1.3. Методы определения и основные показатели теплофизических и структурно-механических свойств жировой продукции

Современные физико-математические методы не имеют универсаль-ных моделей, которые позволили бы рассчитывать теплофизические свойства жиросодержащих пищевых продуктов на каждой стадии производственного процесса. Основным источником информации о них являются, как правило, специально организуемые теплофизические измерения таких основных характеристик, как плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность.

Механизм изменения теплофизических и структурно-механических свойств жировых продуктов зависит от температурных условий процессов переработки, что обусловливает большое разнообразие этих изменений, поэтому эксперимент остается пока одним из основных источников получения достоверных сведений, способствующих реализации и совершенствованию теплофизических процессов жировых производств.

В решении проблемы выбора надежных средств определения теплофизических и структурно-механических свойств жировых продуктов заинтересованы многие отрасли и производства, связанные с разработкой пище-вых технологий и техники, а также с проектированием и созданием средств контроля качества, усовершенствованием способов управления, анализа и сертификации производственных процессов, получением оперативной информации об основных параметрах процессов и работе оборудования.

Для анализа структурно-механических свойств пищевых продуктов достаточно широко используются методы и приборные средства определения свойств вязкости [15–19] и плотности [15, 17, 20].

Изучение теплофизических свойств жиросодержащих пищевых продуктов и жирового сырья в основном проводится методом монотонного режима нагрева, а также стационарными методами с применением различных способов возбуждения стадий теплового процесса [21–25].

При производстве пищевой продукции, связанном с измерениями характеристик различных пищевых веществ, требуется учитывать основные положения метрологического обеспечения [26].

Опыт проведения научно-практических и лабораторных работ по определению теплофизических и структурно-механических свойств жировых продуктов показывает, что для технических расчетов нецелесообразно проводить прецизионные (особо точные) измерения, при которых погрешность определения свойств сырья или вырабатываемой продукции была бы

меньше погрешности при выполнении инженерных расчетов. Как показывает практика измерений свойств пищевых и других видов материалов, находящихся в различных агрегатных состояниях, удовлетворительной является погрешность измерений от 1 до 10 % [21, 25, 26].

Для определения теплофизических свойств жиров и жиросодержащих пищевых продуктов, которые могли бы использоваться в методиках инженерных расчетов, требуются, как правило, измерительные средства с относительной погрешностью в пределах 1–5 %.

Современные приборы для определения теплофизических и структурно-механических характеристик весьма разнообразны.

Плотность пищевых продуктов определяется методами прямых и косвенных измерений. Методы прямых измерений основаны на законах гидро-статики или на принципе непосредственного взвешивания определенного объема. Методы косвенных измерений основаны на зависимостях между плотностью и физическими параметрами, например удельным объемом.

Наряду с обычными лабораторными приборами для измерения плотности, такими, как пикнометры, гидростатические весы, денсиметры, приме-няются дилатометры, принцип действия которых основан на методе измерения плотности через предварительное определение удельного объема.

Теплоемкость является тепловой характеристикой равновесного сос-тояния вещества, поэтому все методы ее инструментального определения так или иначе основываются на принудительном переводе изучаемого образца по поглощению заданного количества теплоты из исходного равновесного теплового состояния с температурой t в близкое к нему равновесное состояние t + dt. Иногда приходится несколько отходить от данной методики проведения опыта и осуществлять измерения в условиях тепловой неравновесности, т. е. при наличии градиентов температурного поля внутри образца.

Для массовых теплофизических измерений в широкой области темпе-ратур обычно используют методы монотонного режима, обеспечивающие при прочих равных условиях наибольшую производительность испытаний.

В современной отрасли теплофизического приборостроения применяются несколько видов динамических калориметров. К наиболее известным средствам для определения теплоемкости и теплопроводности пищевых продуктов, включая жиросодержащие, следует отнести калориметрические измерительные комплексы, разработанные фирмами: «Перкин-Элмер» – типа DSС различных модификаций, «Дюпон» – типа DSC-модуль (США); «Меттлер» – типа ТА (Швейцария); «Улвак Синку-Рику» – типа SH-3000L (Япония) – и некоторые другие, работающие в сканирующем режиме при

непрерывном нагревании (или охлаждении) образца при постоянной мощ-ности источника нагревания и регистрации рабочих температурных изменений. Некоторые особенности их конструкций в основном касаются объемов и форм измерительных ячеек для исследуемого образца, скорости нагрева (охлаждения) и температурных диапазонов предлагаемых измерений.

Для анализа теплофизических параметров жировых продуктов во многих странах широко используются дифференциальные сканирующие калориметры – приборные комплексы типа DSC-2, DSC-4 и другие фирмы «Перкин-Элмер».

В нашей стране разработаны и используются стандартизированные приборы для измерения теплоемкости типа ИТ-с-400 и для измерения теплопроводности типа ИТ--400, позволяющие получить теплофизические характеристики в режиме монотонного нагрева с пределом допустимой основной погрешности измерений ±10 % [23, 24].

Для реализации метода динамического измерения теплопроводности жировых продуктов применяются -калориметры [24], в частности теплофизический стандартизированный прибор ИТ--400, который предназначен для изучения и анализа свойств теплопроводности при монотонном нагре-ве со средней скоростью около 5 К/мин в диапазоне температур от –100 до +400 °С для твердых веществ с теплопроводностью  = 0,15,0 Вт/(мК). Погрешность измерений не превышает ±10 % во всем диапазоне температур и измеряемых параметров [25].

Тепловая схема метода динамического с-калориметра с тепломером положена в основу измерителя теплоемкости ИТ-с-400 [24]. Метод может быть применен для исследований при нагревании со средней скоростью около 5 К/мин в диапазоне температур от –100 до +400 °С веществ, находящихся в твердом, жидком, сыпучем или волокнистом состояниях, с плотностью не менее 500–800 кг/м³, с удельной теплоемкостью не менее 1,0–3,5 кДж/(кгК). Значения предельной допускаемой основной погрешности при определении значений удельной теплоемкости находятся в пределах ±10 % .

В условиях, когда жировые вещества претерпевают достаточно резкие изменения таких теплофизических свойств, как теплоемкость, целесообразно использование более точных средств измерения. Например, достаточно надежным средством измерения теплоемкости в аномальной области является адиабатический калориметр с дискретным вводом тепла. Только в случае температурной ступеньки в 0,1–1,0 °С значение удельной теплоемкости может быть получено с обеспечением требуемой погрешности. В этом случае используются специально разработанные теплофизические комплексы, работающие в режиме дискретного ввода тепла и монотонного нагрева, позволяющие получать результаты измерений с относительной погрешностью, не превышающей 3–5 % [6, 21, 22, 27, 28].

Г л а в а в т о р а я