  твердых фаз;

5) двухфазные системы из двух  жидких фаз;

6) двухфазные системы из двух  газовых фаз;

7) трехфазные системы из твердой, жидкой и газовой фаз;

8) многофазные системы.

Пищевые продукты, включая сырьё и полуфабрикаты, в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами (таблица 1.1).

Наиболее сложными реологическими свойствами обладают высоко-коцентрированные дисперсные системы с пространственными структурами.

Если рассматривать классификацию дисперсных сред в более широком плане, как часть классификации состояний сред, с которыми приходится сталкиваться в пищевой промышленности, то в неё (в эту классификацию) необходимо включить представления о магнитных и электрических полях, потоках электромагнитных излучений, радиоактивном излучении, ультразвуке и т. п.

Макрореология рассматривает все материалы в том виде, в каком они предстают перед наблюдателем при поверхностном осмотре невооруженным глазом, т.е. как однородные и линейные структуры. Однако феноменологически однородными являются только чистые жидкости и совершенные кристаллы.

Микрореология рассматривает реологическое поведение двух – и многофазных систем в зависимости от реологических свойств их компонентов.

 

Таблица 1.1. Классификация пищевых продуктов по реологическим свойствам

Дисперсная система	Продукт (в том числе сырье, полуфабрикат)	Типичные реологические свойства
Чистая жидкость	Вода, спирт, масло	Ньютоновская вязкость
Чистый расплав	Расплавленные жиры (какао-масло), расплавленный сахар	Преимущественно ньютоновская вязкость
Истинный раствор	Солевые и сахарные растворы, экстракты, пиво, напитки	То же
Коллоидный раствор	Белковые растворы, мутные фруктовые и ягодные соки	Ньютоновская вязкость, возможны вязкоупругость, тиксотропия
Жидкообразная	Суспензии (какао, фруктовые и овощные соки, супы), эмульсии (молоко, сливки, майонез)	Ньютоновская и неньютоновская вязкость, тиксотропия, вязкоупругость
Пастообразная	Фруктовое пюре (яблочный мусс), ореховый мусс, творог, фарш	Неньютоновская вязкость, тиксотропия, реопексия, вязкоупругость
Связанная мягкая	Масло, пенная масса, желе, тесто, йогурт, суп, паштет, картофельное пюре	Пластичная вязкость, обратимая и необратимая тиксотропия, упругость, вязкоупругость
Связанная полутвердая	Мякиш хлеба, вареная колбаса, вареный картофель	Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость
Прочная	Свежие яблоки, груши, картофель, огурцы, мясо, хлебобулочные продукты длительного хранения, шоколад, конфеты	Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость
Твердая	Карамель, зерно, ядра орехов, макаронные изделия, морковь	Упругость, твёрдость, высокая текучесть и прочность, хрупкость