значение динамической жесткости

К=М(4 n²fm, - K,)/[w, + М- К[/(4 тт²/ )], Н/м;

• механическое сопротивление

Z=(q (7/1 OOF) - Z|, Н с/м;

• коэффициент потерь

г| = 2 n/Z [АУ(4 тт²/ Л/) - 1 ]² /АГ,

<v)f /?? 1 - приведенная масса подвижной системы вибратора; М - масса груза; f - вторая резонансная частота колебаний столика вибратора; К\ - жест­кость подвески вибратора; Z, - механическое сопротивление подвижной сис­темы; q - коэффициент механического сопротивления; U - падение напряже­ния на сопротивлении, пропорциональное току в силовой катушке; V - элек­тродвижущая сила измерительной катушки.

с!

О 5 10 15 20 25 30 35 40 Время, с

Рис. 3.12. Влияние времени ИК термообработки на вибродинамические характеристики перловой крупы (£ = 31 кВт/м², W- 10%):

/ - динамическая жесткость; 2 - механическое сопротивление; 3 - коэффици­ент потерь

Как видно, динамическая жесткость снижается, как и статическая жесткость [14]. Зависимости для механического сопротивления и коэф­фициента потерь имеют экстремальный характер.

На рис. 3.13 приведены аналогичные данные для пшеницы.

2,5

Насколько представляют интерес абсолютные значения подобных характеристик, сказать трудно, но в качестве структурно чувствитель­ных показателей при сравнительных экспериментах, они, безусловно, заслуживают внимания. Абсолютные значения виброхарактеристик, кстати, будут меняться в зависимости от веса груза (начальной, предва­рительной статической деформации зерна).4. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Разрушение можно определить как разделение тела на части при механическом воздействии. В процессе нагружения тело претерпевает упруго-пластические деформации. При достаточно больших напряже­ниях или многократном нагружении происходит нарушение сплошно­сти тела и процесс переходит в стадию разрушения. В соответствии с современными представлениями, разрушение начинается с образования и накопления микродефектов в местах наибольшей концентрации на­пряжения, слияния их в макротрещины, которые, более или менее быст­ро развиваясь, нарушают сплошность тела, разделяя его на части с обра­зованием новых поверхностей.

В зависимости от локализации процесса разрушения можно выде­лить изнашивание - процесс разрушения приповерхностных слоев тела.

В зависимости от степени пластической деформации различают хрупкое разрушение (без существенных пластических деформаций тела) и вязкое (при наличии существенных пластических деформаций).

Хрупкость - свойство твердых тел разрушаться без пластической деформации. Упругие тела разрушаются хрупко при любых скоростях деформирования. Неупругие тела разрушаются хрупко при больших скоростях деформирования или при низких температурах.

Большое значение в технологии переработки пищевых продуктов имеет процесс измельчения - разрушение тела на множество кусков. Одним из основных факторов, оказывающих влияние на конструктивное оформление измельчающего оборудования и энергоемкость процесса разрушения, является применяемая схема нагружения и характер воздей­ствия. Представляющие интерес схемы нагружения даны на рис. 4.1.

В зависимости от схемы приложения внешних сил и характера на­гружения различают:

• раздавливание между двумя поверхностями при сжатии;

• раскалывание (для хрупких материалов) или разрезание (куттеро- вание);

• свободный удар;

• разламывание;

• истирание (износ) или срезание частицами окружающей среды (аб­разивный износ);

• баротермическое разрушение (за счет избыточного внутреннего давления или термических напряжений).

По характеру изменения во времени, как уже говорилось, выде­ляют квазистатическое (сравнительно медленное) и динамическое (ударное) воздействие. Как правило, в реальных машинах имеют место сложные схемы нагружения, однако иногда удается выделить упрощен­ную, превалирующую в данной конструкции.

Для характеристики изменения геометрических параметров про­дукта вводят величину, называемую степенью измельчения:

i = Did,

где Dud- средние характерные размеры частиц до и после измельчения.

Наиболее полной характеристикой будет эмпирическая функция распределения для исходного и конечного продуктов, построенная по единой методике.

Процесс деформирования тела завершается его разрушением (рис. 4.2).

• предельной деформацией - А/ „ = /₀ — где / _п - размер зерновки пе­ред разрушением, /₀- начальный размер зерновки. С практической точки зрения, наибольший интерес представляет работа разрушения

<4, 1-й

А = J F{M)d{M) = F„Al„ - J M{F)d{F).

о о

Рис. 4.2. Деформационная кривая

Из существующих концептуальных гипотез основными являются две

1. Работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна внов образованной поверхности (П. Реттингер, 1867 г.):

А = kAS. (4.

Если площади поверхности выразить через средние начальный конечный характерные размеры частиц, то зависимость можно преде вить в виде:

A_R = k_R(i-\)Q/D, (4

где Q - объем или масса измельчаемого материала.

Этот закон предпочтителен при описании процессов помола и и мельчения хрупких материалов.

2. Работа, затрачиваемая на одинаковое изменение формы геоме рически подобных и однородных тел, пропорциональна объемам массам этих тел (В. Л. Кирпичев, 1874 г.):

А = к- V.

После преобразований и допущений это положение можно пред­ставить в виде:

A_K = k_KQ lg(/).

Данная модель приемлема при измельчении вязких материалов.

Оба процесса, сопровождающие измельчение (образование новых поверхностей и пластическая деформация частиц), учтены в гипотезе о том, что элементарная работа измельчения пропорциональна прираще­нию среднегеометрического между измельчаемым объемом и измене­нием поверхности (Ф. Бонд, 1949 г.):

А = к{ VFAS ),

что приводит к зависимости

Аб ⁼ V/-T ) Q/ VD . (4.3)

Все вышеуказанные зависимости могут быть получены из гипоте­зы - элементарная работа измельчения одного куска материала пропор­циональна некоторой степени его среднего характерного размера:

dA=-kQ dx/x\

Задавая различные п (п = 1; 1,5; 2) и интегрируя, можно получить соответствующие выражения для энергозатрат как функции от начально­го и конечного размеров частиц. При п -2 имеем (4.1), при /7=1- (4.2), при и — 1,5 -(4.3).

Предложен и еще ряд гипотез [15].

4.1. Прочностные характеристики зерновок

Прочность зерна характеризуется величиной силы и абсолютной (или относительной) деформации, при которых наблюдалось образова­ние первой макротрещины. Используют также и условный предел проч­ности - усилие, деленное на площадь максимального сечения зерновки в плоскости, перпендикулярной направлению деформирования (аналог напряжения). Мы будем пользоваться и тем и другим понятием.

Чтобы составить представление о порядке этих величин, обратимся к табл. 4.1.

В таблице представлены статистические характеристики значений усилия и абсолютной деформации до первой трещины для зерна пшени­цы различной крупности при квазистатическом сжатии (влагосодержание 0,11-0,13). В качестве характеристики размера зерна использовался раз­мер ячеек сита. Зерновки выбирались из сходовой фракции на этом сите. Прочностные показатели в пределах одного и того же размера - величи­ны существенно случайные и здесь характеризуются коэффициентом ва-

рнации (отношением дисперсии к среднему значению). С возрастанием размеров зерновки в среднем как усилие, так и предельная деформация увеличиваются. Отметим, что возрастает и энергия (полупроизведение усилия па деформацию). Однако, если рассматривать условный предел прочности и относительную деформацию, то с ростом размеров зерна условный предел прочности уменьшается (как бы проявляется масштаб­ный эффект), а относительная деформация практически не меняется.

Прочностные характеристики зависят от стекловидности зерна: чем она больше, тем больше предел прочности и меньше деформация.

С возрастанием влажности прочность зерна при одноосном сжатии уменьшается, а предельная деформация возрастает как для стекловид­ного, так и для мучнистого зерна, как это видно из графиков на рис. 4.3 и рис. 4.4 на примере пшеницы [13].

80

5: 70

S" 60 %

& 50 <ь

I ⁴⁰

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Влажность, %

Рис. 4.3. Зависимость разрушающего усилия от влажности пшеницы:

О

/ - Цезиум 31; 2 - Мильтурум 553

Рис. 4.4. Зависимость деформации до разрушения от влажности пшеницы:

I - Цезиум 31; 2 - Мильтурум 553

Отметим, что при большой влажности зерно может претерпевать без разрушения существенные деформации.

Если по результатам данных предыдущих графиков оценить энергию, затраченную на разрушение, то ее зависимость от влажности будет иметь экстремальный характер, как это показано на рис. 4.5 [13].

Влажность, %

Рис. 4.5. Зависимость работы разрушения от влажности зерна пшеницы:

/ - Цезиум 31; 2 - Мильтурум 553

Исследовалось и влияние температуры. Установлено, что в широ­ком диапазоне (-20...+60 °С) с повышением температуры прочность также падает, а деформация растет.

з 2 о

3 =»

!

0 10 20 30 40

Скорость деформирования, м/с

Рис. 4.6. Влияние скорости деформирования на усилие до разрушения (относительно усилия при квазистатическом деформировании):

1 - кукуруза; 2 - ячмень

I

3

CL

О §

о «

I'

•8?

3

Рис. 4.7. Влияние скорости деформирования на деформацию до разрушения (относительно деформации при квазистатическом деформировании):

/ - кукуруза; 2 - ячмень

Энергозатраты на разрушение с ростом скорости также возрастают (рис. 4.8).

12

10

Рис. 4.8. Влияние скорости деформирования на работу разрушения (относительно работы при квазистатическом деформировании):

1 - кукуруза; 2 - ячмень

4.2. Измельчение

Основной целью измельчения сыпучих материалов является полу­чение продукта с частицами меньшего размера. Для измельчения ис­пользуют механическое воздействие, приводящее к деформации и раз­рушению отдельных зерен до частиц необходимого размера, заданной крупности (фракционного состава).

Другим важным показателем процесса измельчения, впрочем, как и любого другого процесса, является энергоемкость. Различные методы, а соответственно, и машины дают различную степень измельчения. При этом различаются и удельные энергозатраты (расход электроэнергии на измельчение единицы массы продукта или на единицу вновь образованной поверхности) при фиксированных характеристиках конечного продукта.

§

г ш

а

in *

О CL О £ о \о

<5

4.2.1. Измельчения в вальцовом станке

Мука, основной продукт зерноперерабогки, производится на валь­цовых станках по схемам «ж» рис. 4.1.

Зерновка, попадая в зазор между вальцами, сжимается, а за счет раз­ности скоростей вальцов, подвергается еще и воздействию сдвиговых уси­лий. При грубом измельчении процесс следует второму закону (Кирпи- чев), а при тонком помоле - первому (Реттингер). Поэтому оценка энерго­затрат проводилась по удельной работе (сопротивляемость зерна измель­чению) - работа, затрачиваемая на создание единичной площади новых поверхностей. Исследования на лабораторном стенде, имитирующем ра­боту вальцового станка, показали, что с ростом влажности и температуры энергозатраты увеличиваются, как это видно на рис. 4.9 и 4.10 [13J.

10 12 14 16 18

Влажность, %

Рис. 4.9. Зависимость удельной работы измельчения от влажности:

1 - пшеница Цезиум 31 (стекловидная); 2 - пшеница Цезиум 31 (мучнистая); 3 - рожь Харьковская (мучнистая)

4.2.2. Измельчение при свободном ударе

Рассмотренные характеристики определяют поведение зерна при квазистатическом нагружении, например в процессах деформирования в вальцовых мельницах, дробилках, плющилках, грануляторах, работаю­щих по схеме свободного или стесненного сжатия.

В зерноперерабатывающей промышленности имеется ряд процес­сов, использующих энергию свободного удара. По этому принципу ра­ботают все молотковые дробилки, дисмембраторы, дезинтеграторы струйные мельницы и т. п.

20 40 60

Температура, С

Рис. 4.10. Зависимость удельной работы измельчения от температуры (влажность W- 14,5-15,5%):

1 - пшеница Цезиум 31 (стекловидная); 2 - пшеница Цезиум 31 (мучнистая); 3 - рожь Харьковская (стекловидная)

Как было отмечено ранее, с увеличением скорости деформирова­ния возрастает жесткость зерновок. Характер деформирования и разру­шения приближается к упругому хрупкому, в первую очередь для зерна с влажностью ниже нормальной.

Рассмотрим кинематические аспекты свободного косого удара. Он характеризуется, при условии, что зерновка не распалась на части, ско­ростью удара или подлета V₀, скоростью отскока V_u углом падения, уг­лом отражения (отскока). Углы измеряются между нормалью к поверх­ности и соответствующими векторами. Поскольку удар все-таки не аб­солютно упругий, то часть энергии удара AW — 0,5 т (V₀² - V²) рассеи­вается, в том числе, расходуется на совершение работы по образованию микро- и макротрещин (образование новых поверхностей).

Поэтому нормальная составляющая скорости отскока меньше, чем нормальная составляющая скорости подлета. Отношение = V\!Vq на­зывают коэффициентом восстановления скорости. Таким образом, чем меньше коэффициент восстановления нормальной составляющей ско­рости, тем большая часть кинетической энергии удара была затрачена на неупругое деформирование и разрушение зерновки. Проведение ка­ких-либо измерений в условиях такого скоростного процесса, как удар, для таких малых объектов, как зерно, затруднено. Используя ускорен­

ную киносъемку, удается оценить скорость подлета и отскока частиц и соответствующие кинетические энергии.

Коэффициент восстановления зависит от скорости, т. е. от величи­ны деформации при ударе. Чем больше деформация, тем большая часть кинетической энергии рассеивается в зерне и тем меньше коэффициент восстановления, как это видно на рис. 4.11 [16].

Коэффициент энергопотерь при ударе k_w = 1 - характеризует ту часть кинетической энергии, которая затрачена на образование новых поверхностей и нагрев продукта при разрушении. Таким образом, чем больше коэффициент энергопотерь (и чем меньше коэффициент восста­новления), тем большая часть кинетической энергии удара пошла на раз­рушение зерновки. На рис. 4.12 показана зависимость коэффициента от удельной энергии удара W- Vq!2 для навески зерна единичной массы.

Как видно, коэффициент энергопотерь зависит от удельной энер­гии удара, т. е. от скорости. Чем больше скорость и, соответственно, деформация, тем большая часть кинетической энергии рассеивается в зерне. С ростом влажности коэффициент энергопотерь снижается

.

20 40 60

Скорость удара, м /с

Рис. 4.12. Влияние энергии удара на коэффициент энергопотерь k_w:

1 - пшеница; 2 - ячмень

На рис. 4.13 показано влияние влагосодержания на коэффициент восстановления.

0,36

11 12 13 14 Влагосодержание, %

Рис. 4.13. Влияние влагосодержания на коэффициент восстановления для пшеницы при скорости удара 43 м/с

С увеличением влажности коэффициент восстановления снижает­ся, а коэффициент энергопотерь, соответственно, возрастает

.

Однако при косом ударе имеет место и касательная составляющая вектора скорости. Очевидно, чем больше угол падения, тем больше ка­сательная составляющая и меньше нормальная. Потери, снижающие величину касательной составляющей скорости при отскоке, обусловле­ны проскальзыванием зерна и потерями энергии на работу, совершае­мую на преодоление силы трения. Если какое-то разрушение зерновки при этом и происходит, то это истирание ее поверхностных слоев.

С практической точки зрения, нас интересует конечный результат удара - разрушение и его степень. Наиболее полно степень разрушения продукта можно характеризовать эмпирической функцией распределе­ния размеров продукта измельчения. Доля продукта (по весу), имеюще­го размер частиц меньше размера отверстий сита, определяется путем рассева. В простейшем случае можно говорить о доле продукта, измель­ченного до крупности меньше заданной. Эта доля определяется прохо­дом через контрольное сито. На рис. 4.14—4.16 показаны зависимости прохода через сито с отверстиями диаметром D = 3 мм от скорости и числа свободных лобовых ударов навески зерна о деку.

Рис. 4.14. Влияние скорости и числа ударов на показатель измельчения ячменя

Рис. 4.15. Влияние скорости и числа ударов на показатель измельчения пшеницы

Рис. 4.16. Влияние скорости и числа ударов на показатель измельчения кукурузы

Исходя из вероятностных представлений о процессе разрушения и усталостной теории прочности, в качестве зависимости, моделирующий этот процесс, предложено выражение [14]:

Исследуя влияние тех или иных параметров удара на фракционный состав продукта, можно оценивать эффективность измельчения, естест­венно, формулируя критерии эффективности, одним из которых являют­ся удельные энергозатраты.

4

s

о

3 &

3

Рис. 4.17. Влияние скорости подлета на энергозатраты при измельчении зерна свободным ударом (влажность 13%, угол атаки 90°, проход сита D = 3 мм):

1 - ячмень; 2 - пшеница; 3 - кукуруза

Энегозатраты оценивались по формуле:

fV=nrn-V₀²/2,

где т - масса навески, кг; п - число ударов; V₀ - скорость подлета (удара), м/с.

Экстремальный характер зависимости можно объяснить, если предположить, по аналогии с теорией усталостной прочности, что су­ществует некая минимальная энергия удара и соответствующая ско­рость V_m, ниже которой не происходит аккумулирования рассеиваемой при ударе энергии в виде микро- и макротрещин, т. е. в виде энергии вновь образованных поверхностей [14]. Предлагаемая зависимость энергозатрат от скорости удара имеет вид:

fV(V) = C₀V²/(V²-V⁷J^Cl, где Со, C_h V,„ - эмпирические коэффициенты, в общем случае зависящие от диаметра контрольного сита и свойств материала.

Можно показать, что данное выражение имеет минимум при

V • = V

^r min ' m I •

Vc,-c₂

Коэффициент V_m имеет физический смысл и соответствует мини­мальной скорости удара, при которой разрушение зерновки не наблюда­ется. Расчет F_min по данным табл. 4.2 дает для ячменя 52 м/с, пшеницы - 27 м/с, кукурузы - 16 м/с, что неплохо совпадает с результатами экспе­римента.5. адгезия и внешнее трение

Адгезия, как и трение, относится к поверхностным явлениям, кото­рые связаны с особенностями свойств поверхности раздела фаз. Всякая реальная поверхность - граница вещества - в силу своего строения об­ладает свойствами, отличными от свойств вещества в объеме. Кроме того, в силу своего положения она вступает во взаимодействие с други­ми материалами при контакте с ними и окружающей средой. Адгезия и трение характеризуют механическое взаимодействие двух соприкасаю­щихся поверхностей раздела.

5.1. Адгезия

Адгезия - способность двух разнородных твердых или жидких тел, соприкасающихся поверхностями раздела, сопротивляться их взаимному отрыву. Причиной адгезии является межмолекулярное взаимодействие - это относительно слабая связь молекул между собой, не приводящая к разрыву или образованию новых химических связей. Представление о межмолекулярных взаимодействиях связано с именем Ван-дер-Ваальса, который в 1873 г. использовал это понятие для объяснения свойств ре­альных газов и растворов. Поэтому силы межмолекулярного взаимодей­ствия называют также ван-дер-ваальсовыми. Их основу составляет взаи­модействие между электронами и ядрами одной молекулы с ядрами и электронами другой. В явлении адгезии участвует целый ряд механизмов на молекулярном и надмолекулярном уровне. Для практических целей достаточно описат ь общие макроскопические закономерности явления.

Поверхности контакта двух твердых тех показаны на рис. 5.1, а.

Представляют интерес взаимодействия атомов, молекул по харак­теру изменения потенциальной энергии Е микрочастиц в зависимости от расстояния г между ними (рис. 5.1, б).

Кривая энергии сначала идет круто вниз (ветвь 1), затем имеет ми­нимум при г₀, образуя «яму», и потом по экспоненте приближается к горизонтальной оси, т. е. к нулю (ветвь 2).

В результате такого взаимодействия частицы располагаются друг от друга на некотором расстоянии г₀. Это соответствует минимальной энер­гии взаимодействия. Расстояние от оси ординат до дна ямы г₀ можно на­звать равновесным. Если расстояние между частицами г > го, то они при­тягиваются друг к другу (ветвь 2). При г < г₀ они отталкиваются (ветвь 1). Таким образом, при сближении частиц сила притяжения возрастает и дос­тигает наибольшего значения, когда частицы подойдут друг к другу очень близко. При сближении г = г^ силы притяжения и отталкивания равны и равнодействующая (сила взаимодействия) равна нулю. При сближении частиц на расстояние меньше равновесного возникают силы отталкива­ния, которые быстро нарастают и делают невозможным дальнейшее уменьшение расстояния. Практически поверхностное взаимодействие типа ван-дер-ваальсова исчезает на расстоянии 1-2 нм. Оно зависит от свойств молекул (дипольного момента и поляризуемости), взаимной ори­ентации, строения молекул, а также расстояния между молекулами. Су­ществует ряд теорий этого явления: адсорбционная, электрическая, элек­тромагнитная, диффузионная, термодинамическая и др. Но общепризнан­ной теории адгезии нет, есть только гипотезы. Приведенное объяснение адгезии межмолекулярным взаимодействием является частью адсорбци­онной теории адгезии. Б. В. Дерягин разработал электрическую теорию адгезии. Он установил, что если межмолекулярные силы действуют на расстоянии менее 2 нм, то электростатическое притяжение наблюдается на расстоянии до 1000 нм. Таким образом, кроме межмолекулярных сил важную роль при сцеплении играет двойной электрический слой.

Рис. 5.1. Модель силового поля межмолекулярных сил между поверхностями твердых тел:

а - межмолекулярные силы: 1 - силы адгезии; 2 - силы когезии; 3 - элементы строения тела (атомы, ионы. молекулы); б - изменение потенциальной энергии Е(г) при сближении молекулы и плоской стенки

Но адсорбционная и электрическая теории не исключают друг друга, последняя лишь указывает на дополнительный источник адгезионных сил.

ООО ООО

о б

Рис. 5.2. Различные случаи адгезионного взаимодействия частиц и поверхности

Зоной действия сил адгезии является пятно контакта частицы, и чем больше площадь пятна, тем больше сила. Ведущую роль при этом играют свойства материалов. У стального шарика на поверхности стек­ла пятно контакта мало и силы адгезии малы. Если же поместить этот шарик на поверхность, например, конфетной массы, да еще и предвари­тельно нагрузить нормальной силой, то и пятно контакта, и адгезионная сила существенно увеличатся.

Естественно, пятно контакта зависит от размера частиц. На прак­тике существенным является не сама сила адгезии, а ее соотношение с весом тела. Как известно, вес частицы меняется пропорционально кубу приведенного радиуса: Р = mg ~ г . Силы межмолекулярного взаимо­действия между сферической частицей и плоскостью зависят от радиуса частицы линейно: F_a ~ г. Фактически, из-за наличия шероховатости за­висимость несколько сложнее. Следовательно, существует некоторый размер, менее которого силы адгезии будут больше веса частицы. По­этому, например, мучная пыль легко удерживается на вертикальной стенке, а крупа - нет.

Формально адгезию (аутогезию) оценивают при нормальном отры­ве как удельную силу нормального отрыва одного материала от другого:

K = N/S,

где N - сила отрыва по нормали к поверхности, Н; S - площадь взаимодейст­вующих поверхностей, м².

Нарушение контакта при разъединении поверхностей двух тел мо­жет быть адгезионным - по границе раздела (прочность адгезионной связи меньше, чем прочность продуктов), аутогезионным (когезион- ным) - по слою одного из продуктов (адгезионная связь прочнее про­дуктов) и смешанным.

Для слоя частиц, если рассматривать слой в целом, адгезия его с поверхностью определяется как суперпозиция адгезионного взаимодей­ствия отдельных частиц:

F,^s = F_an/S, Па,

где F_a - сила адгезии отдельной частицы, Н; S - площадь адгезионного взаимо­действия, м⁷; п - число контактирующих частиц на площади S.

Частицы сыпучей массы в местах контакта взаимодействуют также и между собой. В этом случае говорят об аутогезионпом взаимодейст­вии, или аутогезии. Адгезия и аутогезия вызываются одними и теми же силами.

Аналогично аутогезия слоя связана с аутогезией отдельных частиц соотношением:

F_ayJ^s = F_ayTn/S, Па,

где F_3yT - сила аутогезии между двумя частицами, И.

Число контактов частиц зависит от размера частиц и плотности упаковки.

В габл. 5.1 приводятся значения сил адгезии пшеничной муки выс­шего сорта влажностью 12% к некоторым материалам [6].

5.1. Сила адгезии пшеничной муки высшего сорта, кПа

Адгезия - величина очень чувствительная к воздействию внешних факторов, поскольку реальные поверхности существуют в окружающей среде и, прежде чем придут в соприкосновение, подвергаются воздейст­вию этой среды. При этом на поверхности происходит адсорбция, хи­мические реакции и просто загрязнение. Т. е. в контакт вступают не чистые (ювенильные) поверхности исходных материалов, а нечто суще­ственно отличающееся. Адгезия (когезия) зависит от времени предвари­тельного контакта, был ли предварительный контакт под нагрузкой, от температуры, влажности продукта и т. п. [6]. Адгезия может значитель­

но увеличиваться за счет химического взаимодействия на границе раз­дела. Дополнительный вклад в силы адгезии вносят электростатические силы. Заряженные частицы наводят на поверхности элекростатический заряд противоположного знака.

контакта, мин

Рис. 5.5. Влияние времени предварительного контакта при давлении 126 Па на силу аутогезии для муки высшего сорта влажностью 12,4%

Таким образом, если влияние предварительного давления и време­ни контакта однозначно возрастающее, то зависимость для влажности (в данном диапазоне) имеет экстремальный характер, хотя очевидно, что при дальнейшем ее возрастании аутогезия должна увеличиваться, поскольку мука превращается в тесто - массу довольно липкую. С рос­том аутогезионного взаимодействия частиц связано такое явление, как слеживание сыпучих пищевых масс.

Адгезия входит составляющей величиной в силу внешнего трения при движении сыпучей массы по опорной поверхности. Аутогезия яв­ляется существенным фактором в оценке степени связности сыпучих пищевых масс, определяя их подвижность (сыпучесть) и силу внутрен­него трения. Поэтому оценку сил адгезии (аутогезии) обычно проводят по методикам определения сдвиговых характеристик.

5.2. Трение

Вопрос о фении до сих пор изучен недостаточно. Трение - это сложный комплекс механических, физических и химических явлений. В зависимости от условий, при которых происходит процесс трения, те или иные явления преобладают. Трение - диссипативный процесс, со­провождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разруше­нием и т. д. Заметный вклад в силу трения может вносить адгезия.

Классифицируют трение по: • наличию движения - трение покоя (статическое) и трение движе­ния (динамическое);

• характеру движения - трение скольжения, трение качения и трение

качения с проскальзыванием, трение верчения;

• наличию смазывающей прослойки - сухое трение, трение со смазкой;

• по отношению к трущимся поверхностям - внешнее и внутреннее.

5.2.1. Внешнее трение скольжения

В своей практической деятельности человек чаще всего встречает­ся с внешним трением. Согласно ГОСТ 27674-88, внешнее трение - это явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по каса­тельной к ним.

Часто силу внешнего трения путают с внешней силой, приложен­ной к контактирующим твердым телам и вызывающей их скольжение. Эта сила равна силе трения по абсолютной величине, но противополож­на по направлению. Сила трения - сила не консервативная.

Различают силу трения покоя, неполную силу трения покоя и силу трения скольжения. Если к одному из тел приложить силу, лежащую в плоскости касания, недостаточную для того, чтобы вызвать скольжение данного тела относительно другого, то возникающая сила трения назы­вается неполной силой трения покоя (участок OA на рис. 5.6). При этом наблюдается малое (~1 мкм), частично обратимое смещение в зоне кон­такта, величина которого пропорциональна приложенной силе и возрас­тает с увеличением последней от нуля до некоторого максимального значения (точка А на рис. 5.6). Это упруго-пластическое смещение на­зывается предварительным смещением, а сила трения - силой трения покоя. После того, как приложенная сила превысит критическое значе­ние, предварительное смещение переходит в скольжение, причем сила трения несколько уменьшается (точка А|), уже не зависит от перемеще­ния и называется силой трения движения (динамической).

Автором первой научной работы по трению считается итальянский ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, открывший закон о прямой зависимости силы трения от нагрузки: T-fN, принявший коэф­фициент трения/- 0,25, что во многих случаях недалеко от истины.

В 1699 г. французский ученый Г. Амонтон повторил забытый закон Леонардо да Винчи и дал формулировку, что сила трения пропорцио­нальна нагрузке на трущиеся поверхности и трение не зависит от разме­ров трущихся тел, а коэффициент пропорциональности (трения) / не изменяется и равен 0,3.

По мере углубления научных знаний в различных областях естест­вознания совершенствовалась и теория трения. Появляются рассужде­ния о влиянии адгезии на трение. В 1778 г. Ш. Кулон первым предло­жил двучленную формулу:

Т= а + foN,

где % - коэффициент пропорциональности; а - характеристика адгезионного взаимодействия (сцепляемоети). которая не зависит от нагрузки, но зависит от площади поверхностей и отражает эффект адгезионного взаимодействия трущихся поверхностей.

Академиком Б. В. Дерягиным был предложен двучленный закон трения в виде:

Т=м F;S+N) =/о N( F; S/N+ I\

где F* = a/fo - адгезия (удельная сила адгезии). Па; S - номинальная площадь касания трущихся поверхностей, м²; N - внешняя сила нормальная к поверхно­сти трения, И.

Если последнее выражение разделить на площадь, то получим вы­ражение для удельной силы трения (напряжение сдвига):

+p)=f*p{F^sJp+l\

а

Коэффициент трения - коэффициент пропорциональности между силой трения и нормальной реакцией. Вопрос в том, что вкладывать в понятие нормальной реакции - только давление от внешней силы (по Леонардо да Винчи) или учитывать и адгезионную (аутогезионную) составляющую.

На рис. 5.7 приведены графики изменения удельной силы трения в зависимости от методики ее расчета и оценки коэффициента трения.

Рис.5.7. К исследованию вопроса о трении:

/ - типичная кривая зависимости удельной силы трения от внешнего давления; 2 - график расчетной зависимости удельной силы трения от внешнего давле­ния, при использовании одночленной модели (по Леонардо да Винчи) и истинно­го коэффициента трения; 3 - график расчетной зависимости удельной силы трения от внешнего давления по Леонардо да Винчи

Если воспользоваться спрямленной кривой (/) фактической зави­симости т(р), то отношение приращения силы трения (удельной силы трения) при скольжении к приращению нормальной внешней силы (но­минального давления), прижимающей эти тела друг к другу, можно на­звать истинным коэффициентом трения движения, а соответствующее отношение для наибольшей силы трения покоя - коэффициентом тре­ния покоя. Угол наклона Ф₀ = arctg(J) называют истинным углом трения. Для оценки этих характеристик в линейной части зависимости необхо­димо знать силу трения как минимум при двух фиксированных значе­ниях нормальной силы, например {р\, х_м; р₂, Х\₂). Тогда /~ (^т12 ~тц)/(/?2 ~Р\)- В инженерной практике при оценке сил трения ча­ще пользуются выражением в форме Леонардо да Винчи. Если вы при этом используете истинный коэффициент трения, то вы получаете ре­зультат, заниженный на величину силы сцепления х₀ (прямая 2 на рис. 5.7). Относительная ошибка зависит от соотношения сил адгезии и внешнего давления и при малом давлении и может быть существенной.

Если же для оценки коэффициента трения пользоваться одночлен­ным выражением в форме Леонардо да Винчи, для чего достаточно оце­нить силу трения при одном фиксированном значении внешней нор­мальной силы, например {/?₍₎, too} и/= Too/po> то пересчет по нему силы трения будет давать завышенные или заниженные результаты, в зави­симости от того, при каких значениях давления оценивался этот коэф­фициент и проводятся расчеты (прямая 3 на рис. 5.7).

В табл. 5.2 приведены коэффициенты статического и динамическо­го трения для различных сортов пшеничной муки по бетону.

5.2. Коэффициенты внешнего трения о бетонную поверхность

На рис. 5.8 представлены экспериментальные зависимости удель­ной силы трения от нормального давления для слоя муки при смещении по поверхности из некоторых материалов [6].

Рис. 5.8. Зависимость удельной силы грения от нормального давления для слоя муки при смещении по поверхности из:

1 - стали; 2 - полиэтилена П2ЭС-4; 3 - полиэтилена ПВД

На графике коэффициент трения равен тангенсу угла наклона пря­мой. При экстраполяции результатов на р = 0 можно получить адге­зионную составляющую удельной силы трения. В табл. 5.3 представле­ны данные о коэффициентах внешнего трения слоя муки высшего сорта влажностью 12% о поверхность из тех же материалов.

Для понимания процессов, определяющих и сопутствующих про­цессу трения, рассмотрим взаимодействие трущихся поверхностей на микроуровне. Из-за волнистости и шероховатости поверхности контакти­рование реальных твердых тел будет осуществляться в отдельных зонах, т.е. контакт будет дискретным. Это очень важное положение в теории трения. Фактически в природе нет абсолютно гладких поверхностей твердых тел. Даже поверхность слюды, образованная при расщеплении, имеет неровности порядка 20 А (1 ангстрем = 10"⁴ мкм), а поверхность идеального гладкого кристалла кварца имеет величину шероховатости 100 А. Самые гладкие металлические поверхности, обработанные на тех­нологическом оборудовании, имеют неровности высотой 0,05-0,1 мкм.

Для характеристики процесса контактирования твердых тел вво­дятся понятия номинальной, контурной и фактической площадей каса­ния. Номинальная площадь касания S совпадает со всей площадью кон­тактирующей поверхности детали и определяется макрогеометрически- ми параметрами.

Рассмотрим гипотетический случай - контакт двух твердых тел с номинально плоскими поверхностями (рис. 5.9).

У одного тела поверхность идеально ровная, у другого имеются микронеровности в виде волнистости и шероховатости. При начальном контакте силовые взаимодействия воспринимаются самыми высокими микронеровностями, которые, деформируясь, образуют пятна контакта площадью S_ri - элементарные фактические площадки касания (рис. 5.9). Суммарная площадь таких пятен образует фактическую площадь касания S_r, которая в тысячи раз меньше номинальной S.

Рис. 5.9. Взаимодействие поверхностей двух трущихся тел

Усилия, возникающие при контактном взаимодействии микроне­ровностей, передаются элементам волнистости и вызывают их дефор­мацию. Деформация элементов волнистости в местах их максимального подъема приводит к образованию на контактирующих поверхностях в пределах номинальной площади зон касания площадью S_CI. Суммарная площадь таких зон называется контурной площадью касания S_c. В пре­делах контурной площади касания контактирование осуществляется отдельными микронеровностями, каждая из которых образует элемен­тарную фактическую площадку касания.

Чтобы более глубоко представить себе механизм формирования сил трения, рассмотрим взаимодействие упругого полупространства с жестким индентором (это могут быть или микровыступы, или мелкие частицы), как это показано на рис. 5.10.

Представим, что мы нагрузили индентор нормальной силой N. При этом он внедряется в полупространство на некоторую глубину И₀. Оче­видно, смещения вдоль оси X не происходит. Теперь будем нагружать индентор силой F, параллельной оси X. Посмотрим, из чего будет скла­дываться сила сопротивления T-F- сила трения.

Рис. 5.10. Взаимодействие жесткого индентора

с упруго-пластичным полупространством

Прежде всего, это сила сопротивления деформированию F_T на пе­реднем фронте пятна контакта. Поскольку абсолютно упругих тел не существует, силы на заднем фронте, обусловленные упругим восста­новлением полупространства на величину h\, не компенсируют силы на переднем фронте. Далее, следует учесть влияние сил адгезии на факти­ческой контактной поверхности. Следовательно, для продольного дви­жения необходима дополнительная сила, равная силе сцепления/ F_a^s S_n,

которая является неконсервативной.

Исходя из вышеизложенного, можно представить возникновение сил трения реальных поверхностей как сопротивление неровностей трущихся поверхностей упруго-пластическому деформированию и адге­зионному взаимодействию при их относительном перемещении по каса­тельной к поверхности трения.

Величина силы трения (движения) при начале макросмещения ста­новится меньше предельной силы трения покоя. Это происходит, в пер­вую очередь, из-за уменьшения адгезионных сил (сил сцепления) от­дельных микронеровностей в результате роста пластических деформа­ций под действием повышения температуры в зоне контакта, увеличе­ния фактической площади трения и уменьшения фактического удельно­го давления. Те же факторы приводят и к некоторому изменению интен­сивности роста динамического коэффициента трения скольжения / при увеличении номинального удельного давления на поверхностях трения, особенно при малых внешних удельных давлениях ст, сопоставимых с удельной силой адгезии F_a^s.

Существенным фактором, влияющим на удельную силу трения, яв­ляется влажность зернопродукта, поскольку она сказывается на адгезион­ной составляющей силы трения. Некоторое представление об этом влия­нии для ряда видов зерна и семян можно составить по данным табл. 5.4 (нижний предел соответствует низкой влажности, верхний - высокой).

Удельная сила трения и, соответственно, динамический коэффициент трения зависят также и от скорости движения продукта по поверхности трения. На рис. 5.11 и 5.12 приведены экспериментальные данные, характе­ризующие такую зависимость трения о стальную поверхность для трех сортов муки при различном давлении. Более того, из графика видно, что при малом давлении и его влияние на коэффициент фения не линейно [17].

Рис. 5.11. Влияние давления и скорости на удельную силу внешнего трения движения муки о сталь

В качестве аппроксимирующей зависимости было предложено вы­ражение:

/= 0,22+ 1,69/И-³³⁷^'¹⁷⁸, где V - скорость, м/с; р - давление, кПа,

Рис. 5.12. Влияние давления и скорости на коэффициент внешнего

5 О

трения движения муки о сталь

Основные положения касательно сил сухого трения можно сфор­мулировать следующим образом:

• силы трения всегда направлены в сторону, противоположную от­носительным скоростям;

• с возрастанием удельного давления удельная сила трения в боль­шинстве случаев увеличивается;

• сила трения зависит от материалов и состояния поверхностей трения;

• с увеличением скорости движения сила трения в большинстве случаев уменьшается, приближаясь к некоторому постоянному значению;

• трение покоя в начальный момент движения в большинстве слу­чаев больше трения движения;

• с увеличением усилия и времени предварительного контакта сила трения возрастает;

• коэффициент трения можно считать постоянным и силы трения прямо пропорциональными нормальным давлениям только в опре­деленном диапазоне скоростей и нагрузок.

которое дает максимальную ошибку 8% для коэффициента трения в области вариации давления и скорости.

5.2.2. Трение качения

При относительном перемещении двух тел, если одно из них имеет округлую форму, возможно не только движение скольжения, но и каче­ние тел друг по другу. Возникает процесс трения качения, которое оп­ределяется моментом трения качения М Физические явления, вызы­вающие трение качения, изучены мало, а в технических расчетах поль­зуются в основном данными, полученными при экспериментах с катка­ми, роликами, колесами, подшипниками и т. д. Опыты показывают, что сопротивление перекатыванию зависит от упругих свойств материалов сопряженных тел, кривизны соприкасающихся поверхностей и величи­ны прижимающей силы.

Пусть имеется (рис. 5.13, а) неподвижный цилиндр, расположен­ный на плоскости и нагруженный некоторой силой N

.

.ГУ/?!

V7777.

■а

г

Рис. 5.13. К вопросу о трении качения:

а - схема действия сил при качении; б - эпюра напряжений контактного сжа­тия на деформированной площадке; в - смещенная эпюра напряжений кон­тактного сжатия при перекатывании ципиндра; г - распределение сил, дейст­вующих на катящийся цилиндр, с учетом деформации полупространства

Если считать нормальную реакцию F приложенной в точке а, то она уравновесит силу N, а силы Т и Р образуют пару, вызывающую ка­чение цилиндра. При такой схеме качение должно начаться под дейст­вием любой, сколь угодно малой силы Р.

Но истинная картина выглядит несколько иначе из-за деформации более податливого тела или деформации поверхностей обоих тел (рис. 5.13, б). В зоне контакта цилиндра и плоскости возникает местная деформация контактного сжатия на площадке шириной b и, в данном рас­сматриваемом случае, внедрение цилиндра в полупространство на глуби­ну И. Исходя из теории упругости, можно принять, что напряжения в со­стоянии покоя распределены симметрично по эллиптическому закону и линия действия равнодействующей Fсовпадает с линией действия силы N

.

Если начать перекатывать цилиндр (рис. 5.13, в), то участок ас будет зоной нарастающих деформаций, а участок ab - зоной убывающих де­формаций. Из-за внутренних сил трения будет иметь место несовпадение кривых нагрузки и разгрузки материала, или явление гистерезиса. Мак­симум распределения напряжений сдвигается в сторону движения. Нор­мальная составляющая равнодействующей напряжений F смещена впра­во от точки а на величину к (плечо силы трения качения).

С увеличением приложенной внешней силы Р растет до некоторой предельной величины и плечо силы трения качения к. В предельном положении на цилиндр будет действовать пара (/>,,_р-7) с моментом P_upR и уравновешивающая ее пара (N-F) с моментом Nk. Из равенства мо­ментов Р_пр R = Nk находим:

Р, _|р = kN/R.

Пока Р < Р_пр, цилиндр находится в покое; при Р > Р_пр - начинается качение.

Линейная величина к называется коэффициентом трения качения, который определяется как отношение крутящего момента сопротивле­ния качению к нормально действующей внешней силе нагрузки и имеет размерность длины. Значение этого коэффициента зависит от материала тел, радиуса кривизны и определяется опытным путем.

Если сила Р приложена не в точке О цилиндра (рис. 5.13, г), а в ка- кой-либо другой точке, например в 0\, находящейся от плоскости на расстоянии /, то необходимо во всех соотношениях величину R заме­нить величиной /.

Отношение k/R для большинства материалов значительно меньше коэффициента трения скольжения, поэтому в технике, когда это воз­можно, стремятся заменить скольжение качением (колеса, катки, шари­ковые подшипники и т. п.).

В случае относительного качения двух цилиндров, имеющих за­крепленные оси и прижимаемых один к другому силой N, момент со­противления качению выражается:

M=Nk( 1 +Я,//?₂),

где R\ - радиус ведущего, R₂ - радиус ведомого цилиндров.

В случае перемещения груза на платформе, опирающейся на катки, полная сила сопротивления выразится:

F = N(ki + k₂)/d,

где N - нагрузка, приходящаяся на каток; d - диаметр катка; к\ и к₂- коэффи­циенты трения качения соответственно между платформой и катком и ме­жду катком и неподвижной опорой.

Значения коэффициентов трения качения для некоторых материалов:

• сталь по стали (колесо по колесу) к = 0,05 мм

• сталь закаленная по стати (шариковый подшипник) к = 0,01 мм

• дерево по дереву к = 0,5-0,8 мм

5.2.3. Внутреннее трение в жидкостях

В условиях, когда пара трения непосредственно соприкасается с трущимися поверхностями, имеет место так называемое сухое трение. Если в сопряжении находится специальная смазка или другая какая- либо жидкость, то говорят о трении со смазкой. В условиях чисто жид­костного трения непосредственного касания между двумя поверхностя­ми при их относительном движении не произойдет, так как между ними имеется промежуточный слой смазочного материала. При наличии дви­жения будет наблюдаться сдвиг слоев жидкости относительно друг дру­га с определенным градиентом скорости по высоте слоя, от нулевой скорости для слоя, связанного с неподвижной поверхностью, и до ско­рости, равной скорости подвижной поверхности (рис. 5.14).

Таким образом, трение в жидкостном слое сводится к вязкому сдвигу:

т = (I dv/dh,

где ц - динамический коэффициент вязкости, Па-с; v - скорость относитель­ного скольжения, м/с; И - толщина слоя смазки, м; мерой внутреннего сопро­тивления жидкости является вязкость.

Тогда сила жидкостного трения Т_ж будет определяться по формуле:

Т_ж = \lS dv/dh,

где S - величина номинальной площади трущихся поверхностей, м².

Если принять, что градиент скорости dv/dh = v/h и ввести в числи­тель и знаменатель нормальную силу N, то формулу можно представить в виде:

Т_ж = (ц v/h q) N,

где q =N/S - удельное давление на поверхности трущихся слоев. Н/м².

Выражение r| = \xv/(hq) представляет безразмерную величину, т. е. формула для определения силы жидкостного трения имеет такой же вид, как и при сухом трении, с той разницей, что в последней формуле ясно видны факторы, влияющие на величину коэффициента трения т|, позволяющие теоретически определить его. Сравнивая коэффициенты / сухого и г| жидкостного трения, можно придти к следующим выводам:

• коэффициент/значительно больше г|;

• коэффициент г) зависит от вязкости смазочного материала;

• коэффициент г| увеличивается, а/ как правило, уменьшается с уве­личением скорости движения;

• коэффициент г] зависит от толщины смазочного слоя.

Рис. 5.14. Движение вязкой жидкости между плоскими поверхностями

Для обеспечения жидкостного фения необходимо выполнить ос­новные требования:

• смазочная жидкость, заполняющая зазор между скользящими по­верхностями, должна удерживаться в зазоре;

• в слое смазки при относительном скольжении смазываемых по­верхностей должно возникать и поддерживаться внутреннее давле­ние, уравновешивающее внешнюю нагрузку, прижимающую скользящие поверхности друг к другу;

• смазывающая жидкость должна полностью разделять скользящие поверхности;

• слой жидкости, находящийся между скользящими поверхностями, должен иметь толщину не менее определенного минимального, в зависимости от величины максимальной шероховатости скользя­щих поверхностей.

Для выполнения этих требований необходимо наличие зазора меж­ду трущимися поверхностями, достаточная скорость относительного движения и достаточная величина сил сцепления между частицами сма­зочной жидкости и поверхности твердых тел. В противном случае воз­никает так называемое смешанное трение.6. МЕХАНИКА СЫПУЧИХ ТЕЛ

Зерно и продукты его первичной переработки в своей массе обра­зуют так называемые сыпучие тела, которые относятся к связнодис- персным системам типа твердое тело (дисперсная фаза) - газ (дисперси­онная среда).

Концентрация частиц (дисперсная фаза) в сыпучих телах такова, что они контактируют между собой, образуя более или менее устойчи­вую структуру, в то же время они все-таки имеют возможность под дей­ствием нагрузки, в том числе и собственного веса, перемещаться отно­сительно друг друга. Такие свойства, присущие, с одной стороны, твер­дому телу, с другой - жидкости, определяют особенности поведения сыпучих тел при деформировании.

Сыпучесть - способность перемещаться самотеком. При этом сы­пучее тело принимает форму сосуда, в который оно насыпано. В то же время и в свободном состоянии сыпучее тело может образовать объем­ную форму (например, конус).

6.1. Способность к вибрационному уплотнению

Под действием вибраций, в частности, емкости, в которой нахо­дится сыпучий материал, частицы стремятся к более плотной упаковке. Насыпная плотность при этом увеличивается до некоторого предельно­го значения, происходит уплотнение материала.

На рис. 6.1 показано влияние количества встряхиваний мерки с зер­ном пшеницы на ее насыпную плотность. Поэтому представляет интерес минимальная насыпная плотность р_{м mjn}, полученная после загрузки мер­ного стакана при свободном падении сыпучего материала, и р_мтах, полу­ченная после наложения вибраций.

По результатам испытаний определяют коэффициент вибрацион­ного уплотнения

^е (Рм шах Рм min)' Рм max-

В табл. 6.1 приведены значения этого коэффициента для некоторых типов сыпучих материалов и своего рода классификация.810

n* 800 8

| 790

и

0. t

1. 780 §

| 770

I

5 760

750

Для зерна пшеницы коэффициент вибрационного уплотнения в за­висимости от влажности составляет 0,07-0,09, для ржи - 0,065, ячменя - 0,08-0,15, риса - 0,105. Для крупы = 0,038-0,046, для муки - до 0,46. Таким образом, зерно и крупы можно отнести к группе гранул, а мука может классифицироваться как сильно связные порошки.

6.2. Компрессионные характеристики

Компрессионные показатели сыпучего материала характеризуют изменение его объемной плотности под действием сжимающих усилий.

Различают два основных вида деформации сыпучего тела - струк­турную и упрут о-пластйческую.

Структурная деформация связана с взаимным перемещением час­тиц относительно друг друга и изменением плотности укладки частиц

.

При этом, естественно, нарушаются связи в местах контакта частиц, меняется насыпная плотность, т. е. концентрация дисперсной фазы. Очевидно, что при постоянной массе это ведет к изменению объема системы. Отметим, что пластическая деформация твердых тел не при­водит к изменению объема. Структурные деформации необратимы.

Упруго-пластическая деформация обусловлена обратимыми и не­обратимыми деформациями самих частиц как твердых тел, в местах их контактов. Упругая составляющая этого вида деформаций обратима.

Соотношение между деформациями различных видов зависит от материала и формы частиц, степени их уплотнения (плотности упаков­ки, концентрации).

Испытания сыпучих тел на сжатие производят в жестком сосуде, исключающем боковое расширение. Увеличение давления на свобод­ную поверхность сопровождается уплотнением структуры сыпучего тела, в первую очередь, за счет взаимного перемещения частиц и фор­мирования энергетически более выгодной плотной упаковки. Схема прибора для определения компрессионных характеристик сыпучих ма­териалов представлена на рис. 6.2 [18].

Рис. 6.2. Схема прибора для определения компрессионных характеристик сыпучих материалов:

I - гильза; 2 - основание; 3 - дренажный диск; 4 - верхний направляющий цилиндр; 5 - поршень; б - зажимной винт; 7 - индикатор; 8 - трубка для отвода воздуха

В результате испытаний образцов сыпучего материала на сжатие без возможности бокового расширения получается зависимость абсо­лютной деформации от усилия на поршне. Можно рассчитать относи­тельные:

• деформацию е(р) = Ah(p)/h₀,

где /?о - начальная высота слоя сыпучего материала; р = F/S - давление на про­дукт через поршень; F - усилие на поршне; S - площадь поршня; Ah(p) = h₀ - h(p) — изменение высоты слоя по показаниям индикатора при фиксированной нагрузке на слой продукта р через подвижный поршень; И(р) - толщина слоя при давлении р;

• компрессионный модуль структурной деформации Е{р) = р/е(р);

• насыпную плотность р_м(р)/р₀ = h(jj)/h₀ или порозность г(р)/s₀ в за­висимости от давления р.

прилагае- 4 [19].

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 е> мм Рис. 6.3. Кривая многократного сжатия пшенной крупы

Изменение объема пшеничной крупы в зависимости от мого давления при различных температурах показано на рис. 6

30

Рис. 6.4. Зависимость относительного объема пшеничной крупы от давления при температурах:

/ -50 V; 2-90 Т

Уменьшение объема сыпучего тела при постоянной массе приво­дит к возрастанию его насыпной плотности и снижению порозности.

Процесс уплотнения является необратимым. Следует иметь в виду, что фактическое напряжение в местах точечного контакта частиц во много раз превышает среднее, в силу чего здесь могут развиваться пла­стические деформации уже при небольших средних давлениях.

О влиянии статических нагрузок на изменение насыпной плотно­сти зерна можно судить по следующим данным: плотность при нагрузке 13,7 кПа и влажности 10-26% у пшеницы увеличивается на 7-9%, у яч­меня - на 5-9%, у проса на 6-9%, у гречихи - на 2-3%. Чем выше влаж­ность, тем больше степень изменения.

Значительно сильнее действие статических нагрузок сказывается на плотности муки. На рис. 6.5 показана зависимость насыпной плотно­сти от высоты насыпи.

Зависимости плотности пшеничной крупы от давления при высо­ких температурах даны на рис. 6.6.

1.1 1

J

% 0,9 vo

'i 0,8

0. 0,7 \

a o,6 %

§0,5 0,4 0,3

В результате последовательных нагружении и разгрузок штампа, вдавливаемого в сыпучее тело, происходит перестройка его структуры и тело приобретает свойство упругости в большем диапазоне нагрузок. Это явление названо упрочнением.

6.3. Распределительная способность

Подобно жидкостям, при сжатии сыпучих тел без возможности бо­кового расширения приращение давления на свободную поверхность вызывает пропорциональное увеличение давления на боковые стенки:

Рх=^Ру

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом бокового давления, а предыдущее выражение можно рассматривать как обобщенный закон Паскаля (для жидкости = 1).

В механике фунтов распределительная способность характеризует способность сыпучей среды перераспределять напряжение в своем мас­сиве. Количественной оценкой данной характеристики является коэф­фициент распределительной способности, который входит в уравнение расчета напряжений в полупространстве при действии сосредоточенной силы. Схема прибора для оценки напряжений в сыпучей массе показана на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Прибор для определения напряжений в сыпучих материалах:

1 - нагрузочное устройство; 2 - станина; 3 - камера; 4 - сыпучий материал; 5 - распределительная оболочка; 6 - датчик давления; 7 - аэрирующая камера

В этом случае радиальные напряжения (давление) в полупростран­стве определяются по формуле:

о> = vF (cos a)^v_2/2nr², где a, г - полярные координаты; v - коэффициент распределительной способ­ности; F - сосредоточенная нагрузка на полупространство.

Зависимость a_r(a) при различных v и FUnr² = 1 дана на рис. 6.9.

Измеряя напряжение сг_г(а) при различных углах а, можно постро­ить эпюру радиальных напряжений и, используя предыдущую формулу, с учетом веса сыпучего материала определить коэффициент распреде­лительной способности v, который связан с коэффициентом бокового давления зависимостью:

v = 2 + Щ .

Боковое давление имеет важное значение при проектировании си- лосов для хранения зерна. Если рассмотреть равновесие выделенного элементарного объема сыпучего тела с учетом трения о боковые стенки, то, решая соответствующее дифференциальное уравнение, получим вы­ражения для вертикального давления:

/7_В = Р [1 - ехр(-М)]//>;

Ь = А L/S-, для горизонтального (бокового):

Рб = £>Рв,

где р - насыпная плотность, кг/м*; И - глубина залегания рассматриваемого слоя, м; f - коэффициент трения зернопродукта о боковую стенку; L - длина периметра горизонтального сечения силоса, м; S - площадь периметра гори- зонтального сечения силоса, м~; с, - коэффициент бокового давления.

6

=С 5 сГ

4 3 2 1 О

Рис. 6.9. Зависимость радиального напряжения от угла при:

/ - v = 3; 2- v = 6

Для сыпучих материалов в зависимости от степени связности ко­эффициент распределительной способности меняется в пределах v ~ 4-8. При расчете зерновых силосов рекомендовано принимать \ = 0,44, что соответствует v= 4,2.

На практике все обстоит не так просто. Исходное дифференциаль­ное уравнение получено при весьма грубых допущениях, без учета ряда факторов, например, такого, как уплотнение продукта по глубине и со­ответствующее изменение коэффициента внутреннего трения. Кроме того, решение получено для статических условий.

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 а, рад

• при длительной выдержке боковое давление несколько падает, что, по-видимому, связано с ростом аутогезии и связности сыпучей массы;

• при выпуске зерна наблюдается скачок бокового давления в 2-3 раза в средней трети высоты силоса. Давление на днище, наоборот, снижается.

Более детальный теоретический анализ напряженного состояния сыпучих материалов, в том числе и при их истечении из силосов, можно найти в работе [18].

6.4. Внутреннее трение и сдвиговые характеристики

К сдвиговым деформационным характеристикам сыпучих тел от­носят коэффициенты внешнего и внутреннего трения и начальное со­противление сдвигу (напряжение сдвига).

Наряду с внешним, для сыпучих масс вводят понятие внутреннего трения - сопротивление сдвигу слоев сыпучего материал. Внутреннее грение является коллективным эффектом взаимодействия частиц сыпу­чей массы друг с другом и подчиняется тем же закономерностям, что и внешнее, при отнесении силовых характеристик не к границе раздела «сыпучее тело - внешняя поверхность», а к слоям самого сыпучего тела. Как и внешнее трение, сила внутреннего трения зависит от давления (или нормальной составляющей усилия в данном сечении).

Удельная сила внутреннего трения (напряжение сдвига), аналогич­но внешнему, равна:

,+р), Па,

где/- коэффициент внутреннего трения; р - нормальное давление в плоскости сдвига. Па; /^_аут - аутогезия частиц между слоями, Па.

У идеальных сыпучих материалов т₀ = т(р = 0)= 0 и зависимость т(р) проходит через начало координат. В реальных телах при р = 0 имеет ме­сто некоторая составляющая т₀ = _ayT - удельная сила сцепления, по­скольку сопротивление сдвигу, во-первых, обусловлено зацеплением час­тиц при их взаимном перемещении, а во-вторых, тем, что в пятнах кон­такта частиц проявляется действие сил трения (скольжения и качения) и аутогезии. Поэтому т₀ характеризует связность сыпучего материала.

Наряду с удельной силой внутреннего трения используется и поня­тие угла внутреннего трения Ф~ arctg(/).

Очевидно, что будут воздействовать все факторы, оказывающие влияние на силу трения между частицами (влажность, усилие и время предварительного давления), включая и крупность частиц. Возникнове­ние сил внутреннего трения обусловлено физико-механическим взаимо­действием подвижных частиц сыпучего тела. При этом частицы не только скользят друг относительно друга, но и имеют возможность ка­титься. Поэтому коэффициент внутреннего фения отличается от стати­ческого внешнего трения частицы о частицу.

Схема прибора для оценки сдвиговых характеристик сыпучих масс приведена на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Схема прибора для оценки сдвиговых характеристик:

1 - подвижная ячейка; 2 - неподвижная ячейка; 3 - динамометр; 4 - привод горизонтального перемещения; 5 - струнные подвесы; 6 - весоизмеритель; 7 - станина; 8 - регулировочные винты; 9 - перекладина; 10 - стойки; II- инди­катор перемещений; 12 - перегородки

Этот же прибор можно использовать и для оценки внешнего фе­ния, если в неподвижной ячейке поверхность, соприкасающуюся с сы­пучим продуктом, выполнить из испытуемого материала. Усилие, фик­сируемое в момент начала движения верхней, подвижной части прибо­ра, принимают за усилие сдвига Т, которое зависит от нормального сжимающего усилия, вызванного силой N и обеспечиваемого грузом. Если перейти к относительным величинам, разделив усилия на площадь сдвигаемого слоя, то можно построить зависимость между касательны­ми напряжениями т (удельной силой внутреннего трения) и нормаль­ными (давлением р) - линию предельных касательных напряжений сдвига, характерный вид которой подобен, данному на рис. 5.7. Соот­ветственно, т₀ представляет собой когезионную (аутогезионную) со­ставляющую внутреннего трения.

В практике сепарирования зернопродуктов для определения коэф­фициентов сопротивления сдвигу слоев применяется методика В. В. Гортинского, сущность которой заключается в измерении переме­щений меченых слоев в сыпучем теле относительно горизонтальной опорной поверхности после ее торможения от известной скорости V до полной остановки [20].

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 6.11.

по Гортинскому:

I - тележка; 2 - пластина из исследуемого на трение материала; 3 - погло­щающий тормоз; 4 - груз; 5 и 7 - конечные выключатели; б - электронный секундомер; 8 - тормоз-фиксатор начального положения; 9 - измерительное приспособление; 10 - сыпучий продукт

Тележка устанавливается на горизонтальных рельсах и имеет воз­можность свободного движения под действием груза 4. От перемещения тележка удерживается фиксатором 8 в крайнем правом положении. На дно тележки устанавливается рамка с закрепленной на ней пластиной из исследуемого материала 2. На ситовую поверхность насыпают иссле­дуемый продукт и формируют его специальным приспособлением та­ким образом, чтобы передняя и задняя поверхность сыпучего тела не

Л "»1 лп касались стенок ящика ни в момент разгона тележки, ни в момент тор­можения. После формирования ската снятая с тормоза 8 тележка / под действием падающего груза 4 начинает движение в горизонтальной плоскости с ускорением, не вызывающим относительного сдвига сыпу­чего тела {а < g -/). Пройдя путь L_p, тележка ударяется о поглощающий тормоз 3, сообщающий ей отрицательное ускорение, значительно пре­вышающее второе критическое. При этом происходит сдвиг всех слоев сыпучего тела 10, для определения которого на правой боковой наклон­ной поверхности (откосе) продукта на различных расстояниях от его верхней границы выложены полоски из окрашенного зерна. Изменяя вес груза 4 и тормозное усилие, можно обеспечить необходимые значения ускорений в момент разгона и в момент торможения. Время движения тележки в период разгона фиксируется двумя конечными выключателя­ми 5 и 7 и электронным секундомером 6. Положение полосок из окра­шенного зерна в направлении движения на различной высоте фиксиру­ется с помощью мерительного приспособления 9.

При резком торможении кинетическая энергия каждого элементар­ного слоя превращается в работу сил трения на измеренном перемеще­нии этого слоя AL.

(У² /2) dm = ALdT

или

dT/dm = V² /(2ДL),

где Т-сила трения; т - масса слоя; V- скорость тележки перед торможением.

Так как

/= dTldG = dT/(g dm),

то

/= V² /(2ALg) = 2L²_P /(? AL g),

где L_p- путь, пройденный тележкой до момента соприкосновения с тормозом; t - время, за которое пройден этот путь; AL = L₀ - L\ - перемещение данного слоя относительно тележки; L₀ и L\ - начальная и конечная координаты ис­следуемого слоя, измеренные с помощью неподвижного штангенциркуля 9 при исходном положении тележки до эксперимента и после.

Определяя коэффициент трения для слоев с различной глубиной залегания, можно построить соответствующую зависимость.

Коэффициент внутреннего трения возрастает с ростом крупности частиц и насыпной плотности.

Сдвиговые деформационные характеристики существенно зависят от адгезионных свойств сыпучего материала и его уплотнения.

Показателем, определяющим характер разрушения сыпучего тела (адгезионный - по границе раздела с внешней поверхностью, аутогези- онный - по слою продукта или смешанный), является соотношение ме­жду внутренним и внешним сопротивлением сдвигу:

т

out

где Tjn - удельная сила внутреннего трения; т_ои, -удельная сила внешнего трения.

На графиках рис. 6.12-6.14 показано влияние некоторых факторов на этот коэффициент для муки [6].

Значения коэффициентов внутреннего трения для некоторых зер­нопродуктов даны в приложении.

Рис. 6.12. Влияние влажности муки (предварительное давление 126 кПа, время 5 мин) на коэффициент J3:

/ - по СтЗ; 2 - по ПВД; 3 - по П2ЭС-4

Предварительное давление, Па

Рис. 6.13. Влияние предварительного давления на муку

на коэффициент (3 (влажность 12,4%, время 5 мин): 1 - по СтЗ; 2 - по ПВД; 3 - по П2ЭС-4

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Время предварительного контакта, мин

Рис. 6.14. Влияние времени предварительного давления на муку на коэффициент (3 (предварительное давление 126 кПа, влажность 12,4%):

1 - по СтЗ: 2-по ПВД: 3 - по П2ЭС-4

6.5. Углы откоса

6.5.1. Угол естественного откоса

Сыпучее тело занимает промежуточное положение между жидко­стями и твердыми телами. В силу этого сыпучая масса не сохраняет приданной ей формы подобно твердому телу, однако и не растекается подобно воде. Обладая относительной подвижностью, она принимает форму ограничивающего пространства. В свободном состоянии сыпу­чий материал образует естественную насыпь с откосами, как показано на рис. 6.15.

на поверхности откоса

Угол между основанием пирамиды (горизонтальной плоскостью) и образующей конуса (плоскостью откоса), полученного при свободном падении зерновой массы на горизонтальную поверхность, называется углом естественного откоса и является одной из характеристик сыпучей массы.

Условие равновесия частицы на поверхности откоса дает равенство: Г = Р sin р =/Р cos Р + F = tg ф Р cos (3 + F= tg <p (P cos p + F^&_3yt),

где P - вес частицы; P - угол откоса; T - сила трения; f- коэффициент внут­реннего трения; F-силасцепления; ср -угол внутреннего трения.

Из предыдущего выражения получим:

tg р = tg ф + F/(P cos Р) = /g ф [ 1 + Р_Луг /(Р cos Р)].

Отсюда видно, что у свободной поверхности угол естественного откоса больше, чем угол внутреннего трения. В практических целях можно считать, что для сыпучих тел с малым сцеплением эти углы рав­ны, у связных материалов угол внутреннего трения больше.

Схема простейшего прибора для оценки угла естественного откоса дана на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Прибор для определения угла естественного откоса: 1 - выпускная воронка; 2 - поддон; 3 - сыпучий продукт

Как и угол внутреннего фения, угол естественного откоса зависит от многих факторов: влажности, размера и гранулометрического состава частиц, времени хранения и т. п. Значения углов естественного откоса для некоторых материалов даны в приложении.

Зависимость угла естественного откоса от влажности можно опи­сать эмпирической зависимостью вида:

Р = aW_c\

где а и b - эмпирические коэффициенты.

Например, для пшеницы а =19,32, b = 0,17; для гороха а = 21,39, b = 0,10; для кормовых бобов (мелкосемянных) а = 20,28, b = 0,14; для семян клевера а = 24,11, b = 0,08 [10].

6.5.2. Угол обрушения и высота устойчивого откоса

Более полно поведение сыпучих материалов в условиях реальных технологических процессов, в первую очередь дозирования, будут от­ражать комплексные показатели - угол обрушения и высота вертикаль­ного откоса И_с предварительно нагруженного материала. По высоте вер­тикального откоса можно судить о сыпучести материала. Последний показатель может быть также рассчитан по формуле:

h_c = 4 т₀cos (p/[p_Mg (1 -/„)], где х₀ - начальное сопротивление сдвигу (удельная сила сцепления); g - ускоре­ние свободного падения; р_м - насыпная плотность материала; f_in - коэффици­ент внутреннего трения.

Несвязные материалы не образуют устойчивых вертикальных от­косов, поскольку сцепление т₀ = 0.

На рис. 6.17 показан прибор, позволяющий экспериментально оп­ределять угол обрушения и высоту устойчивого откоса предварительно нагруженного материала.

Рис. 6.17. Прибор для оценки высоты устойчивого откоса предварительно нагруженного материала:

1 - кубическая емкость; 2 - подвижная боковая стенка; 3 - винт; 4 - гайка; 5 - нагружающее устройство; 6 - плита; 7 - фиксирующие шкалы X и Z

Устройство в виде кубической емкости 1 имеет одну прозрачную стенку и перпендикулярную ей подвижную, смещающуюся вниз, боко­вую стенку 2. Перемещение стенки осуществляется с помощью винта 3 и гайки 4, при этом часть сыпучей массы удаляется из емкости самоте­ком, образуя откос, стабилизирующийся при некоторой высоте h_c. Предварительная нагрузка создается нагружающим устройством 5 через плиту 6. Высота откоса и величина его горизонтального катета фикси­руются шкалами 7.

Показатель h_c является комплексным показателем, куда входят все основные физико-механические характеристики, и положен в основу классификации сыпучих материалов в химической промышленности [18].

Угол обрушения можно оценить, замерив величину Х_с и рассчитав Рс = arctg(A^r_c//7_c)- Значения углов естественного откоса и обрушения для некоторых зернопродуктов даны в табл. 6.2 [50].

6.2. Углы естественного откоса и обрушения для некоторых

Как видно, для легко сыпучих материалов (зерно, крупы) угол об­рушения немногим больше угла естественного откоса, а для трудносы­пучих материалов (мучель, мучка) существенно его превышает.

6.5.3. Угол динамического откоса

В зависимости от связности частицы сыпучего материала имеют большую или меньшую возможность перемещаться относительно друг друга под действием гравитационных сил и, подобно жидкости, при некотором соотношении свойств сыпучей массы и геометрических ха­рактеристик, вытекать из нижележащего отверстия.

Показатель, характеризующий способность сыпучего материала к истечению через выпускное отверстие, оценивается вероятным разме­ром такого отверстия, при котором происходит образование устойчиво­го свода. Расчетная формула имеет вид [18]:

В = 5,2 To/[p_Mg (1 - 0,78^_п)].

Для несвязных материалов (т₀ = 0, h_c = 0) прекращение выпуска из емкости зависит от вероятности случайной укладки частиц. Вероятный размер сводообразующего отверстия может быть оценен как

5>(5-7К,

где dj - эквивалентный диаметр частиц.

При истечении сыпучего материала через отверстие в плоском днище нижней части емкости поле скоростей движения частиц можно разделить на зону ускоренного движения и застойную зону малопод­вижного материала с конусообразной поверхностью (в сечении - ли­нией ОВ) с углом 2а (рис. 6.18).

Величину угла а из теоретических соображений можно определить по формуле:

а = arcsin{{ yf_m + 4{f_in + 1) - [ + \6(f_m + 1 )f⁵}/2(2)(/•„ + 1 )}⁰'⁵.

Углом динамического откоса называют угол 0 = 90 - а. В некото­рых случаях (для легко сыпучих материалов) он может существенно превосходить угол естественного откоса р.

6.6. Аэродинамические свойства

Аэродинамические свойства зернопродуктов характеризуются та­кими показателями, как аэродинамическое сопротивление неподвижно­го слоя (давление, необходимое для продувки воздуха с заданной скоро­стью), скорость воздуха при его псевдоожижении и скорость витания.

Если продувать слой зернопродукта при небольших скоростях воз­духа, то слой остается неподвижным и плотность его не меняется. В этом случае зависимость аэродинамического сопротивления р(У, /г₀) хорошо описывается степенной зависимостью вида:

р = a h₀ У*³, Па,

где a, b - эмпирические коэффициенты; h₀ - толщина неподвижного слоя, мм; V - скорость воздуха, м/с.

На рис. 6.19 показаны зависимости аэродинамического сопротив­ления от скорости продуваемого воздуха для некоторых видов зерна крупяных культур.

Аэродинамическое сопротивление плотного слоя зерна и семян раз­личных культур может существенно различаться. Например, при толщи­не слоя в 100 мм и скорости воздуха 0,5 м/с аэродинамическое сопротив­ление пшеницы составляет около 510 Па, а у семян клевера 336 Па.

Повышение скорости воздуха, продуваемого через слой, приводит к его разрыхлению с переходом в кипящее или псевдоожиженое состоя­ние, чему соответствуют максимумы кривых на рис. 6.19. Это явление сопровождается падением аэродинамического сопротивления, которое вблизи состояния кипящего слоя колеблется около постоянной величи­ны и может быть описано зависимостью:

р_к = с h₀- d, Па, где cud - эмпирические коэффициенты.

Для пшеницы с = 7,43, d = 6,20, для семян клевера красного с = 7,00, </=2,50.

При дальнейшем увеличении скорости зерно переходит во взве­шенное состояние и уносится воздушным потоком.

При движении частицы относительно потока воздуха на нее дейст­вует сила лобового сопротивления, величину которой, в соответствии с формулой Ньютона, можно оценить как

F = £,Sр V²/2,

где £ - коэффициент аэродинамического сопротивления; S - площадь проекции частицы на плоскость нормальную к вектору скорости (Миделево сечение), м²; р - плотность воздуха, кг/м³; V - относительная скорость частицы в воздуш­ном потоке, м/с.

Скорость воздуха, м/с

Рис. 6.19. Зависимость аэродинамического сопротивления от скорости продуваемого воздуха (толщина слоя продукта 50 мм) для шелушеного зерна: / - риса; 2 - ячменя; 3 - гречихи; 4 - проса

В вертикально восходящем потоке воздуха на частицу воздейству­ют две взаимно противоположные силы - аэродинамическая R и сила тяжести G = mg, где т - масса частицы (кг), g - ускорение силы тяжести (м²/с). При некоторой скорости, которую называют скоростью витания, эти две силы становятся равными и частица будет находиться в равно­весном состоянии. Исходя из равенства действующих сил, скорость ви­тания можно определить из выражения:

I/₌ f^g- l²Pog^F3 _, I²Po^v Ups v v ^P '

где po - плотность частицы; - объем частицы; Ry - приведенный размер частицы.

Оценить численное значение скорости витания расчетным путем удается только для частиц правильной обтекаемой формы. В общем случае коэффициент сопротивления зависит от формы частиц, состоя­ния их поверхности и режима потока воздуха. Кроме того, частицы ме­няют свою ориентацию, что приводит к изменению Миделева сечения. Т. е. аэродинамическая сила, а следовательно, и скорость витания от­дельной частицы зависит от многих случайных факторов; тем более это справедливо для сыпучей массы. Поэтому, как правило, ее определяют экспериментально в лабораторных условиях на специальных установ­ках. Очевидно, что при прочих равных характеристиках, скорость вита­ния зависит от плотности самих частиц - чем она больше, тем больше скорость. При одинаковой плотности скорость витания хорошо корре­лирует с геометрическими характеристиками, например, с характерным линейным размером, объемом, площадью поверхности. На рис. 6.20 приведены экспериментальные зависимости скорости витания семян амаранта от приведенного размера (усредненного по фракции).

Приведенный размер, м

Рис. 6.20. Зависимость скорости витания семян амаранта от среднего приведенного размера

Аналогичный возрастающий характер наблюдается в зависимостях от линейных размеров, объема, натуры, массы 1000 зерен.

Для определения скорости витания используют пневмоклассифи- катор, схема которого представлена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Общий вид установки для оценки скоростей витания:

Классификация по скоростям витания заключается в последова­тельной продувке навески продукта, помещенной в стакан с сеткой 5, при поэтапно увеличивающейся скорости воздушного потока в рабочем канале. По результатам взвешивания унесенной и осевшей в приемоч­ной емкости 7 части продукта на каждом этапе продувки составляют вариационные таблицы и строят эмпирические функции или плотности (полигоны, гистограммы) распределения продукта по скорости витания. Время продувки на каждом этапе 5 мин. Интервал изменения скорости воздушного потока в рабочем канале 0,5 м/с. При содержании в навеске около 6 тыс. частиц выборка является представительной и обеспечивает при надежности 0,999 статистическую (случайную) ошибку менее 0,055.

Требуемую среднюю скорость воздушного потока V, м/с, в рабочем канале пневмоклассификагора устанавливают с помощью дроссели­рующей заслонки 12. Фиксируя соответствующие показания L, мм, микроманометра ММН 11, по тарировочному графику определяют ее среднее значение.

Примеры эмпирических функций распределения по скоростям ви­тания для ржи и семян амаранта даны на рис. 6.22.

I ²

| 0,9 0,8

Q.

5 0,7

J 0,6

| 0,5

0. °'⁴

% 0,3

? ^0,2

| 0,1 I О

<*> 23456789 Скорость витания, м/с

Рис. 6.22. Эмпирические функции массового распределения по скорости витания для зерна: / - амаранта; 2 - ржи

Рассмотренный пневмоклассификатор после некоторой модерни­зации может быть использован и для оценки параметров пневмоожиже- ния. Значения аэродинамических характеристик для некоторых крупя­ных культур даны в табл. 6.3.

6.3. Аэродинамические характеристики некоторых крупяных культур (толщина слоя продукта 50 мм)

Данные по средним скоростям витания для широкой гаммы зерно- продуктов приведены в приложении.

6.7. Самосортирование

При воздействии колебаний на сыпучую массу, состоящую из сме­си частиц с различной плотностью или размерами, в ней происходит самосортирование - процесс, при котором частицы с одинаковыми ха­рактеристиками совершают направленное движение, концентрируясь в верхних или нижних слоях. Различают самосортирование по плотности частиц и по их размерам. Явление самосортирования играет важную роль в процессах ситового сепарирования зернопродуктов и создает проблемы при их транспортировании.

6.7.1. Самосортирование по плотности

Как видно из последнего выражения, на скорость самосортирова­ния существенное влияние оказывает параметр 5. При его приближении к единице скорость самосортирования теоретически бесконечно возрас­ти

тает. Т. е. есть некоторое соотношение плотности А = р/р₀ = I + ——,

при котором скорость максимальна. К сожалению, нам мало что извест­но о силе сопротивления F_v. Можно также отметить, что при постоян­ной скорости колебаний V — г со расслоение будет идти тем быстрее, чем выше частота со, однако это будет иметь место только до некоторого значения частоты, при превышении которой наблюдается спад.

Для практики важно отметить, что процессу самосортирования по плотности способствует увеличение среднего размера частиц (принято­го для обеих компонент одинаковым).

6.7.2. Самосортирование по размеру частиц

Самосортирование может происходить и в однородной по составу сыпучей массе, если не однороден ее фракционный состав.

Зависимость средней скорости от некоторых факторов видна из выражения [21]:

' 1 ^N

tfu 2^(l + ^)-arccos

Ц.

где А - коэффициент, зависящий от свойств, в том числе формы и размеров частиц, м²/с²; Н- высота слоя, м; со - угловая частота колебаний, рад/с; f u/q- коэффициенты сопротивления сдвигу нижнего слоя по вибрирующей поверхно­сти дна и верхнего слоя по лежащему ниже слою.

Скорость мигрирования частиц максимальна в верхних слоях и минимальна в слое, примыкающем к вибрирующему дну.

v=

свойства

Еще одной стороной проявления поверхностных явлений является сорбция. Сорбция проявляется на границе двух фаз (твердое тело - газ, твердое тело - жидкость) и характеризуется различием в концентрации составляющих одной из фаз на границе раздела и в ее объеме. Так, при соприкосновении твердого тела и газа за счет сил адгезии молекулы газа удерживаются на поверхности в концентрации большей, чем в самом газе. Твердое тело, которое сорбирует на своей поверхности молекулы газа, называют сорбентом, сорбированное вещество - сорбатом. Меха­низм сорбции аналогичен адгезионному. Если сорбат удерживается на поверхности только за счет ван-дер-ваальсовых сил, то явление носит название адсорбции. Если имеет место еще и химическое взаимодейст­вие - хемосорбции.

Адсорбция - динамический процесс, и в равновесном состоянии количество молекул, адсорбированных на поверхности, равно количест­ву десорбирующихся молекул (покинувших поверхность). Кроме того, это изотермический процесс. Сорбция приводит к уменьшению поверх­ностной энергии на величину энергии адсорбции, которая выделяется в окружающую среду в виде тепла. Энергия адсорбции (< 41,8 Дж/моль) существенно меньше энергии хемосорбции (< 627 Дж/моль).

В случае сорбции из газов справедливо фундаментальное уравне­ние Гиббса:

Г= -(p/RT)do/dp,

где Г - избыточная (гиббсовская) адсорбция, моль/м²; р - равновесное парци­альное давление адсорбата в газовой среде, Па; R = 8,314универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); Т - абсолютная температура, К; а - поверхностное натяжение, Дж/м².

К сожалению, непосредственно воспользоваться последним урав­нением на практике не удается в связи со сложностью определения как а, так и da/dp. Уравнение справедливо для непористых и макропорис­тых адсорбентов, когда наблюдается моно- и полимолекулярная физи­ческая адсорбция.

Сорбционная способность сорбента зависит от материала, его структуры и внешних условий, в первую очередь, от парциального дав­ления паров в газовой фазе (концентрации в жидкой) и температуры, и оценивается количеством (объемом или массой) сорбированного веще­ства (сорбата) на единицу объема или массы сорбента. Чем выше давле­ние (концентрация) и чем ниже температура (кинетическая энергия мо­лекул газа), тем выше сорбирующая способность. Вот почему один из методов дезодорации (удаление адсорбированных молекул пахучего вещества) заключается в нагревании продукта.

Изотермой сорбции (десорбции) называется графическое представ­ление экспериментальной зависимости массы (объема) сорбированного вещества (в установившемся, стационарном состоянии) от величины относительного давления где р - парциальное давление газообраз­ного сорбата, ро - давление насыщенного газового сорбата. Обязательно нужно знать температуру, при которой проводились эксперименты. В качестве оценки сорбента принимают количество адсорбированного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента. Для точного определения количества адсорбированного вещества и оценки адсорб­ционной способности необходима выдержка системы во времени, для выравнивания концентрации сорбата по всему объему сорбента. Следует отметить, что кривые сорбции-десорбции не совпадают. Имеет место сорбционный гистерезис (аналогичное явление наблюдается в механи­ческих системах при нагружении-разгрузке из-за необратимых энерге­тических потерь).

В процессах зернопереработки важное значение имеет сорбция (десорбция) паров воды, поскольку масса сорбированной воды опреде­ляет влажность продукта, от которой, в свою очередь, существенно за­висят физические и технологические свойства зерна и зернопродуктов.

Гигроскопичность - свойство сыпучих материалов сорбировать из воздуха пары воды. Каждому сочетанию влагонасыщенности и темпера­туры атмосферы соответствует определенное значение равновесной влажности. Для количественной характеристики содержания влаги в сыпучем материале используют два понятия:

• влажность (относительная влажность) - отношение массы влаги к массе влажного материала W= (М_в - М_с)/М_в;

• влагосодержание (абсолютная влажность) - отношение массы вла­ги к массе сухого материала fV_c = (М_в - М_с)/М_с,

где М_в - масса влажного материала, М_с- масса сухого материала.

Соотношение между этими величинами имеет вид:

fV_c =W!{\-W)\W= WJ{ 1+ W_c). Абсолютная влажность всегда больше относительной.

При сорбции из влажного воздуха существует некоторая макси­мальная влагоудерживаюицая способность для данного сыпучего мате­риала, которой соответствует так называемое гигроскопическое влагосо- держание fV_r. Ориентировочное гигроскопическое влагосодержание для некоторых видов зерна при температуре 25 °С: пшеница - 0,365-0,385, рожь - 0,365, овес - 0,315, гречиха - 0,320, рис - 305, кукуруза - 0,251.

Влажность оказывает существенное влияние на многие физические характеристики продуктов — повышаются насыпная плотность, дефор­мационные, сдвиговые, адгезионо-когезионные характеристики, угол естественного откоса и др., как это видно из данных табл. 7.1 на приме­ре амаранта [8].

В состоянии гигротермического равновесия (состояние равновесия тела с окружающим влажным воздухом при постоянной температуре) для капиллярно-пористых коллоидных тел, к которым относятся и зер- нопродукты, из общих термодинамических соображений можно полу­чить соотношение для относительной влажности воздуха над поверхно­стью сорбента [22, 23]:е

~RT

или

е--RT 1п(ф),

где s - адсорбционный потенциал. Дж/моль; г - прирост удельной теплоты испарения, Дж/кг; 11=0,018 - молярная масса пара, кг/моль; R = 8,134 - уни­версальная газовая постоянная, Дж/(моль К)

.В общем случае адсорбционный потенциал, зависит не только от ви­да сорбента и сорбата, но и от температуры и текущего влагосодержания сорбента. Для свободной воды или влажности сорбента, соответствую­щей некоторой критической, а для зерна гироскопической влажности W_y, т. е. если десорбция (испарение) происходит с поверхности толстого слоя воды, е = г - 0. Энергия десорбции (удельная теплота испарения) при этом составляет £о = 45,0-40,6 кДж/моль (г₀ = 2503-2255 кДж/кг, р = 0,1 Па, Т~ 273—373 К). То есть для удаления воды с поверхности ад­сорбента потребуется энергия е_с = е + £₀.

Для абсолютно сухого вещества существует некий конечный ад­сорбционный потенциал.

Последнее уравнение позволяет экспериментально-расчетным мето­дом оценить адсорбционный потенциал, поскольку р,р₀пТ- наблюдаемые величины и могут быть измерены в процессе эксперимента, a R = const.

На рис. 7.1 приведена зависимость адсорбционного потенциала ку­курузного крахмала от влагосодержания и температуры.

Рис. 7.1. Влияние температуры и влагосодержания на адсорбционный потенциал кукурузного крахмала

Как видно, адсорбционный потенциал - возрастающая функция температуры и падающая функция влагосодержания.

Однако на практике представляет интерес зависимость от темпера­туры Т и относительной влажности воздуха ср равновесного влагосо­держания ЩТ, ф).

w,Наиболее полной характери­

стикой гигроскопических свойств является изотерма сорбции - зави­симость равновесного влагосо­держания W_(] материала от относи­тельного давления паров воды р/ро в атмосфере при постоянной тем­пературе. Экспериментальная изо­терма сорбции для различных сор­тов зерна пшеницы при темпера­туре 20 °С дана на рис. 7.2 [24].

В табл. 7.2 приведены дан­ные по равновесной влажности некоторых зерновых культур при температуре 20 °С.

Предложен ряд моделей, описывающих процесс сорбции в °'⁵ р/р₀¹'° зависимости от физических пред-

Рис. 7.2. Усредненная изотерма ставлений об этом явлении [25]. сорбции воды зерном пшеницы Наиболее удачной для зерна в

настоящее время является трех- параметрическая модель, основанная на квазихимическом подходе к ад­сорбции влаги [26]:

W=acq>l{(\-bq>)[\+{c-b)x]}, которая, поскольку с » Ь, может быть упрощена до двухпараметриче- ской в виде:

W=al{ I

где ф = р/ро-

В табл. 7.3 даны значения коэффициентов для двухпараметриче- ской модели.

Отметим устойчивость коэффициентов.

Однако в большинстве подобных моделей не учитывается влияние температуры, а она может иметь существенное значение, особенно при нестационарных процессах тепломассообмена.

На рис. 7.3 и рис. 7.4 даны изотермы сорбции влаги для кукурузно­го крахмала и зерна пшеницы при различной температуре.

Процесс десорбции влаги в технологической практике более извес­тен как сушка (обезвоживание, дегидратация). Основное уравнение тео­рии сушки основывается на допущении, что скорость десорбции про­порциональна разности текущего и равновесного влагосодержания про­дукта.

0,3

Теплофизические характеристики связаны с процессом обмена те­пловой энергией между термодинамической системой и внешней сре­дой. Поскольку мы, как правило, имеем дело с сыпучей массой, при рассмотрении вопросов, связанных с нагревом, необходимо четко по­нимать, рассматриваем ли мы массу как континуум, или как отдельные зерна. В любом случае, теплофизические характеристики зависят как от вида сырья, так и от влажности и температуры [24, 25].

Удельная теплоемкость характеризует способность тела аккуму­лировать тепловую энергию и измеряется количеством теплоты Q, не­обходимой для нагрева единицы массы тела на один градус:

dQ = С т dT,

где dQ - приращение теплоты, Дж; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); т - масса материала, кг; dT - приращение температуры, К.

Наряду с удельной используют понятие объемной теплоемко­сти C_v, которая характеризует количество теплоты, необходимое для нагрева единицы объема материала на один градус и имеет размерность Дж/(м³-К). Указанные величины связаны зависимостью:

С = pC_v,

где р - тотность (насыпная масса) материала.

Учет влияния влаги производится вычислением средневзвешенно­го значения удельной теплоемкости сухого вещества и воды:

С = (С_ст_с + О_в)/(юс + т_в) = (С_с + C,W_c)l (1 + W_c\

где С_с, С_в - удельная тепчоемкость сухого вещества и воды; т_с. т_в - масса сухого вещества и воды; W_c - влагосодержание.

Теплоемкость свободной воды С„ принимается равной 4190 кДж/(кг-К). Фактически она несколько ниже, т. к. вода находится в зерне в связан­ном состоянии. Поскольку теплоемкость воды больше, чем сухого ве­щества, то чем выше влажность, тем больше надо затратить тепла для нагрева до заданной температуры (при постоянной массе сухого зерно- продукта). При изменении влажности, например, пшеницы с 0,03 до 0,22 (с 3% до 22%) при комнатной температуре удельная теплоемкость меняется в полтора раза.

Теплоемкость воздуха приблизительно в 1000 раз меньше, чем зер­на, плотность также много меньше, поэтому теплоемкость единичного зерна и зернового слоя практически одинакова.

Не остается теплоемкость постоянной и при изменении температу­ры, в связи с чем вводят понятие средней удельной теплоемкости в ин­тервале температур:

С = AQ/AT,

где AQ - количество подводимой (отводимой) теплоты; AT- интервал измене­ния температуры.

Изменение температуры от 0 до 60 °С приводит к возрастанию удельной теплоемкости пшеницы в 1,7 раза, причем зависимость имеет нелинейный характер.

Теплопроводность X характеризует способность тела проводить тепло и измеряется количеством тепловой энергии, передаваемой в еди­ницу времени через единицу площади поверхности по нормали к ней при градиенте температуры, равном единице. При наличии разности температур от слоя с большей температурой к слою с меньшей устанав­ливается тепловой поток, который для стационарного одномерного слу­чая выражается формулой:

dQ = -XS (dT/dx)dt_y где dQ - приращение тепловой энергии, Дж; dt - приращение времени, с; dT/dx — температурный градиент, К/м; S - площадь поперечного сечения потока, м²; Я. - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К).

То есть, чем выше коэффициент теплопроводности, тем быстрее тело приходит в состояние теплового равновесия.

Так же, как и теплоемкость, теплопроводность зерна и зернопро- дуктов зависит от влажности и температуры. С ростом температуры теплопроводность возрастает; чем меньше влажность, тем это влияние значительней.

Влияние влажности не так однозначно. До температур порядка 40 °С рост влажности приводит к повышению теплопроводности, при более высоких температурах зависимость носит экстремальный харак­тер с максимумом в области влажности 15-18%. Максимум выражен тем более ярко, чем больше температура.

Теплопроводность зернового слоя в 3-4 раза ниже, чем отдельного зерна, поскольку зерновая масса имеет поры, заполненные воздухом, теплопроводность которого много ниже, чем у зерна. Поэтому при сни­жении насыпной плотности (возрастании порозности) теплопровод­ность также снижается.

Температуропроводность а - величина, которая характеризует скорость изменения температуры вещества в нестационарных тепловых процессах, т. е. теплоинерционные свойства материалов, и входит в дифференциальное уравнение теплопроводности:

dTldt = аЬ²Т,

где а - коэффициент температуропроводности, м²/с; А² - оператор Лапласа. С теплопроводностью и теплоемкостью она связана зависимостью:

а = Х /(Ср),

где р - плотность продукта.

Зависимость от температуры и влажности имеет неоднозначный и часто экстремальный характер.

Ориентировочные значения теплофизических характеристик для некоторых зернопродуктов при температуре Т = 293 К (20 °С), указан­ных влагосодержании и насыпной плотности даны в табл. 8.1.

8.1. Ориентировочные значения теплофизических характеристик для некоторых зернопродуктов при температуре Т = 293 К (20 °С)

Зернопродукт

Насып­ная плот­ность, кг/м²

Теплоем­кость, Дж/(кг к)

Коэффици­ент тепло­провод но- сги, Вт/(м К)

Коэффици­ент темпера­туропровод­ности, м²/

с

Зерно

10,0

а

15,0

8,93-1

0

10,0

578

0,129

10,0

10,0

590

1660

13,0

622

9,5

Соя

5,8

Крупа

11,8

я

10,0

10,0

0,105

1527

788

9. Свойства, характеризующие взаимодействие продукта с электромагнитным излучением

Электромагнитное излучение принято делить на области по диапа­зонам длин волн или частоте колебаний. Соответствующая классифика­ция дана в табл. 9.1.

В инфракрасной (ИК) области излучения различают ближнюю 0,7 < X < 2,5 мкм, среднюю 2,5 < X < 25 мкм и дальнюю 25 < X < 1000 мкм области.

9.1. Оптические и терморадиационные свойства продуктов

К терморадиационным свойствам относится способность материала отражать, поглощать и пропускать воздействующее извне ИК-УФ излу­чение, которая характеризуется коэффициентами отражения, поглоще­ния и пропускания, соответственно. Эти характеристики зависят как от условий облучения (спектрального состава, степени поляризации, про­странственных характеристик), так и от состояния и свойств облучаемо­го материала. Кроме того, тело само излучает энергию, то есть обладает излучательной способностью.

Излучение характеризуется энергией Q, измеряемой в Дж. Джоуль равен энергии излучения, эквивалентной работе в I Дж. Распределение энергии по длинам волн характеризуется энергетическим спектром из­лучения Q(X). Таким образом, энергия излучения в диапазоне длин волн [А.|, равна:

Q(AX)= J Q(X)dX, Дж. (9.1)

М

Поэтому следует различать интегральные характеристики, т. е. для всего спектра излучения, и спектральные - зависящие от длины волны.

Соответственно, для временной характеристики вводят понятие потока излучения, или мощности излучения - отношение энергии, пере­носимой излучением dQ, ко времени dt:

Р = dQ/dt, Вт. . (9.2)

Для характеристики излучения, падающего на поверхность, ис­пользуют энергетическую облученность Е - отношение потока излуче­ния dP, падающего на поверхность, к площади dS этой поверхности:

Е = dP/dS, Вт/м². (9.3)

Если поверхность является источником излучения, то аналогом об­лученности будет поверхностная плотность потока излучения (энерге­тическая светимость) М.

Общее количество энергии излучения, падающей (или излучаемой) за некоторый промежуток времени на единицу поверхности, измеряется энергетической экспозицией:

#_е (/) = J E(x)dx , Дж/м². _{(9 4)}

о

Попадая на границу раздела продукт-среда, излучение частично отражается, частично проникает в вещество. Интенсивность поглоще­ния волн различной длины определяется строением вещества. Очевид­но, что энергетическая эффективность использования излучения для нагрева определяется эффективностью его поглощения, которая, кроме длины волны X, зависит еще и от толщины Н поглощающего слоя.

Общий баланс энергии излучения, относительно падающей энер­гии, при взаимодействии со слоем продукта имеет вид:

R(K Н) + А(Х, Н) + T(k, Н) = 1, (9.5)

где R(k. Н) = Q%/Q - спектральный коэффициент отражения; A(k,H) = Q\/Q - спектральный коэффициент поглощения; T(k, Н) = Qj/Q - спектральный ко­эффициент пропускания; Q - энергия падающего излучения; Q_R - энергия от­раженного излучения; Q_A - энергия поглощенного излучения; Q_T - энергия про­пущенного излучения; И - толщина слоя.

При достаточно толстом слое продукта (теоретически при Н -»оо)

R(k, оо) + А(А., оо) = 1.

Тело, полностью поглощающее падающее на него излучение (R = О, А - 1, Т - 0), называется абсолютно черным; пропускающее все падающее излучение (R = О, А = О, Т= 1) - абсолютно прозрачным (про­ницаемым), или диатермичным; отражающее (/? = 1, А = О, Т- 0) - зер­кальным, если отражение происходит по законам геометрической опти­ки, или абсолютно белым, если отражение происходит диффузно, т. е. рассеивается по всем направлениям. Серое тело - это тело, коэффици­ент поглощения которого А < 1 и не зависит от длины волны (частоты) падающего излучения. Большинство пищевых сред не являются ни се­рыми, ни, тем более, абсолютно черными. На одних длинах волн они поглощают (отражают, излучают) лучше, на других хуже, т. е. имеют селективные терморадиационные свойства.

Зависимость оптических характеристик зерна ячменя от длины волны ИК излучения дана на рис. 9.1 [27J.

Длина волны, мкм

Рис. 9.1. Спектральные оптические характеристики ячменя рядового слоем в одно зерно (2,9 мм, W- 11,8%):

1 - R(k); 2 - R(K, оо); 3 - T(k)

Отметим, что максимум отражательной и минимум поглощатель- ной способности лежат в области А. = 1 мкм, что типично для зернопро- дуктов. Однако в области 0,8-1,2 мкм находится максимум пропуска- тельной способности.

На оптические характеристики оказывают влияние толщина слоя продукта и угол падения излучения. С их увеличением наблюдается рост R(X, И) и снижение Т(Х, Н). Практически на глубине 2-Л мм в зернопро- дуктах происходит полное поглощение лучистой энергии. Рост плотно­сти материала и его влагосодержания, наоборот, приводят к снижению R(\, Н) и росту ДА,, Н). Повышение температуры приводит к возраста­нию R(k, Н), но незначительно и в различных областях спектра в разной степени. Более существенное, но неоднозначное влияние на R(X, И) ока­зывает шероховатость поверхности, на которую падает излучение.

Тепловое излучение реального тела определяется его температурой и излучательной способностью:

М(Х, Т) = г(\,Т)М₀(КТ),

где 8(к, Т) - спектральный коэффициент излучения; М (К, Т) - спектральная плотность потока излучения, Вт/м³; Т) - спектральная плотность пото­

ка излучения абсолютно черного тела, Вт/м^ъ,

или для интегральной плотности потока излучения

M(T) = z{T)<5t,

где г(Т) - степень черноты (интегральный коэффициент излучения); М (Т) - интегральная плотность потока излучения, Вт/м²: а =5,6697- 1СГ^% - коэффици­ент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м~ К⁴); Т - абсолютная темпера­тура, К.

Степень черноты показывает, какую часть интегральной плотности потока излучения черного тела составляет плотность потока излучения данного тела, и ее, для данного тела, можно считать равной коэффици­енту поглощения при бесконечной толщине слоя.

Поскольку излучение абсолютно черного тела в области темпера­тур, реально используемых при термообработке зернопродуктов, мало, и е(7) « 1, данным энергетическим потоком при анализе процессов теплообмена часто пренебрегают.

К оптическим характеристикам относятся и характеристики, связан­ные с процессами поглощения и рассеяния той части излучения, которая проникла в материал через облучаемую поверхность. Если рассмотреть элементарный слой материала cbc, то поток излучения, попадая на границу (условную) слоя, частично отражается в сторону противоположную на­правлению падающего потока, частично поглощается и частично пропус­кается. Соответственно, спектральный осредненный полусферический коэффициент обратного рассеяния определяет долю s(X)dx отраженного, а спектральный осредненный полусферический коэффициент поглощения k(X)dx - поглощенного излучения. Если свойства продукта меняются по толщине, то эти коэффициенты зависят от координаты х.

Для облученности на глубине, соответствующей координате д: плоского слоя продукта при его одностороннем облучении монохрома­тическим диффузным потоком ИК излучения, получено выражение [28]:

Е(к,х) = E{X)^X~^R{Kf '[ехр(- V) ₊ -^i-exp(V)]; (9-6)

1 -у R(K, со)

Ц = ^k(X)[k(l) + 2s(X)], м; = R(X,cc) exp(~L_XH)- s(X) = 2UR(K «>)]/[ l-/?²(^, со)]; k(l) = L_x[ 1 -R(K <*>)]/[! +R(k, оо)] = (ln[(l-R(K H)][R(K <*>)№, //)]}/#,

где k(k) - спектральный осредненный коэффициент поглощения, м'¹; s(k) - спектральный осредненный коэффициент обратного рассеяния, лГ¹; R(k, оо) - спектральный коэффициент отражения оптически бесконечно тол­стого слоя: Е(К) - спектральная облученность поверхности слоя, Вт/(м² мкм); L\ - спектральный коэффициент эффективного ослабления, м~Н — толщина слоя продукта, м; х - координата, м.

Как видно, существенным фактором, оказывающим влияние на распределение поля облученности внутри продукта, кроме выше рас­смотренных оптических характеристик, является, в первую очередь, спектральный коэффициент эффективного ослабления L\, который ха­рактеризует ослабление спектрального потока излучения по мере его распространения в слое продукта. При \|/ = 0 выражение (9.6) переходит в уравнение Бугера-Ламберта.

Зависимость спектральных оптических характеристик зерна ячме­ня в слое толщиной в одно зерно от длины волны ИК излучения дана на рис. 9.2 [28].

Для зерновых величина L\ составляет 0,6-1,0 мм^-1, т. е. на глубине 1,5-3,0 мм влиянием облученности можно пренебречь.

Величина оптических характеристик с ростом плотности продукта возрастает, с повышением влажности продукта спектральный усреднен­ный коэффициент поглощения к возрастает, а спектральный усреднен­ный коэффициент обратного рассеяния s(X) - снижается.1,8

Экспериментальные и экспериментально-расчетные методы оцен­ки оптических и терморадиационных характеристик и некоторые их численные значения можно найти в работе [29|. В инженерных расче­тах, как правило, оперируют интегральными характеристиками.

Проникающее в продукт излучение взаимодействует с его молеку­лами, сообщая им дополнительную энергию, интенсифицируя, в основ­ном, колебательное движение ядер атомов, образующих эти молекулы, что проявляется в виде повышения температуры продукта. И К излуче­ние находит применение в процессах сушки и термообработки зерно- продуктов [30, 31]. Зависимость спектра отражения R(X,co) от состава и влажности продукта используется в лабораторных методах спектраль­ного анализа на ИК-спектрофотометрах.

9.2. Электрофизические свойства

К электрофизическим свойствам в первую очередь относится про­водимость - способность материала проводить электрический ток иод действием постоянного электрического поля. Это свойство характери­зуется удельной электропроводностью (проводимостью) или величиной ей обратной - удельным сопротивлением

.

При протекании электрического тока в проводнике основным эф­фектом, представляющим интерес при переработке пищевых продуктов, является потеря энергии, выделяющейся в виде тепла, которое по зако­ну Джоуля-Ленца для единицы объема составляет [32]:

Q = gE²t, Дж/м\ (9.7)

где g -проводимость, 1/(Омм); Е - напряженность постоянного электрическо­го поля, В/м; t - время, с.

При использовании электротехнических величин общее количест­во выделившегося тепла

W = g U¹1 = R I²1 - U11, Дж, (9.8)

где U - постоянное напряжение, В; I - ток проводимости, A; R - активное сопротивление, Ом.

Если напряжение переменное, то появляется дополнительный множитель

W„=W cos((p),

где ф - сдвиг фаз между током и напряжением.

Связь между удельной электропроводностью (проводимостью), удельным сопротивлением и сопротивлением проводника:

g=\/p = L/(RS), (9.9)

где р - удельное сопротивление, Ом м; L - длина проводника, м; S - площадь сечения, м².

В зависимости от проводимости материалы делятся на проводники и диэлектрики, что связано с особенностями электронного строения вещества. Для проводников g > 10⁴, для диэлектриков g < Ю^-10, а между этими крайностями лежит обширная область полупроводников. Для типичных проводников (металлы) g « 10⁷. Пищевые продукты, будучи композиционными материалами, могут включать в себя компоненты с различными характеристиками. Так, продукты с большим содержанием воды и растворенных в ней солей и кислот, например, тесто, являются хорошими проводниками. Сухие зернопродукты - диэлектрики.

Постоянные токи или токи низкой частоты применяются в пищевой промышленности при электроконтактном нагреве продуктов. При этом среда должна обладать удельной проводимостью g > 10"⁴, 1/(Ом-м).

Кроме того, надо иметь в виду, что пищевые среды часто имеют нелинейную вольт-амперную характеристику I(U). Поэтому при выборе режимов такая характеристика желательна. Режим обработки должен быть таким, чтобы не допустить развития отрицательных явлений, свя­занных с прохождением электрического тока через продукт: электролиз, коррозия электродов, перегрев контактов и т. п. Материал электродов должен быть нейтрален по отношению к продукту и не вступать в элек­трохимические реакции (графит, титан, нержавеющая сталь и т. п.). Следует иметь в виду, что ток может вызывать и биологическое воздей­ствие на микроорганизмы.

Для снижения интенсивности нежелательных процессов электро­лиза и электрокоррозии предпочтение отдается переменному току.

В диэлектриках и электроны лишены возможности свободно перемещаться, т. е. при наложении постоянного электрического поля токи проводимости отсутствуют или крайне малы. Однако вещество состоит из заряженных частиц, находящихся в статистическом равнове­сии. Наложение постоянного электрического поля приводит к поляри­зации, заряды смещаются относительно своего равновесного состояния, создавая на некоторое время так называемый ток смещения. При нало­жении переменного электрического поля эти частицы начнут совершать колебания. Часть колебательной энергии, как во всякой электромехани­ческой колебательной системе, будет рассеиваться, т. е. переходить в тепло - хаотичное движение частиц вещества. Эффективность преобра­зования электроэнергии в тепловую характеризуется фактором потерь.

Различают поляризацию ориентационную и ионную. Если продукт имеет полярные молекулы, имеющие дипольный момент, то под действи­ем электрического поля молекулы будут стремиться изменять свою ори­ентацию. В этом случае имеет место дипольная релаксация (рассеяние).

На рис. 9.3 дана схема молекулы воды, которая состоит из атома кислорода, асимметрично расположенных двух атомов водорода и явля­ется типично полярной.

Рис. 9.3. Схема диполя молекулы воды

В неиолярных веществах имеет место ионная поляризация, когда нейтральная в целом молекула поляризуется под действием электромаг­нитного поля.

Как всякая сложная колебательная система, молекула имеет не­сколько форм, а, следовательно, и собственных частот колебаний. При наложении переменного электромагнитного поля, по частоте близкого собственной, именно эта форма колебаний возбуждается активнее всего, и при этом, естественно, наблюдается максимальное рассеяние и, соот­ветственно, наиболее интенсивный нагрев.

Резонансные частоты полярных молекул соответствуют спектру СВЧ диапазона (3-10⁸ - 3-10" Гц или 1,0-1 (Г³ м). Неполярным молеку­лам соответствует ИК область.

Диэлектрические потери (объемная плотность рассеиваемой энер­гии) определяются:

Q = 2n Ы'/Е²!, (9.10)

где Е,₀ - диэлектрическая постоянная; б, - фактор (коэффициент) потерь, ко­торый в общем случае зависит от частоты: f - частота переменного электри­ческого поля, Гц: Е- напряженность переменного электрического поля. В/м.

Частотная зависимость фактора потерь имеет вид:

£'(/) = 2л Д$/то/[1 + (271/то)²], (9.11)

где х₀ - постоянная времени, характеризующая время упорядочивания диполя после приложения к продукту поля (время релаксации); Ас, - постоянная, свя­занная с диэлектрическими проницаемостями.

Если вещество обладает также и проводимостью, то общий коэф­фициент потерь (эффективный) составит:

U/) = 4" + g/(2KW). (9-12)

Теоретически, зависимости (9.11) и (9.12) имеют максимум на некото­рой резонансной частоте. Однако, это не играет существенной роли, по­скольку, во-первых, для зерновых культур в диапазоне ВЧ - УВЧ волн фак­тор потерь Е, незначительно зависит от частоты, во-вторых, для промыш­ленных установок ВЧ и СВЧ нагрева во избежание радиопомех выделены фиксированные диапазоны частот, значения которых даны в табл. 9.2.

В табл. 9.3 приведены значения фактора потерь для пшеницы влажностью 10,6% при температуре 24 °С [29].

Значения Е, _э определяются экспериментально. В общем случае, кроме вида продукта, Е, , зависит от влажности и температуры.

С повышением влажности фактор потерь несколько возрастает, причем до W- 10%- практически не меняется.

Значения фактора потерь для ряда других видов зерна и семян при температуре 24 °С дан в табл. 9.4.

Практически у всех пищевых продуктов фактор потерь £ ^ 0 и, следовательно, возможен нагрев ВЧ, УВЧ и СВЧ, имеющий преимуще­ства по сравнению, например, с конвективным:

1. Реализуется объемный прогрев. Рекомендуемая толщина слоя продукта на частоте 2400 мГц может быть оценена из выражения

Н = (6...8)/мм (для зерна до 80 мм). Для меньших частот много больше.

2. Отсутствует расход энергии на разогрев аппарата.

Однако имеются и существенные недостатки:

1. Может происходить утечка излучения, опасного для здоровья. Допустимая норма - 10 мкВт/см². Трудно создать установки большой мощности.

2. Сложность и высокая стоимость технического обеспечения (маг­нетроны, клистроны, блоки управления и т. п.).

Энергетический КПД процесса диэлектрического нагрева на уста­новках, например, в СВЧ печах, естественно, зависит от вида и характе­ристик продукта и оценивается в 0,15-0,20. Подводимая к продукту мощность лимитируется напряженностью поля, при которой наступает пробой.

Учите,гвая, что отдельные фазы дисперсных тел могут существенно различаться фактором потерь, возможен неравномерный прогрев от­дельных фаз.10. СЕНСОРНЫЕ, ИЛИ ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

>

Как бы ни были важны физические и химические свойства, потре­битель, выбирая тот или иной продукт, в первую очередь ориентируется на его органолептические, или, как принято говорить в последнее время, сенсорные свойства. При этом для оценки используется вся доступная ему информация о продукте, получаемая с помощью пяти органов чувств: зрения, осязания, обоняния, вкуса и слуха.

Термин «органолептический» происходит от греческого «organon» (орудие, инструмент, орган) + «leptikos» (склонность брать или прини­мать) и означает «выявляемый с помощью органов чувств». Органолеп- тическая оценка - это наиболее древний и дешевый метод оценки каче­ства продуктов. По мнению некоторых исследователей, органолептиче­ские методы можно отнести по ряду показателей к числу аналитиче­ских.. Есть некоторые показатели, например «внешний вид», «затхлость муки», «илистый запах рыбы» и др., которые в принципе невозможно определить физико-химическими методами. Различают органояептиче- скую оценку - это общие приемы оценки качества пищевых продуктов с помощью органов чувств человека, и органолептический анализ, осно­ванный на использовании научно-обоснованных методов и условий, гарантирующих точность и воспроизводимость результатов [33].

Основные органолептические показатели классифицируются, ис­ходя из их определения:

• с помощью зрения:

• форма - пропорциональность продукта;

• внешний вид - общее зрительное ощущение от продукта;

• цвет - впечатление, вызванное световым импульсом, опреде­ленное доминирующей длиной световой волны и ее интенсив­ностью;

• блеск - способность продукта отражать световые лучи, падаю­щие на его поверхность;

• прозрачность - свойство жидких продуктов, зависящее от сте­пени пропускания света через слой жидкости определенной толщины;

• с помощью глубокого осязания (нажима):

• консистенция (свойство продукта, обусловленное его вязко­стью и определяемое степенью деформации во время нажима);

• плотность (свойство сопротивления продукта нажиму);

• эластичность (способность продукта возвращать первоначаль­ную форму после нажима, не превышающего критической ве­личины);

• обонянием:

• запах - впечатление, возникающее при возбуждении рецепто­ров обоняния, определяемое качественно и количественно;

• аромат - приятный естественный характерный запах исходно­го сырья;

• «букет» - приятный запах, развивающийся под воздействием созревания, брожения и ферментации продукта;

• в полости рта:

• сочность - впечатление осязания, производимое влажностью частиц продукта;

• однородность, консистенция - осязание, связанное с густотой, клейкостью продукта; она чувствуется при распределении про­дукта на языке;

• волокнистость - впечатление от волокон, оказывающих сопро­тивление при разжевывании продукта, которое можно ощущать качественно и количественно;

• крошливость - свойство твердого продукта крошиться при рас­кусывании и разжевывании, обусловленное слабой степенью сцепления между частицами;

• нежность - условный термин, оценивается как сопротивление, которое оказывает продукт при разжевывании;

• терпкость - чувство осязания, вызванное тем, что внутренняя поверхность полости рта стягивается и при этом появляется ощущение сухости во рту;

• вкус - чувство, возникающее при возбуждении рецепторов и определяемое как качественно (сладкий, соленый, кислый, горький), так и количественно (интенсивность вкуса);

• флевор - комплексное впечатление вкуса, запаха и осязания при распределении продукта в полости рта, определяемое как каче­ственно, так и количественно.

Кроме широко известных вкусов, обозначенных выше, в дегустаци­онной практике применяется термин «имами» (специфический), предло­женный японским ученым Икедо еще в 1908 г. Вещества, вызывающие

«имами», интенсифицируют вкус пищевого продукта, усиливая некото­рые его характеристики и придавая ощущение наполненности [34].

В последнее время большое внимание уделяется такому понятию, как текстура продукта - физико-структурные свойства вещества, про­дукта, воспринимаемые органами слуха, зрения и осязания, и вызы­вающие у человека определенные ощущения, особенно в полости рта, при потреблении (откусывании, разжевывании, проглатывании). Тек­стура включает в себя такие понятия, как консистенция, структура и смазывающие свойства.

Консистенция - свойства, воспринимаемые с помощью осязатель­ных ощущений:

• твердость - мягкая, твердая, жесткая;

• связуемость - ломкая, хрустящая, хрупкая, рассыпчатая;

• разжевываемость - нежная, резинистая, жесткая;

• клейкость - рассыпчатая, мучнистая, пастообразная, клейкая;

• вязкость - жидкая, водянистая, маслянистая, вязкая;

• упругость - пластичная, тягучая, эластичная, резинистая;

• липкость - клейкая, липкая, липко-клейкая.

Структура - геометрические характеристики продукта, воспри­ятие размера, формы и пространственного расположения отдельных частиц, пор или компонентов:

• размер и форма частиц (зернистость) - порошкообразная, волокни­стая, зернистая, песчанистая, грубая, комковатая, бусинчатая;

• расположение частиц - хлопьевидная, волокнистая, пульпообраз- ная; ячеистая, рыхлая, слоистая, кристаллическая, пористая, одно­образная.

Смазывающие свойства - это осязательная сенсорная оценка, при­меняемая для твердых продуктов (оценка продукта на ощупь):

• влажность - сухая, влажная, сырая, сочная, мясистая, водянистая;

• жирность - масляная, сальная, жирная.

10.1. Дегустация продукта

Сенсорная оценка проводится в процессе дегустации продукта. В зависимости от цели и задач выделяют следующие виды дегустации [43]: Рабочая дегустация осуществляется непосредственно в производ­ственных помещениях технологами и работниками лабораторий техно- химконтроля. Проводится систематически на протяжении всего техно­логического цикла производства пищевых продуктов, позволяет заранее обнаружить и предупредить нарушения технологических параметров, предусмотреть возможность появления дефектов и пороков, правильно определить сроки технологической обработки.

Производственная дегустация проводится дегустационной комис­сией данного предприятия при решении ответственных вопросов, свя­занных с оценкой пищевых продуктов (подготовка к утверждению но­вых видов, утверждение рецептур, отбор образцов на конкурс и т. д.). Дегустационная комиссия формируется из наиболее квалифицирован­ных специалистов предприятия.

Экспертная, или арбитражная, дегустация производится при ре­шении возникающих спорных вопросов о качестве пищевых продуктов и других специальных задач: определения соответствия того или иного образца конкретному виду продукта, оценки качества продукта по просьбе контролирующих организаций, отбора образцов на междуна­родные конкурсы и т. д.

Конкурсные дегустации проводятся на международных тематиче­ских выставках и конкурсах с целью отбора лучших образцов продук­ции. Техника проведения таких дегустаций регламентируется каждый раз специальными правилами в зависимости от поставленных задач. К участию в конкурсных дегустациях в качестве членов дегустационной комиссии привлекаются только высококвалифицированные дегустато­ры-эксперты.

Коммерческие дегустации проводятся для решения вопроса об оп­товых закупках продукции, о международных поставках и других во­просов, связанных с куплей-продажей. Основными оценщиками в дан­ном случае являются покупатели.

Научные дегустации оценивают изменения органолептических свойств продукта в поставленном опыте.

Учебные дегустации имеют целью обучение специалистов основам органолепгического анагшза или повышение ими квалификации в об­ласти органолептической оценки пищевых продуктов.

Показательные дегустации проводятся для широкого круга людей, интересующихся данным видом продукции. В процессе такой дегуста­ции потребителя знакомят с техникой ее проведения, историей продук­тов питания, технологией их производства.

Правила и порядок проведения дегустационной оценки отдельных групп пищевых продуктов определяются соответствующими норматив­ными документами, в частности, международными стандартами ИСО.

Требования к оценке органолептических показателей зернопродук- тов устанавливаются в таких ГОСТах, как:

• ГОСТ 26312.2-84 Крупа. Методы определения органолептических показателей, развариваемое™ гречневой крупы и овсяных хлопьев;

• ГОСТ 27558-87 Мука и отруби. Методы определения цвета, запаха, вкуса и хруста;

• ГОСТ 15113.3-77 Концентраты пищевые. Методы определения ор­ганолептических показателей, готовности концентратов к употреб­лению и оценки дисперсности суспензии;

• ГОСТ ИСО 7304-94 Крупка и макаронные изделия из твердой пше­ницы. Органолептическая оценка кулинарных свойств спагетги;

• ГОСТ 5667-65 Хлеб и хлебобулочные изделия. Правила приемки, методы отбора образцов, методы определения органолептических показателей и массы изделий;

• ГОСТ 10967-90 Зерно. Методы определения запаха и цвета;

• ГОСТ 13496.13-75 Комбикорма. Методы определения запаха, за­раженности вредителями хлебных запасов.

Определение органолептических показателей гречневой крупы и овсяных хлопьев [36] осуществляется путем определения цвета крупы, ее запаха, вкуса, а также ее развариваемости. Цвет определяется при дневном свете или освещении лампами накаливания либо люминес­центными лампами, для чего средняя проба рассыпается тонким слоем на черном стекле или на листе черной бумаги. Запах устанавливают, высыпав зерно на чистую бумагу, или помещают крупу в фарфоровую чашку, накрывают крышкой и прогревают в течение 5 мин, после чего определяют запах. Вкус размолотой крупы определяют путем разжевы­вания 1-2 навесок весом 1-2 г. При разногласиях запах и вкус опреде­ляют дегустацией сваренной из нее каши.

Развариваемость крупы определяют продолжительностью ее варки до готовности к употреблению. Сваренную определенным образом про­бу крупы выкладывают на стекло, накрывают другим стеклом и вруч­ную раздавливают крупинки между стеклами. Овсяные хлопья приго­тавливают на водяной бане и органолептическим способом определяют их состояние после 15 (для отдельных видов хлопьев - после 7) мин варки, пока хлопья не станут мягкими, но не деформированными.

Суть метода оценки органолептических свойств макаронных изде­лий заключается в определении минимального времени варки и подсче­те времени каждой из двух экспериментальных варок каждой пробы, дегустационной оценке максимум шести проб, предлагаемых попарно группе из шести экспертов одинаковой квалификации, для дальнейшей классификации и оценки проб в соответствии с состоянием поверхности и жесткостью [35]. Для оценки кулинарных свойств спагетти, помимо эталонной варки, применяется переваривание изделий (время варки увеличивается на 10 мин по сравнению с эталонным). Дегустаторы оце­нивают стандартизованным способом приготовленные изделия, число которых составляет от 4 до 6 проб массой от 30 до 50 г, помещенных на подогретые до 40-50 °С тарелки. Каждому экспертов предлагается одна пара проб, составленная таким образом, чтобы каждая проба макарон­ных изделий представлялась в сочетании с каждой из других. Каждый эксперт оценивает состояние поверхности путем сравнения ее с кон­трольными фотографиями и проставляет баллы (от 1 до 9) сначала для левой тарелки, затем для правой. Далее эксперт на вкус оценивает жест­кость предлагаемых проб также балльным методом. Оценку нужно дать не позднее чем через 2 мин после предоставления проб. Две таблицы, построенные для эталонного времени варки и для переваривания, кото­рые содержат экспертные оценки, обрабатываются путем вычисления среднеарифметического значения для пробы и для эксперта по каждому показателю. Ранжирование проб проводится по сумме баллов, подтвер­ждение классификации - с помощью определения статистической зна­чимости или дисперсионного анализа.

Существуют и общие требования и подходы - например, соблюде­ние очередности испытания продуктов, исходя из степени возрастания интенсивности запаха, массовой доли жира, соли, сахара, этилового спирта, приправ и др. В первую очередь оценивают продукты со слабым запахом, менее соленые и острые и т. д. [37].

Проведение органолептической оценки осуществляется дегустато­ром или группой дегустаторов. Согласно Международному стандарту ИСО 8586-1:1993 «Органолептический анализ. Общее руководство по отбору, обучению и контролю испытателей. Часть 1. Отобранные испы­татели», дегустаторы подразделяются на три типа:

• дегустаторы;

• эксперты;

• специализированные эксперты.

Дегустаторами чаще называют неподготовленных людей, т. е. не имеющих никакого понятия о критериях оценки. Экспертом называют того, кто уже продемонстрировал в работе комиссии особую остроту восприятия, выработал хорошую память, что позволяет ему высказывать самостоятельно достоверные суждения, а в случае необходимости - даже и в отсутствие контрольных образцов. Специализированным экспертом называют такого специалиста, который обладает навыками работы в конкретной области, знает свойства оцениваемого продукта, технологию его производства или структуру маркетинга, может интерпретировать данные сенсорного анализа и самостоятельно делать заключения и выво­ды в отношении исходного сырья и основных компонентов, особенно­стей производства и хранения продукта [38].

Деятельность дегустационной комиссии осуществляется согласно положениям, разработанным на основе действующих нормативных до­кументов по органолептической оценке пищевых продуктов и продо­вольственного сырья [37]. В зависимости от ассортимента продукции, цели и задач дегустации, создается рабочая группа, которая выполняет поручения дегустационной комиссии но органолептической оценке конкретного вида продукции. Состав рабочей группы определяется председателем дегустационной комиссии или его заместителем, в нее входят ученые, эксперты по однородным группам пищевых продуктов, специалисты контролирующих и общественных организаций, предпри­ятий и фирм пищевой промышленности, торговли и общественного пи­тания, имеющие профессиональный опыт дегустационной работы и со­ответствующую квалификацию дегустатора по однородной группе пи­щевых продуктов. Учитывая фактор субъективности в оценке органо­лептических показателей, к дегустатору предъявляются высокие этиче­ские требования, кроме того, он должен владеть информацией в области идентификации и экспертизы соответствующего ассортимента отечест­венной и импортируемой продукции. Работа дегустатора не должна за­висеть ни от его настроения, ни от общей усталости.

В протоколах заседания дегустационной комиссии указываются: дата и место проведения дегустации, состав участников, цель дегуста­ции, ассортимент и характеристика продукции (наименование, кем про­изведена, данные о партии, дата отбора проб и т. д.), качественная ха­рактеристика и балльная оценка изделий (недостатки и положительные качества), принятое решение, рекомендации и подписи председателя и секретаря.

Если дегустация проводится на предприятии с целью внутреннего контроля качества продукции, акты отбора проб не составляют, а в про­токол дегустационного анализа вносится следующая информация: на­именование образцов продукции, цех-изготовитель, дата выработки, сведения о НТД, товарном сорте, марке, массе нетто образцов, их крат­кая характеристика с указанием показателей качества. Фиксируются результаты дегустационной оценки. Протоколы и другие итоговые до­кументы дегустационной комиссии имеют юридическую силу при ре­шении соответствующих задач дегустации.

Оплата стоимости образцов продукции, представляемых в дегуста­ционную комиссию, их доставки и организации дегустационной оценки производится за счет предприятия-изготовителя (фирмы) или частного заявителя.

Образцы продукции, представляемой на дегустацию для оценки качества, должны быть отобраны в соответствии с действующей норма­тивно-технической документацией по правилам приемки и методам от­бора проб для конкретного вида продукции и сопровождаться:

• актом отбора проб;

• накладной или счет-фактурой;

• краткой характеристикой образца;

• удостоверением о качестве;

• сопроводительным письмом с указанием цели представления об­разца на дегустацию.

Отбор образцов на экспертную дегустацию производится после получения результатов испытаний на соответствие требованиям безо­пасности и осуществляется либо из текущей выработки, либо в торговой сети комиссией предприятия в присутствии представителя Госторгин- спекции.

Подготовка образцов осуществляется в соответствии с норматив­но-технической документацией на данные виды продуктов.

Дегустация бывает закрытой и открытой. Перед закрытой дегуста­цией пробы кодируют цифрами и буквами, составляется акт шифровки с указанием номеров образцов, наименований продуктов и завода- изготовителя, даты изготовления, характерных особенностей продукта, новых приемов технологии, сырья и т. п. Акт шифровки подписывается, запечатывается и вскрывается председателем после окончания дегуста­ции и обсуждения образцов. До сведения дегустаторов доводят только вид (тип) дегустируемого продукта, основные требования к нему, ха­рактерные особенности вкуса, аромата и т. д. При открытой дегустации используют, как правило, контрольные (стандартные) образцы продук­ции, с которыми сравнивают испытуемые пробы.

Дегустация должна проводиться в помещении, отвечающем опре­деленным требованиям. Основные нормы проектирования помещений для сенсорного анализа регламентируются ИСО 8589:1988 «Органолеп- тический анализ. Руководство по проектированию помещений для ис­следований», основной принцип при этом заключается в минимизации влияния психологического и физиологического факторов состояния дегустатора на результат.

Минимальные требования к помещению включают: место для про­ведения испытания (дегустации), место для приготовления образцов, служебные помещения, гардероб, комнаты отдыха, помещения для мой­ки посуды и туалеты.

Помещение для дегустации должно иметь постоянную температу­ру и влажность. Лучшей температурой в пределах 16-22 °С считается та, которая в данном климатическом районе характеризуется как ком­натная, т. е. не вызывает ощущения ни холода, ни излишнего тепла, влажность рекомендуется поддерживать в пределах 70-75%. По воз­можности помещение рекомендуется делать звукоизолированным, и в нем должны полностью отсутствовать посторонние запахи. Цвет стен рекомендуется нейтральный, так как доказано влияние цвета помеще­ния на вкусовые впечатления от продукта. Освещение должно быть од­нородным, бестеневым и регулируемым, т. е. освещение не должно ис­кажать цвет исследуемого продукта. Лампочки, используемые для ос­вещения, должны быть из молочного стекла или матовые; окна - выхо­дящими на север, причем их надо располагать значительно выше уровня пола с таким расчетом, чтобы свет падал сверху. Площадь окон не должна превышать 35% площади стен. При проведении дегустации об­становка должна обеспечивать сосредоточенность дегустаторов, поэто­му максимально исключается влияние помех (шума, вибрации, запахов и др.). Во избежание отвлечения испытателей во время работы и для получения независимых результатов дегустация должна проводиться в индивидуальных кабинах, общая рабочая площадь допускается только при проведении потребительской дегустации. Площадь кабины должна позволять свободное размещение в ней дегустатора, образцов, вспомо­гательной посуды, а также места для заполнения отчетных бланков или компьютерной системы сбора данных. Нежелательны жесткие табурет­ки и мягкие кресла. Рабочие места могут быть оборудованы электриче­скими, электронными индикационными и передающими приборами, компьютерной техникой, а место председателя (секретаря) комиссии - техникой для обработки информации.

Вспомогательное помещение оснащают необходимым лаборатор­ным и технологическим оборудованием, посудой, столовыми прибора­ми, рабочим инвентарем, шкафами для их хранения, мойкой с горячей, холодной водой и т. д.

Необходимо предусмотреть и место для работы группы совместно с руководителем дегустации. Общий стол должен иметь такие размеры, чтобы за ним могли свободно разместиться 5-10 исследователей, и на нем должно быть достаточно места для индивидуальных подносов с образца­ми. Расстояние между отдельными дегустаторами должно быть таким, чтобы они не мешали друг другу. С каждого рабочего места должны быть хорошо видны председатель комиссии и информационное табло.

На столе во время дегустации могут находиться только те предме­ты, которые используются при анализе: дегустационный листок, где проставляются оценки, ручка, графин с чистой водой и бутылка с мине­ральной водой. Кроме того, могут применяться вспомогательные веще­ства для ополаскивания рта и удаления ароматов после каждого иссле­дования. Такими веществами могут быть:

• несоленое печенье (крекеры);

• несоленый рис, приготовленный на воде;

• свежий несоленый хлеб для образцов с сильно выраженным вкусом

или оставляющих стойкое послевкусие;

• разбавленный сок лимона;

• яблоко или несладкое яблочное пюре.

В зависимости от вида продукта после 5-10 проб делают перерыв на 5-15 минут для восстановления сенсорных способностей.

Практика проведения дегустаций показала, что наиболее оптима­лен следующий режим работы комиссии: формулировка цели, задач и порядка работы (председатель или организатор испытаний) - 15 мин; работа дегустаторов - 30 мин; обсуждение результатов - 15 мин.

Человеческий организм в целом, и особенно обонятельные и осяза­тельные органы, склонны к быстрому утомлению. Острота впечатлений притупляется. Низкая впечатлительность человека - рано утром. Пол­ное пробуждение органов чувств после ночного отдыха происходит обычно к 10 ч у тра. Ответственные дегустации, как правило, назначают­ся на это время. Проведение дегустации в послеобеденное время, когда заметна физическая усталость, а организм отягощен значительным ко­личеством пищи, нерационально, поэтому дегустацию не рекомендуют назначать непосредственно перед или сразу после еды, дегустатору сле­дует избегать состояний голода и сытости, за полчаса до испытаний необходимо воздержаться от курения, еды и напитков, а также пользо­вания парфюмерией.

Рекомендуется ограничивать продолжительность утреннего засе­дания комиссии двумя, а вечернего - одним-полутора часами; начи­нающим дегустаторам представлять для анализа только три образца.

10.2. Методы сенсорного анализа

Органолептический анализ, как всякая наука, имеет свою методоло­гическую базу, с помощью которой выполняются его задачи. Согласно ИСО 6658:2005 «Органолептический анализ. Методология. Общее руко­водство», методы можно классифицировать следующим образом [39]:

1. Различительные тесты, используемые для определения органо- легттических различий, возникающих между двумя продуктами:

метод парных различий;

триангулярный метод;

метод «дуо-трио»;

метод «два из пяти»;

метод «А - не А».

2. Тесты, использующие шкалы и категории для оценки порядка, или категории, или класса представленных продуктов (ИСО 4121:2003 Органолептический анализ. Руководящие указания по использованию шкал с количественными характеристиками):

• ранговый метод;

• метод классифицирования;

• метод шкалирования;

• балльный метод;

• метод индекса разбавлений.

2. Аналитические или описательные тесты, используемые для оп­ределения специфических сенсорных характеристик образцов:

• простой описательный метод;

• профильный метод.

В отдельном параграфе будут рассмотрены методы потребитель­ской оценки.

Первая из названных групп - различительные методы - применя­ются, когда исследуется разница в органолептических свойствах двух или более продуктов [39]. При использовании данной группы методов перед началом дегустации следует определить, является ли применение теста

Л НПО односторонним (когда представляет интерес только одно направление) или двусторонним (когда оба направления представляют равный интерес).

10.2.1. Метод парного сравнения

В соответствии с ИСО 5495:2005 «Сенсорный анализ. Методоло­гия. Парные сравнения», метод парного сравнения применяется в сле­дующих случаях:

1. когда существуют направленные различия между двумя тести­руемыми образцами (например, более и менее сладкий), для того, чтобы выделить эти направления различий между двумя тестируемыми образ­цами;

2. чтобы установить, существует ли предпочтение между двумя оцениваемыми образцами (например, потребительские гесты);

3. при обучении дегустаторов: чтобы отбирать, обучать и контро­лировать возможности обучаемых.

Согласно данной методике, парные образцы должны представлять­ся для оценки одновременно или последовательно. Пары составляют из проб с небольшими различиями. Во всех парах предлагаются одни и те же пробы в произвольной последовательности, например, АБ, БА, АБ и т.д. Несколько пар могут предлагаться в последовательности (серии пар), позволяющей снизить или полностью избежать усталости органов чувств, адаптации к тестируемой продукции.

В зависимости от цели исследования дегустаторам могут быть за­даны такие вопросы, как:

• тест для определения направленных различий: «Какой образец из

двух наиболее сладкий (соленый, горький, ароматный и т. п.)»?

• тест для определения предпочтений: «Какой из двух представлен­ных образцов вы предпочитаете»?

• обучение де1устаторов: «Какой из двух представленных образцов

наиболее...?»

При применении данной методики руководитель тестирования должен, согласно методике «вынужденного выбора», обязать испытате­лей указывать, какой образец обладает наиболее выраженными свойст­вами или более предпочтителен, чем другие, даже если испытатель ут­верждает, что не чувствует разницы, или разрешить ответ «нет разли­чий» или «нет предпочтений».

Отчет о тестировании в данном случае должен содержать следую­щую информацию [40]:

• цель тестирования;

• сведения, необходимые для полной идентификации образцов;

• принятые параметры тестирования;

• характеристику эталонных веществ или продуктов;

• другие рекомендации, полученные в ходе тестирования;

• количество тестов, численность и состав дегустационной комиссии;

• условия тестирования, особенно если применялась методика «вы­нужденного выбора», либо тестирование было одно- или двухсто­ронним;

• полученные результаты;

• дату, время, технические условия тестирования;

• Ф.И.О. руководителя дегустационной оценки.

Метод парного сравнения прост в подготовке и реализации и не требует большого количества образцов, однако его недостатком являет­ся вероятность угадывания правильного ответа.

10.2.2. Триангулярный метод (метод треугольника)

Метод применяется в соответствии с ИСО 4120:2004 «Органолеп­тический анализ. Методология. Метод треугольника» в случае, когда речь идет о слабовыраженных различиях между образцами продуктов. Эти различия могут касаться всего комплекса характеристик продукта или же какого-либо конкретного свойства образца. Метод используется также для отбора и тренировки дегустаторов и контроля их рабочих качеств. Разработчики метода рекомендуют использовать указанный метод в случаях, когда [41]:

• количество дегустаторов ограничено;

• не возникает усталости органов чувств дегустаторов.

Согласно методике, описанной в Международном стандарте, дегу­статорам должны представляться одновременно три образца, два из кото­рых одинаковые. Пробы кодируются и комплектуются в виде блоков, на­пример, по следующей схеме: АББ, АБА, БАБ, ББА и т. д. Дегустаторам необходимо определить, какой из двух остальных образцов отличается.

Отчет о тестировании должен содержать ссылки на стандарт ИСО 4120:2004 и содержать следующую информацию:

• цель тестирования;

• все сведения, необходимые для полной идентификации образцов;

• принятые параметры тестирования;

• используемые эталонные вещества;

• количество тестов, численность и состав комиссии;

• полученные результаты;

• дату, время, условия тестирования;

• Ф.И.О. руководителя дегустационной оценки.

Данный метод несколько сложнее, по сравнению с предыдущим методом парного сравнения, однако имеет свое преимущество в виде повышенной точности, так как вероятность угадывания составляет здесь 33%, а не 50%, как в предыдущем методе. В практике органолептиче- ского анализа методом треугольника дегустаторы часто допускают ошибку, указывая на один из двух одинаковых образцов как на образец, имеющий отличия, что получило название «парадокс неразличимого». Избежать подобных ошибочных оценок можно путем тщательной под­готовки дегустаторов и хорошей предварительной подготовки самой дегустации.

10.2.3. Метод «дуо-трио»

Метод применяется в соответствии с ИСО 10399:2004 «Органолеп- тический анализ. Методология. Оценка двух образцов из трех (метод «дуо-трио»)» для выявления существенных различий между двумя об­разцами. Эти различия могут быть связаны как с одной органолептиче­ской характеристикой, так и с комплексом таких характеристик, причем данный метод не применим ни для определения предпочтений, ни для оценки характера или интенсивности воспринимаемых различий.

Существуют две формы описываемого метода:

а) с изменяющимся контрольным образцом;

б) с постоянным контрольным образцом.

Методика с постоянным контрольным образцом используется как инструмент для контроля качества продуктов хорошо обученной дегу­стационной комиссией, при условии, что контрольные образцы хорошо известны дегустаторам [10].

Готовится достаточное количество образцов в зависимости от чис­ла членов дегустационной комиссии, причем все продукты должны быть приготовлены одинаково (одинаковая температура, одинаковая посуда, одинаковое количество продуктов и т. д.).

Посуда, в которой подаются образцы, должна быть обязательно за­кодирована; обычно это число из трех произвольных цифр. Затем фор­мируются серии из четырех блоков образцов в следующих комбинаци­ях: А_КАБ, А_КБА, Б_КАБ, Б_КБА, где в первых двух блоках серии контроль­ным образцом является образец А, а в двух последующих блоках - Б. Приготовленные блоки образцов распределяются между испытателями одновременно или последовательно в случайном порядке. Испытателям предлагается выбрать образец, отличающийся от контрольного.

Если применяется методика с постоянным контрольным образцом, то возможные комбинации образцов будут выглядеть следующим обра­зом: А_КАБ, А_КБА, где А_к - контрольный образец во всех блоках. В ос­тальном данная методика идентична методике с изменяющимся кон­трольным образцом.

Отчет о тестировании должен содержать следующую информацию:

• цель тестирования;

• сведения, необходимые для полной идентификации образцов;

• принятые параметры тестирования;

• другие рекомендации, полученные при тестировании;

• численность и состав дегустационной комиссии;

• форма тестирования - с постоянным или изменяющимся контроль­ным образцом;

• полученные результаты;

• дата дегустации (тестирования);

• Ф.И.О. руководителя дегустации.

10.2.4. Метод «два из пяти»

Метод применяется для дегустации продуктов со слабыми разли­чиями. Он может применяться и как обучающий при подготовке и тре­нинге дегустаторов [43].

Как правило, берут два одинаковых образца А и три одинаковых образца Б. Комплектуют блоки по пять образцов, кодируют и предлага­ют дегустаторам, например, по схеме АББАБ, ББААБ, АБАББ, ААБАБ, АБАБА, БАБАА. Задача состоит в том, чтобы дифференцировать об­разцы в каждом блоке, выделив А и Б. Этот метод считается более эф­фективным, чем все описанные выше различительные качественные методы. К недостаткам его относят высокую трудоемкость и быструю утомляемость органов чувств дегустаторов.

Отчет о тестировании должен содержать следующую информацию:

• цель тестирования;

• сведения, необходимые для полной идентификации образцов;

• принятые параметры тестирования;

• другие рекомендации, полученные в ходе тестирования;

• численность и состав дегустационной комиссии;

• полученные результаты;

• дата дегустации (тестирования);

• Ф.И.О. руководителя дегустации.

10.2.5. Метод «а - не а»

Описываемый метод «А - не А» применяется в соответствии с ИСО 8588:1987 «Органолептический анализ. Методология. Испытание А - не А» и используется в сенсорном анализе [44] для:

• испытаний на различие, особенно для оценки образцов, имеющих разный внешний вид (что затрудняет получение строго идентич­ных повторных образцов) или оставляющих различные послевку­сия (что затрудняет непосредственное сравнение);

• испытаний на узнавание, в особенности для определения того, мо­жет ли испытатель или группа испытателей идентифицировать но­вый стимул в сравнении с известным стимулом (например, распо­знавание сладкого вкуса нового подсластителя);

• испытаний на восприятие - для определения чувствительности эксперта к конкретному стимулу.

В классической форме метода тестирования дегустатор сначала знакомится со стандартным образцом «А», после чего в серии закоди­рованных проб ищет и идентифицирует продукт «А», а также отличные от стандартного продукта - «не А».

Отчет о тестировании должен содержать следующую информацию:

• цель тестирования;

• сведения, необходимые для полной идентификации образцов;

• принятые параметры тестирования;

• другие рекомендации, полученные при тестировании;

• численность и состав дегустационной комиссии;

• полученные результаты;

• дата дегустации (тестирования);

• Ф.И.О. руководителя дегустации.

Вторая группа методов - Методы с использованием шкал и ка­тегорий - описываются стандартом ИСО 4121:2003 «Органолептиче­ский анализ. Руководящие указания по использованию шкал с количе­ственными характеристиками».

6. Метод ранжирования

Метод ранжирования применяется при оценке качества продуктов и при тестировании чувствительности дегустаторов, а также как потре­бительский тест для определения предпочтений. Ход метода весьма прост: дегустаторам представляются закодированные образцы в случай­ном порядке. Задача дегустатора состоит в том, чтобы проранжировать образцы в порядке возрастания или убывания интенсивности конкрет­ной органолептической характеристики [43].

6. Метод классифицирования

Метод классифицирования определяется стандартом ИСО 8587:2006 «Сенсорный анализ. Методология. Классифицирование» и применяется для тестирования большого количества различных образ­цов с целью распределения их в необходимом порядке. Метод позволяет оценивать различия между образцами, основываясь на интенсивности отдельных специфических характеристик или целого комплекса свойств.

Данный метод рекомендуется для первичного отбора образцов, ко­торые будут использованы в последующих испытаниях с применением других методик. Среди прочего, методика позволяет определить влия­ние на продукт различных факторов, таких, как исходное сырье, техно­логия производства, обработки, упаковки и хранения. Также он может быть полезен при отборе, подготовке и контроле дегустаторов [45] .

Суть метода заключается в том, что дегустаторам представляют в произвольном порядке серию образцов, которые они должны классифи­цировать в соответствии с заданными критериями - определенными свойствами продукта или его отдельными характеристиками. Получен­ные результаты обрабатывают с помощью статистических методов.

6. Метод шкалирования

Метод шкалирования применяется для оценки одной или более орга- нолептических характеристик и позволяет количественно оценивать каче­ственные признаки продуктов, открывая большие возможности в изучении корреляции между органолептическими свойствами продуктов [43].

Метод заключается в следующем. Дегустатору предлагают два об­разца: один с максимально выраженными изучаемыми свойствами, дру­гой с минимально выраженными свойствами. После чего на дегустацию выставляется интересующий комиссию образец. Дегустатору следует на графической или словесной шкалах отметить свое впечатление об ис­следуемом продукте, чьи характеристики неизвестны. Графическая шкала (рис. 10.1) - это градуированный отрезок прямой определенной длины, на концах которого отмечены предельные значения свойств у двух образцов продукта (max, min). При сравнении свойств этих двух образцов со свойствами исследуемого образца дегустатор отмечает на шкале свое впечатление штрихом или крестиком. При этом он учитыва­ет расстояние от обоих концов отрезка. Так же поступают и со словес­ной шкалой (рис. 10.2), с тем различием, что в словесной шкале нет дробных чисел, а на графической шкале вполне возможно и дробное значение характеристики продукта.

Чрезвычайно твердый

Чрезвычайно твердый

Очень твердый Умеренно твердый

Незначительно твердый

-н Ни твердый, ни мягкий

Незначительно мягкий

Умеренно мягкий Очень мягкий Чрезвычайно мягкий

Чрезвычайно мягкий

Рис. 10.1. Графическая шкала Рис. 10.2. Словесная шкала

10.2.9. Балльный метод

Это - самый распространенный метод органолептической оценки, результаты которой выражаются безразмерными числами, получивши­ми общепринятое название «баллы». Совокупность численных значе­ний, объединяющая оценку свойств продуктов в заданном диапазоне качества, образует балльную шкалу.

В качестве положительных сторон этого метода следует назвать его большие информационные возможности благодаря использованию мно­жества балльных шкал и их модификаций. Также к положительным сто­ронам относят возможность измерения того или иного качества продук­та, усиленного при помощи коэффициентов весомости, и возможность сравнительной характеристики с использованием указанных шкал [43].

К недостаткам метода относят неточность полученных результатов из-за несогласованной работы дегустаторов, свободного обращения с балльными шкалами, выбором диапазонов на балльной шкале.

Различают четыре типа шкал: номинальные, порядковые, интер­вальные и рациональные.

В номинальных шкапах цифры или символы служат в качестве ус­ловных обозначений для идентификации объектов или их свойств.

В порядковых шкалах цифрами обозначают последовательность объектов или свойств по степени их важности, при этом учитывают оп­ределенную связь их между собой.

Интервальные шкалы, образованные от порядковых, обозначают размеры различий между объектами или свойствами; в этих шкалах рас­стояния между обозначениями равные и устанавливаются произвольно.

Рациональные шкапы так же, как и интервальные, отражают соот­ношения размеров объекта при наличии нулевой точки отсчета.

Для сенсорного анализа чаще других используют интервальные шкалы, которые различаются по количеству баллов, используемых для оценки продукта, диапазону качества исследуемого объекта, способу присвоения баллов, словесной характеристике каждого уровня качества, соответствующего определенному числу баллов, способу общей оценки продукта, наличию или отсутствию коэффициентов значимости отдель­ных органолептических признаков [34].

В настоящее время существуют шкалы с различным количеством баллов: самая распространенная - 100-балльная система оценки качества продуктов; есть 25-балльная шкала (по ней принято оценивать пиво и безалкогольные газированные напитки); 20-балльная шкала (согласно ГОСТ 37-91, по этой шкале оценивается масло коровье); по 10-балльным шкалам оцениваются в России вина и спиртные напитки, различные сор­та чая. Справедливости ради следует отметить, что сейчас в дегустаци­онной оценке наметилась тенденция к переходу на ЮО-бапльную шкалу, так как она дает возможность более полно оценивать отклонения от нор­мативного качества продукта.

При работе по данному методу сенсорного анализа дегустаторы последовательно осуществляют следующие операции [34]:

1. выбирают показатели оценки качества;

2. составляют схемы-таблицы характеристик уровней качества, раз­рабатывают таблицы со скидками баллов;

3. присваивают каждому показателю качества свой коэффициент ве­сомости;

4. определяют балльные интервалы для исследуемого продукта, ха­рактеризующие показатели категорий качества и сортности;

5. апробируют разработанные шкалы;

6. статистически обрабатывают полученные результаты, обсуждают их и корректируют балльные шкалы.

На первом этапе дегустаторы выбирают показатели качества, руко­водствуясь при этом нормативно-технической документацией. Как пра­вило, они используют такие показатели качества, как «внешний вид», «запах», «вкус», «цвет», «прозрачность» для жидких продуктов, или «консистенция» для твердых или мазеобразных продуктов. Дегустато­ры, по согласованию, могут ввести и другие показатели, например, «вид на срезе» или «упаковка и маркировка» и т. д.

На втором этапе дегустаторы обговаривают непосредственно балльную шкалу и разрабатывают схемы-таблицы словесного описания с подробной словесной характеристикой качественных уровней единич­ных показателей, руководствуясь при этом стандартными показателями нормативно-технической документации. Следует отметить, что требова­ния к профессионализму дегустаторов в этом случае достаточно высоки.

Образец подобной проведенной работы для оценки батонов из пшеничной муки первого и высшего сортов приведен в табл. 10.1.

Кроме этого, дегустаторы разрабатывают таблицы, в которых ука­зывается, за какой порок качества они будут снимать б&члы. Вся эта непростая и трудоемкая работа необходима для воспроизводимости ре­зультатов.

Третий этап состоит в определении коэффициентов весомости применительно к показателями качества продукта. Иногда в литературе можно встретить и термины - синонимы «коэффициент важности» и «коэффициент значимости».

Так как при сенсорной оценке показатели качества продуктов не являются равнозначными, а всегда ранжируются по определенной логи­ке для конкретного продукта, то в практике сенсорного анализа широко применяются коэффициенты весомости. Эти коэффициенты служат множителями при расчете обобщенных балльных оценок. Таким обра­зом, коэффициенты весомости являются количественными характери­стиками значения показателей. Коэффициенты весомости устанавлива­ются дегустаторами произвольно, исходя из важности того или иного параметра качества продукта. Как правило, для пищевых продуктов яв­ляются важными такие показатели, как вкус, запах, консистенция. Обычно вкусо-ароматическим показателям в шкалах отводят до 40-60% общего количества баллов, консистенции - 20-25% баллов.

Чтобы 5-багшьные шкалы трансформировались в 100-балльные шкалы, сумма коэффициентов весомости должна быть равна 20.

Четвертый этап состоит в определении балльных интервалов для исследуемого продукта, характеризующих показатели категорий каче­ства и сортности. В зависимости от общей балльной оценки продукт относят к одному из сортов, характеризуют его как качественный или направляют на промышленную переработку. Аналогично дегустаторы определяют градацию балльной оценки для продуктов, качество кото­рых оценивается по другим шкалам. Точно так же производится опре­деление их категории.

Пятый и шестой этапы - апробирование балльной шкалы, стати­стическая обработка данных. Как правило, в дегустациях принимают участие 5-7 дегустаторов-экспертов или обученных дегустаторов. Каж­дый участник сенсорного анализа заполняет собственную анкету с уче­том разработанных и принятых внутри данной дегустационной комис­сии шкалы балльной оценки, показателей качества оценки, коэффици­ентов весомости, скидки баллов. После проведенного дегустационного анализа каждый дегустатор представляет свою индивидуальную анкету, на основании которой составляется объединенная анкета с характери­стиками качества продукта.

Сначала усредняют оценки дегустаторов по единичным показате­лям. Оператор заносит в сводный лист оценки всех дегустаторов по ка­ждому образцу и рассчитывает средние арифметические значения оце­нок единичных показателей (в баллах) по формуле:

п

у

п

п

где ^ А', - сумма оценок дегустаторов по конкретному показателю одного

/=1

образца продукции; п - число дегустаторов.

Следующий шаг обработки дегустационных листов - это расчет стандартного отклонения (S) для каждого единичного показателя, кото­рый производится по формуле:

п

где S - стандартное отклонение: ^xf - сумма квадратов оценок дегустато-

/=1

ров; х² - квадрат среднего значения оценок показателя.

Если оценки однозначны, то S по 5-балльной шкале не превы­шает ±0,5. При отклонении ±1 и более анализируемая совокупность оценок неоднородна и результаты дегустации недействительны. В случае, если не были допущены ошибки, ставится под сомнение профессионализм дегустаторов и их объективность.

Как правило, проводится еще один дегустационный анализ про­дуктов. Если и в этот раз S > ±1, то оценки дегустаторов, не выдержав­ших повторного испытания, исключают из анализируемой совокупно­сти, которую вновь статистически обрабатывают.

Оператор при обработке данных умножает полученные средние арифметические оценки единичных показателей на соответствующие

коэффициенты весомости (X* к), после чего полученные произведения

суммируют по каждому образцу продукции и рассчитывают комплекс­ный показатель:

II П '

где Х[ ,Х'₂,...Х'_п- усредненные оценки единичных показателей качества (вкуса,

запаха, консистенции и др.), баллы; к\, к_ъ ..., к_п - соответствующие коэффици­енты весомости единичных показателей; п - число единичных показателей.

10.2.10. Метод индекса разбавлений

Метод применяется для исследования свойств жидких продуктов, полученных при изменении технологии производства или хранения: бе­рут один продукт с измененной технологией, а второй (стандартный) - приготовленный по традиционной технологии. Разбавление позволяет определить влияние изменения технологии на показатели качества. Ме­тод достаточно широко применяется при обучении дегустаторов, а также при дегустации вин [46].

Рекомендуется применять этот метод и для исследования твердых продуктов. Для этого в коническую колбу помещают 30 г вещества, приливают 270 мл подогретой до 60 °С дистиллированной воды, после чего колбу закрывают плотно крышкой и встряхивают в течение 15 мин. Полученную смесь фильтруют, фильтрат разбавляют водой или раство­рителем по указанной выше схеме до полного исчезновения исследуе­мых свойств продукта.

Показатель (индекс) вкуса, запаха, окраски, вкусности и т. д. вы­ражается степенью разбавления или процентным содержанием исходно­го вещества в растворе. Например, аромат вишни исчезает, если сок разбавляется водой в соотношении 1:30 [43].

Третья, и последняя группа методов - аналитические или описа­тельные тесты. Они основаны на словесном описании органолептиче­ских свойств продуктов. К этим методам относят непосредственно опи­сательный метод и метод профильного анализа. Методы требуют от дегустаторов точной терминологии, не предполагающей разночтения. В профильном методе широко используют шкалы для количественной оценки качественных признаков продуктов.

10.2.11. Простой описательный метод

Согласно ИСО 6564:1985 «Органолептический анализ. Методоло­гия. Методы установления профиля вкуса и запаха», для описания и оценки пищевых продуктов этот метод применяется в случае [47]:

• разработки, модификации и усовершенствования пищевых продуктов;

• характеристики различия между продуктами;

• контроля качества;

• дополнения результатов инструментального анализа;

• обеспечения постоянной регистрации свойств и признаков продукта;

• контроля изменений продукта в процессе хранения.

Результаты этого метода включены практически в каждый норма­тивно-технический документ на пищевые продукты и регламентируют их стандартные органолептические качества.

В числе положительных качеств этого метода следует назвать про­стоту и отсутствие больших временных, материальных и энергетиче­ских затрат. Приведенные в каждом ГОСТе органолептические показа­тели качества можно рассматривать, как систему ориентиров, которая позволяет быстро определить требуемые показатели качества продуктов при приеме товаров, отнести продукт к тому или иному сорту, катего­рии, а также помогает заготовителям при закупке сельскохозяйственно­го сырья в системе потребительской кооперации. Но есть у этого метода и отрицательные качества. Как уже говорилось, сложность работы дегу­статоров заключается в отсутствии четкой терминологии для описания сенсорных свойств, хотя работа в данном направлении ведется. При сенсорном анализе, особенно, с применением описательных методов, важным становится однозначное описание ощущаемых свойств продук­та. Понятия, используемые для характеристики ощущаемых свойств, должны исключать, или, по крайней мере, ограничивать возможность их различных интерпретаций.

Отсюда вытекает необходимость применения стандартных понятий при сенсорном исследовании продуктов питания. Практика показала, что невозможно получить общепризнанное четкое и однозначное опи­сание органолептических свойств и признаков при отсутствии унифика­ции терминов, их выражающих. В отечественной специальной литера­туре чаще всего используются следующие термины для обозначения отдельных составляющих заггаха пищевых продуктов:

1. запах пряных растений (горчицы, тмина, имбиря, перца, гвозди­ки, корицы, миндального ореха);

2. типичный запах отдельных пищевых продуктов (жженого саха­ра, солода, грибов, мясного бульона);

3. запах порчи пищи (плесени, гниения, микробный, аминов, мер­каптана, затхлый, горелый, дымный);

4. запах некоторых химических веществ (альдегидов, скипидара, сернистый, озона, металла);

5. запахи непищевых объектов (земли, ила, сенной, лесистый и др.)

Попытки классифицировать свойства пищевых продуктов по орга­нолептической оценке также пока не позволяют выработать единые стандартные термины и определения.

10.2.12. Профильный метод

Согласно ИСО 11035:1994 «Органолептический анализ. Иденти­фикация и выбор дескрипторов для установления органолептических свойств при многостороннем подходе», профильный метод сенсорной

оценки может применяться для [481:

*

• определения стандартов производства;

• улучшения или развития продукта;

• изучения влияния процесса старения на качество продукта, а также условий хранения и складирования;

• сравнения продукта с другими продуктами, уже имеющимися в продаже.

Сущность профильного метода состоит в том, что сложное понятие одного из органолептических свойств (вкус, запах или консистенция) представляют в виде совокупности простых составляющих, которые оце­ниваются дегустаторами по качеству, интенсивности и порядку проявле­ния. При выполнении профильного анализа используют балльные шкалы для оценки интенсивности отдельных признаков, последовательно оцени­вают ощущения и результаты и i-рафически изображают в' виде профило- граммы (профиля) [47]. В зависимости от оцениваемого показателя полу­чают профилограммы вкуса, запаха или консистенции продукта.

Для построения сенсорной профилограммы проводят специальный отбор и обучение дегустаторов, которые в данном случае выступают в качестве исследователей. При этом отбираются лица, способные разло­жить общее впечатление о качестве исследуемого продукта на состав­ляющие признаки и количественно оценить эти признаки. Это задача не из легких, доказано, что 10% дегустаторов не могут участвовать в сен­сорном анализе профильным методом. Профильный анализ предполага­ет обстоятельные знания дегустаторами свойств продукта, хорошую память на отдельные его компоненты и их характеристики.

Терминологию устанавливают на заседаниях дегустационной ко­миссии, обязательно предшествующих составлению профилограмм. В случае расхождения мнений дегустаторов относительно показателей проводят повторную проверку оценки и описания свойств продукции.

При разработке описаний проводят сокращение числа терминов за счет объединения почти одинаковых и исключения редко употребляе­мых. Общее число составляющих качества (а, следовательно, и терми­нов), в зависимости от исследуемого продукта и поставленной цели, должно быть в пределах от 8 до 16.

Для оценки интенсивности ощущений, вызываемых каждым сла­гаемым вкуса, запаха, консистенции, используют шкалы с количеством баллов преимущественно от 3 до 6. Шкалы могут иметь положительную и отрицательную области, например, от-5 до +5.

Дегустаторы выявляют количество определяемых импульсов запа­ха, или вкуса, или текстурных характеристик; например, их количество

равно восьми, хотя их может быть во много раз больше. Эти параметры также обсуждаются на заседании дегустационной комиссии. Сколько диагностируется импульсов, столько чертится пересекающихся осей, после чего выбирается масштаб, например, 1 см - 1 балл импульса; на каждой оси откладывается отрезок, равный балльной оценке импульса.

острый

К недостаткам данного метода следует отнести то, что не всегда можно выразить словами небольшой дрейф в свойствах продукта и, тем более, оценить их по баллам, чтобы нанести на график. Кроме того, ме­тод требует весьма высокой квалификации дегустаторов и, в силу ука­занных причин, свободно применяться не может.

10.3. Методика формирования сенсорных характеристик нового продукта

Интенсивное развитие пищевых технологий и активное примене­ние нетрадиционных видов сырья ведет к изменениям, которые зачас­тую негативно сказываются на вкусоаромагических свойствах, текстуре и других органолептических показателях качества зернопродуктов [49].

Органолептический анализ активно используется при создании но­вых продуктов, пищевых добавок, при проверке реакции потребителей в связи с изменением рецептуры и технологических режимов, а также с целью прогнозирования рынков сбыта нетрадиционных продуктов и ароматизаторов. Для этого случая используется потребительская оценка качества. Потребительские предпочтения - свободный выбор потреби­теля и оценка, которую на основе личных привычек и воспринимаемых ощущений дает средний потребитель данному продукту. На основании потребительского анализа определяют, является ли желательность дан­ного продукта больше или меньше желательности аналогичного про­дукта. Желательность - сила ощущений, субъективно воспринимаемых при оценке внешнего вида, запаха, консистенции или других свойств продукта. Таким образом, задача потребительской оценки качества за­ключается в том, чтобы вьгяснить, нравится ли (и в какой степени) дан­ный продукт потребителю.

Традиционно разработка нового продукта начинается с разработки нескольких концепций, каждая из которых оценивается по ее перспек­тивности и привлекательности. Требования потребителей являются ос­новой для оптимизации характеристик качества на стадии создания про­тотипа продукта питания. И в ходе разработки концепции пищевого продукта, когда надо определить ключевые сенсорньге характеристики, потребительский анализ является одним из самых достоверных инстру­ментов определения сенсорных характеристик будущего продукта. Да­лее наиболее удачная концепция позиционируется по отношению к дру­гим продуктам, способным конкурировать в данной области. После проверки привлекательности такой концепции для конечного потреби­теля начинается непосредственно разработка нового продукта, одним из методов которой является QFD - Развертывание Функции Качества - метод, позволяющий превратить требования потребителя в характери­стики будущего продукта.

Работы, относящиеся к измерению потребительской желательно­сти, должны учитывать ряд условий: при потребительской оценке не пользуются сравнительными эталонами, так как оценки проставляются на основе личных вкусов, используется простой ход определения оцен­ки и малое число оцениваемых проб. К оценке привлекается широкий круг потребителей предпочтительно того региона, где планируется реа­лизовать данный продукт. Точность оценки в данном случае играет вто­ростепенную роль, так как основывается на неточных определениях, даваемых средним потребителем.

Следующим условием является формирование фокус-группы, со­стоящей из потенциальных покупателей продукта, который предстоит оценивать. Например, к оценке качества изделий детского назначения следует привлекать детей соответствующего возраста и их родителей, для оценки новых диетических продуктов приглашать людей, соблю­дающих специальную диету. Кондитерские изделия, содержащие заме­нители сахарозы, лучше оценят лица, страдающие диабетом. Зерновой хлеб может быть высоко оценен людьми, ведущими здоровый образ жизни, однако его органолептические характеристики покажутся непри­емлемыми тем, кто в принципе не употребляет данный продукт. Таким образом, фокус-группа должна моделировать некую совокупность лю­дей, представляющих интересующий нас рыночный сегмент. Далее группа должна быть ознакомлена с отборочным вопросником, который устанавливает категории приемлемости и предпочтения.

Особая роль в потребительской оценке отводится подготовке мо­дераторов. Модераторы - в основном, сотрудники предприятия - руко­водят дискуссией и направляют ее таким образом, чтобы по возникаю­щим по мере обсуждения проблемам принималось коллективное мне­ние. Модератор должен досконально знать продукт и его сенсорные характеристики, однако не должен давать никаких инструкций, даже непроизвольных, о том, как формировать оценку, поскольку любое ока­зание влияния на группу может привести к искажению результатов.

Результаты потребительской оценки будут более достоверными, если к дегустациям продуктов привлекать постоянный коллектив оцен­щиков, предварительно прошедших ознакомление с правилами прове­дения дегустаций и применяемыми методами. Опыт специалистов предприятий, выпускающих пищевую продукцию, также имеет большое значение при оценке качества новых изделий. Однако формирование коллективов таких дегустаторов должно проводиться раздельно: либо из потребителей-неспециалистов, либо из специалистов, имеющих опыт сенсорного тестирования данного продукта.

Основные условия потребительской оценки следующие:

1. Потребительская оценка должна отражать выбор средних слоев общества, включающих потенциальных потребителей данного про­дукта.

2. Состав такой комиссии - около 40-80 человек.

3. Должна присутствовать точная и ясная анкета, исключающая дву­смысленное понимание вопросов.

4. Исключаются оценки, результаты которых основываются на уга­дывании, принимая во внимание постоянство выбора потребителя на протяжении одной оценки.

Метод оценки потребителями предпочтительности продукта сво­дится к заполнению таблиц, содержащих гедонические шкалы (рис. 10.4). Дегустатор (потребитель) ставит крестик против той графы, уровень желательности которой соответствует, по его мнению, дегусти­руемому продукту.

Рис. 10.4. Пример заполнения таблиц гедонических шкал

Основа сравнений в данном случае имеет эмоциональный харак­тер. По этому методу исследуют исключительно потребительскую же­лательность. Наряду с девятибалльной шкалой может применяться пя­тибалльная шкала, как более понятная оценщику