- •Реологические основы расчета оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов
- •Список основных условных обозначений
- •Предисловие
- •Введение в инженерную реологию пищевой промышленности Основные общие понятия инженерной реологии пищевой промышленности и место реологии среди родственных дисциплин
- •Краткий исторический обзор развития реологии
- •Глава 1. Общая реология
- •1.1. Формализации Лагранжа и Эйлера
- •1.2. Законы сохранения вещества, количества движения и энергии
- •1.3. Дифференциальные уравнения неразрывности, движения и энергии
- •1.4. Тензор напряжений
- •1.5. Тензор скоростей деформаций
- •1.6. Вязкость, упругость, различные реологические эффекты
- •1.7. Реологические уравнения и уравнения состояния
- •Реологические уравнения
- •1.8. Вязкоупругость
- •1.9. Общая классификация реологических моделей пищевых сред
- •1.10. Микрореология
- •Глава 2. Реометрия
- •2.1. Классификация приборов и методов реометрии
- •2.2. Приборная инвариантность, имитационность и обработка данных в реометрии
- •2.3. Теория капиллярных вискозиметров
- •Реологические свойства казеина
- •2.4. Теория ротационных вискозиметров
- •2.5. Теория конических пластометров
- •2.6. Элементы теории различных реометров
- •2.7. Некоторые результаты реометрии пищевых сред
- •Значения коэффициента динамической вязкости меланжа,
- •Значения коэффициента динамической вязкости животных жиров,
- •Реологические свойства фаршей
- •Эталонные характеристики мясного фарша
- •2.8. Связь между структурно-механическими характеристиками и сенсорной оценкой качества продуктов
- •Глава 3. Реодинамика
- •3.1. Резание пласта вязкопластичного продукта
- •3.2. Течение пищевых сред по наклонной плоскости
- •Уравнения расхода жидкости
- •3.3. Течение пищевых сред в трубах прямоугольного сечения
- •3.4. Течение в различных рабочих каналах пищевых машин и аппаратов
- •3.5. Упрощенная линейная теория червячных нагнетателей
- •3.6. Уточненная гидродинамическая теория червячных нагнетателей
- •Значения поправочных коэффициентов kv и kр расходно-напорной характеристики червячного нагнетателя
- •Расчет поправочных коэффициентов для гидродинамической теории червячных нагнетателей в программе MathCad
- •3.7. Расчет червячных экструдеров по методу совмещенных расходно-напорных характеристик
- •3.8. Вероятность формосохранения пищевых изделий
- •3.9. Сопротивление движению лопасти смесительного аппарата
- •Глава 4. Экспериментальные исследования реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Методика проведения исследований
- •4.3. Обобщение результатов реологических исследований
- •4.4. Смеси мороженого
- •4.5. Маргарины
- •4.5.1. Маргарины с содержанием жира 82 %
- •4.5.2. Маргарины с содержанием жира от 40 до 75 %
- •4.6. Кулинарные жиры
- •4.7. Пищевой топленый свиной жир
- •4.8. Мясной студень
- •4.9. Плавленые сыры
- •4.10. Кисломолочные продукты
- •4.10.1. Сметана с содержанием жира 20 %
- •4.10.2. Кисломолочный напиток «Бифидок»
- •4.10.3. Кисломолочный напиток «Ряженка»
- •4.10.4. Кисломолочный напиток кефир «Фруктовый»
- •4.10.5. Кисломолочный напиток кефир «Детский»
- •4.11. Сливочный сыр сладкий
- •4.12. Творог
- •Список литературы
- •Приложение к гл. 4
- •Результаты экспериментальных исследований влияния температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина брускового «Росинка»
- •Глава 5. Учебно-методический материал
- •5.1. Вопросы и задания для самоконтроля и дистанционного обучения по инженерной реологии
- •5.2. Информационные технологии обучения – примеры программ для персональных компьютеров
- •Желаем удачи!
- •Желаем удачи!
- •Желаем удачи!
- •5.3. Вариант рабочей программы дисциплины «Инженерная реология»
- •Раздел 3
- •Тема 3. Основные структурно-механические свойства пищевых продуктов.
- •Раздел 4
- •Тема 4. Методы и приборы для измерения структурно-механи-ческих свойств пищевых масс.
- •Раздел 5
- •Тема 5. Предельное напряжение сдвига пищевых материалов.
- •Раздел 6
- •Тема 6. Реометрия на ротационных вискозиметрах.
- •Раздел 7
- •Тема 7. Капиллярная вискозиметрия.
- •Раздел 8
- •Тема 8. Реодинамическая теория экструдеров.
- •Раздел 9
- •Тема 9. Реодинамические расчеты трубопроводов, контроль процессов и качества продуктов по структурно-механическим характеристикам.
- •Часть 2. Лабораторный практикум
- •Часть 3. Список литературы
- •5.4. Некоторые единицы измерений
- •Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •Предметный Указатель
- •Глава 1. Общая реология 20
- •Глава 2. Реометрия 71
- •Глава 3. Реодинамика 153
- •Глава 4. Экспериментальные исследования реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов 191
- •Глава 5. Учебно-методический материал 301
- •Реологические основы расчета оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов
4.7. Пищевой топленый свиной жир
Животные жиры: говяжий, бараний, свиной и костный – в промышленных условиях получают вытопкой из соответствующего животного жирового сырья. Животные жиры представляют собой смесь триглицеридов высших жирных кислот, поэтому не имеют строго определенной температуры плавления и застывания; переход жира из твердого состояния в жидкое совершается в пределах некоторого интервала температур. При производстве животных жиров в целях получения однородной структуры и снижения их потерь в процессе упаковки в тару свиной, говяжий и бараний жиры охлаждают в трубчатых и других охладителях. На свойства жиров влияет быстрота охлаждения. При медленном охлаждении жиров высокоплавкие глицериды образуют более крупные кристаллы, жир получается крупнозернистым, жидкая фаза не удерживается кристаллами и легко отделяется. В случае быстрого охлаждения жиры превращаются в более однородную массу, так как глицериды при высокой температуре плавления образуют сравнительно мелкие кристаллы, которые удерживают жидкую фазу. Жиры с мелкими размерами кристаллов обладают более пластичными свойствами, что является положительным фактором с точки зрения вкусовых качеств.
Для обработки животных жиров наиболее широко применяются поточные трубчатые аппараты с вращающимися роторами, в которых жиры быстро охлаждаются. Характерной особенностью свиного жира является то, что его вязкость при нагревании и охлаждении не имеет одинаковых значений, что связано с аномалией, обусловленной наличием дисперсной фазы в виде кристалликов жира при нагревании [4].
По данным А. В. Горбатова [4] в интервале температур от 40 до 90 °С вязкость животных жиров может быть рассчитана по уравнению
, (4.19)
где t – температура жира, °С; M, m – коэффициенты, зависящие от вида жира:
Жир |
M |
m |
Говяжий |
33,4 |
1,80 |
Свиной |
21,5 |
1,71 |
Бараний |
23,6 |
1,70 |
Костный |
14,8 |
1,63 |
Вместе с тем отмечается, что точнее физическую сущность температурных изменений вязкости жира описывает уравнение Френкеля – Эйринга
, (4.20)
где А – постоянная, которая без точного количественного соотношения трактуется как произведение модуля объемной упругости на период колебания молекулы; Е – энергия активации, кДж/кмоль; R – газовая постоянная, R = 8,32 кДж/(кмоль·К); Т – абсолютная температура жидкости, К.
Применительно к топленому свиному жиру 1-го сорта в интервале температур 40–100 °С получены следующие значения постоянных уравнения (4.20):
Температура жира, °С |
А · 108, Па·с |
Е, кДж/кмоль |
40–65 |
32,5 |
30500 |
65–100 |
1000 |
20800 |
При этом каждый интервал температур характеризуется своей величиной энергии активации Е, которая с увеличением температуры уменьшается. Граница между температурными интервалами обусловлена плавлением значительной части триглицеридов жирных кислот.
И. А. Рогов и А. В. Горбатов [24], используя уравнение Бачинского, получили расчетное уравнение, описывающее температурные изменения вязкости свиного жира при высоких температурах, выше точки его плавления:
, (4.21)
где – удельный объем жидкости, м3/кг (здесь ρ – плотность жидкости, кг/м3).
В работах [4, 12] и других приведены данные по вязкости жиров в зависимости от температуры в интервале от 40 до 90 °С. Вместе с тем животные жиры охлаждают до более низких температур (10–15 °С) при расфасовке их в мелкую тару. В интервале температур 10–40 °С вязкость свиного жира существенно зависит не только от температуры, но и от градиента скорости. В связи с этим были проведены исследования вязкости пищевого топленого свиного жира в зависимости от упомянутых факторов. Исследования проводили на вискозиметре с цилиндрами H, S1, S2 и S3. Определяли вязкость пищевого топленого свиного жира высшего сорта: в интервале температур 12–42 °С и при изменении градиента скорости от 0,167 до 4,5 с–1; при t = 46 °С и 24 437 с–1; при t = 4850 °С и 219 1312 с–1.
Исследование реологических свойств жира проводили при следующих температурах: 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 и 50 °С (табл. 4.23).
Результаты исследований показывают (рис. 4.14), что начиная с температуры застывания и ниже у жиров появляется значительная аномалия вязкости, т. е. они текут как неньютоновские жидкости и их вязкость зависит не только от температуры, но и от градиента скорости. При этом в интервале температур от 12 до 24 °С вязкостно-скоростные характеристики изменяются сравнительно равномерно при изменении температуры жира и градиента скорости.
Начиная с 28 °С вязкостно-скоростные характеристики жира изменяются от температуры в значительно большей степени, что объясняется началом плавления жира, температура плавления которого находится в интервале 28–48 °С. По абсолютной величине наибольшее изменение вязкости жира имеет место при температурах 12–42 °С и значениях 0,167 4,5 с–1. При температурах 46–48 °С изменение вязкостных свойств жира в зависимости от градиента скорости происходит в меньшей степени, а при t = 50 °С вязкость свиного жира практически мало зависит от и в интервале 437 1312 с–1 уменьшается всего лишь с 0,0278 до 0,0271 Па·с, т. е. аномалия течения жира при указанной температуре весьма незначительна.
Полученные данные по вязкости свиного жира при t = 50 °С удовлетворительно согласуются с известными [4]. При этом расхождение не превышает 7–10 %.
На рис. 4.15 изображены кривые течения свиного жира для температур 12, 16, 20, 24, 28, 30, 32, 38, 42, 46, 48 и 50 °С. При этом угол наклона кривых – индекс течения, характеризующий показатель неньютоновского поведения жира увеличивается с возрастанием температуры. При температуре свиного жира 50 °С индекс течения приближается к единице, т. е. при этой температуре свойства жира приближаются к свойствам ньютоновских жидкостей, однако аномалия течения жира существует и при 50 °С.
А. В. Горбатов [4] отмечает, что начавшееся разрушение структурной сетки жира в интервале температур, соответствующих температурам его плавления, заканчивается при температурах, значительно превышающих температуры плавления свиного жира (28–48 °С). Практически полное разрушение структурной сетки происходит только при температурах 62–67 °С, когда плавятся наиболее тугоплавкие глицериды. Это позволяет объяснить наличие, хотя и незначительной, аномалии течения жира при температуре 50 °С и несколько выше.
Для определения вязкости свиного жира при любых промежуточных значениях температуры и градиента скорости, имевших место при проведении исследований, экспериментальные данные обработали в виде зависимости масштабной вязкости от температуры и безразмерной вязкости от градиента скорости .
При обработке опытных данных в координатах (рис. 4.16) установлено, что в интервале температур от 26 до 40 °С профиль кривой резко изменяется. Это можно объяснить тем, что в указанных интервалах температур некоторые триглицериды жи- ров переходят из твердого состояния в жидкое, т. е. имеет место изменение агрегатного состояния. При обработке результатов исследований в координатах (рис. 4.17) получена температурно-инвариантная характеристика пищевого топленого свиного жира [25]. Средние значения безразмерной вязкости при различных значениях градиента скорости приведены в табл. 4.24.
В целях получения расчетной зависимости для определения эффективной вязкости пищевого топленого свиного жира результаты экспериментальных данных в координатах (см. рис. 4.16) обработали в интервале температур от 12 до 26 °С. Опытные данные кривой в этом интервале температур аппроксимируются следующей формулой:
. (4.22)
Кривая температурно-инвариантной характеристики жира (см. рис. 4.17) аппроксимируется формулой
. (4.23)
При получении расчетных зависимостей (4.22) и (4.23) результаты экспериментальных данных обрабатывали на ЭВМ. Вероятная относительная погрешность при доверительном интервале с на-дежностью α = 0,95 для значений составляет ±6,8 %, а для не превышает 4,2 %.
Имея расчетную зависимость (4.23), значение эффективной вязкости свиного жира можно определить по формуле
. (4.24)
Масштабное значение эффективной вязкости можно оп-ределить с помощью графической зависимости (рис. 4.18). С учетом уравнения (4.22) расчетная зависимость для определения эффективной вязкости имеет вид
. (4.25)
Уравнения (4.24) и (4.25) позволяют определять значения эффективной вязкости пищевого топленого свиного жира.