Введение в инженерную реологию пищевой промышленности Основные общие понятия инженерной реологии пищевой промышленности и место реологии среди родственных дисциплин

Инженерная реология пищевой промышленности – это наука о приложении реологии к расчетам и конструированию машин и аппаратов пищевой промышленности, управлению технологическими процессами переработки пищевых продуктов. Реология – это широкая область науки о течении и деформациях реальных тел. При такой широкой постановке предмета реологии его изложение, даже значительно сокращенное, вряд ли возможно в справочной или энциклопедической форме. Содержание данного пособия неизбежно подчинено субъективным вкусам и интересам авторов, которые ясно осознают всю неполноту работы и будут благодарны за все предложения, направленные на коррекцию и расширение пособия в дальнейших редакциях. Заметим лишь, что уже 40 лет назад монография «Реология» под редакцией Ф. Эйриха имела объем более 50 печатных листов. За прошедшие годы наука, естественно, продвинулась дальше, и попытка рассмотреть только пищевую реологию в регламентированном объеме данного пособия весьма затруднительна.

Имеется два взгляда на предмет реологии. Реология в широком смысле – это наука о деформациях и течении различных материалов. В этом определении заключается стремление сравнительно новой науки к обобщению известных сведений наряду с новыми механическими явлениями, эффектами и теориями. При данном взгляде на реологию ее подразделами становятся такие сложившиеся дисциплины, как механика грунтов и сыпучих материалов, сопротивление ма­териалов, гидроаэродинамика, теория упругости, пластичности, ползучести, т. е. дисциплины механического цикла, в которых отказываются от гипотезы абсолютно твердого тела, широко используемой в курсе теоретической механики. В более узком смысле реология – это наука о деформациях и течении материалов, проявляющих существенные отклонения от свойства классических моделей ньютоновских жидкостей, твердых упругих гуковских тел и сенвенановских тел сухого трения. При таком подходе подчеркивается специфический предмет исследования, проясняется практическая причина возникновения новой науки – реологии.

Инженерная реология пищи или пищевых производств в том же смысле, что и сопротивление материалов, не представляет собой науку, а является учебной дисциплиной; без ее знания сегодня образование инженера пищевой промышленности не является полным, ибо материалы, переработка которых ведется пищевыми машинами, как правило, не гуковские и не ньютоновские тела, и их поведение, в частности сопротивление воздействию рабочих органов, курсами сопротивления материалов и гидравлики не освещается.

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

В инженерной реологии пищевых производств можно условно выделить четыре части:

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

2) реометрию пищевых материалов. В данной части рассматриваются экспериментальные методы и результаты измерения реологических свойств пищевых материалов, особенности их проявления при взаимодействии перерабатываемого продукта с рабочими органами машин и каналами аппаратов;

3) реодинамические расчеты. Эта часть посвящена расчетным моделям, дающим количественную теоретическую оценку результатов взаимодействия пищевых сред с рабочими органами и каналами машин и позволяющим проводить необходимые технологические расчеты машин (производительность, потребная мощность и т. п.);

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

Инженерную реологию пищи целесообразно изучать на последних курсах вуза, поскольку для ее нормального усвоения нужны как знания из высшей математики, теоретической механики, сопротивления материалов, гидравлики, так и знания из курсов процессов и аппаратов, общей технологии пищевых производств и определенные навыки самостоятельной работы, появляющиеся на старших курсах.

Для удобства самостоятельной работы с литературой, что является обязательным условием успешного усвоения курса, в конце пособия приведен список литературы. Он также позволяет использовать данное пособие в своей работе аспирантам и научным работникам. В пособии приведен ряд задач, решение которых поможет усвоению курса.

В научной литературе в качестве эквивалента реологии часто используется термин академика Ребиндера  «физико-химическая механика», которую по классификации Рейнера можно отнести к метареологии. Как правило, объекты реологии не укладываются в прос-тейшие линейные модели гидроаэродинамики течения газов, идеальных или идеально вязких ньютоновских жидкостей или в линейные модели теории упругости и пластичности идеально пластичных или упругих гуковских тел. Обусловлены эти нелинейные механические свойства многокомпонентностью дисперсного состава перерабатываемых материалов в химической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Следует отметить, что многие результаты классической теории механики сплошных сред, гидроаэродинамики, теории упругости, пластичности и ползучести успешно применяются в моделировании процессов переработки пищевых материалов. В этом смысле реология является разделом общей механики сплошных сред и тесно связана с классической механикой.

Инженерная реология, кроме непосредственного изучения реологических свойств реальных материалов, рассматривает также использование этих свойств для построения расчетных моделей машин и аппаратов перерабатывающей промышленности и для управления технологическими процессами (в рамках данного пособия) для нужд пищевой промышленности.

Рассмотрим некоторые вводные понятия и термины, используемые в пособии.

Деформация – относительное смещение частей или частиц тела, не нарушающее непрерывности тела, что позволяет использовать математический аппарат бесконечно малых, интегральное и диффе-ренциальное исчисление, оперировать непрерывными функциями, удовлетворяющими условиям Дирихле, т. е. равномерно ограниченными, имеющими не более конечного числа точек разрыва первого рода и не более конечного числа точек максимума и минимума. Это обычные положения механики сплошных сред, позволяющие, в частности, использовать разложение функций в ряды Фурье при решении дифференциальных уравнений в частных производных.

Деформация проявляется в виде:

а) упругих деформаций, обратимых при снятии нагрузки;

б) пластических деформаций (течения), необратимых при снятии нагрузки и растущих непрерывно и неограниченно при постоянных нагрузках;

в) вязкого течения, характеризуемого тем, что оно возникает при любых сколь угодно малых, отличных от нуля нагрузках и скорость деформаций растет при росте нагрузок.

Пластические деформации возникают при достижении нагрузок определенной величины, называемой пределом текучести данного материала. Многие пищевые материалы по мере роста нагрузок проявляют все перечисленные виды деформаций: вначале деформируются упруго, затем начинают пластически течь и при дальнейшем росте нагрузок текут вязко.

Феноменологическая реология изучает поведение материалов в предположении, что они однородные или квазиоднородные сплошные среды. Квазиоднородные материалы – условно однородные материалы, когда в рассматриваемых процессах переработки можно пренебречь наличием в дисперсных средах различных твердых включений в силу малости последних.

Макрореология рассматривает материалы как однородные и ли-шенные структуры, каковыми они предстают при рассмотрении невооруженным глазом. Обычно пищевые материалы представляют собой дисперсные системы из нескольких фаз и могут рассматриваться как квазиоднородные в макрореологии, когда размеры наибольшей из диспергированных частиц меньше малых элементов материала, деформации которых исследуются. Например, конфетная масса типа пралине включает в себя частицы ореха, которые обычно значительно меньше размеров конфет, деформации которых исследуются, или меньше габаритных размеров формующих каналов матриц, в которых рассматривается течение пралиновой массы.

Материал считается изотропным или квазиизотропным, если самый малый элемент объема материала содержит анизотропные диспергированные частицы всевозможных ориентаций. Иногда квазиизотропные материалы можно сделать анизотропными путем деформаций.

Микрореология учитывает квазиоднородность и квазиизотропность и реологическое поведение дисперсных материалов, исходя из известных реологических свойств составляющих материал элементов. В качестве примера можно привести работу Эйнштейна о вязкости суспензии из простой вязкой жидкости и твердых сферических шариков.

Одним из разделов феноменологической реологии является метареология, где реологические исследования граничат с химией, биологией, физикой, психофизиологией, экономикой и другими науками. Так, покупатель оценивает свежесть хлебобулочных изделий, проведя реологический «эксперимент»: деформирует хлеб и, следя за его вязкоупругим поведением, оценивает усилие деформации и восстанавливаемость изделия после деформации. Психофизиологические и реологические свойства сливочного масла или маргарина при намазывании их на хлеб тоже можно отнести к метареологии. Вообще органолептические оценки качества многих пищевых продуктов относятся к метареологии или психореологии, например оценка «на глаз» вязкостных свойств сметаны, зернистости творога, консистенции мясного фарша и т. п. При исследовании биологических процессов в живых организмах, например в системе кровообращения, в мышечных тканях, широко используются данные биореологии, реологии крови.

Приборы, устройства и методики определения реологических свойств материалов образуют раздел феноменологической реологии, которая называется реометрией. Среди наиболее распространенных приборов реометрии можно назвать различные вискозиметры и пластометры. Если в экспериментальных данных реометрии удается разделить свойства, действительно принадлежащие объекту измерений, и свойства, принадлежащие измерительному прибору, то реологические параметры объекта измерения можно отнести к приборно-инвариантным данным реометрии и эти данные можно использовать для построения математических реодинамических моделей процессов переработки материала.

Контроль и управление технологическими процессами не всегда требуют данных инвариантной реометрии, достаточно использовать относительные реометрические параметры материала, измеряемые на конкретном реометре, и связать эти параметры с другими показателями технологического процесса (температурой, плотностью, компонентным составом дисперсной среды и др.), произведя таким образом своеобразное тарирование системы контроля и управления.

В целом проблема разделения в экспериментальных данных информации об объекте измерений и приборе является общей проблемой экспериментов, поскольку любой прибор так или иначе воздействует на объект измерений и может изменить измеряемые свойства объекта, особенно при механических испытаниях материала. При решении этой проблемы полезными могут оказаться теории распознавания образов и статистической проверки гипотез.

В ряде случаев, в силу сложности процессов переработки дисперсных сред и трудностей создания адекватной математической модели на основании общей теории сплошных сред, необходимо проведение экспериментов на моделях перерабатывающих устройств с использованием методов теории подобия, планирования экспериментов и распознавания образов. Такие эксперименты можно назвать имитационной реометрией.