- •Федеральное агентство по образованию
- •Учебное пособие
- •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 сдвигового течения
- •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
- •Коэффициенты конического пластометра
- •2.6. Элементы теории различных реометров
- •2.7. Некоторые результаты реометрии пищевых сред
- •Значения коэффициента динамической вязкости 103, Пас
- •Значения предельного напряжения сдвига 0, Па
- •Значения коэффициента динамической вязкости крови убойных животных 103, Пас
- •Значения коэффициента динамической вязкости меланжа 103, Пас
- •Значения коэффициента динамической вязкости животных жиров, 103, Пас
- •Реологические свойства фаршей
- •Эталонные характеристики фарша мясного
- •Компрессионные характеристики фарша сосисок русских
- •Релаксационные характеристики фарша сосисок русских
- •Метареологические свойства мяса
- •Значения величин, необходимых для расчета плотности по формуле (2.192)
- •Зависимость вязкости от температуры
- •Зависимость безразмерной вязкости от приведенного градиента скорости сдвига
- •Значения коэффициентов n и k
- •Значения эффективной вязкости в
- •Значения эффективной вязкости эф 103, Па с в зависимости от температуры и градиента скорости
- •Влияние температуры сахарного раствора на коэффициент динамической вязкости
- •2.8. Связь между структурно-механическими характеристиками и сенсорной оценкой качества продуктов
- •Вязкостные свойства пищевых продуктов
- •Данные для ориентировочной органолептической оценки вязкости пищевых масс
- •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
- •Формулы для сложных каналов
- •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
- •4.13. Майонезы
- •4.13.1. Майонез провансаль «Утро»
- •4.13.2. Майонез летний «Нежко»
- •4.13.3. Майонез «Провансаль для салатов»
- •4.13.4. Майонез «Провансаль новый»
- •4.13.5. Майонез «Провансаль»
- •4.14. Масло «Веста»
- •4.15. Кетчуп «Шашлычный острый»
- •Список литературы к глАве 4
- •Приложение к главе 4
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира крем-брюле
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения смеси мороженого пломбира крем-брюле в интервале температур 5,0–40,0 °с
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого сливочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого сливочного крем-брюле
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого молочно-шоколадного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого молочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира сливочного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира кофейного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира земляничного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира шоколадного
- •Результаты исследования реологических характеристик смеси мороженого пломбира сливочного
- •Значения масштабного касательного напряжения смеси мороженого
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина бутербродного «Славянский»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения маргарина бутербродного «Славянский» в интервале температур 5,1–35,1 с
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина бутербродного «Особый»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина столового «Эра»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина «Сливочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина столового «Молочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина мягкого «Утро»
- •Результаты исследования реологических характеристик маргарина мягкого «Росинка»
- •Реологические характеристики мягкого маргарина «Домашний»
- •Результаты исследования реологических характеристик мягкого маргарина «Лакомка»
- •Результаты экспериментальных исследований влияния температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина брускового «Росинка»
- •Результаты исследований эффективной вязкости и касательного напряжения маргарина брускового «Утро»
- •Результаты исследований влияния температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина брускового «Сливочный новый»
- •Значения эффективной вязкости и касательного напряжения маргарина брускового «Домашний» в зависимости от температуры продукта и градиента скорости
- •Результаты исследований вязкостных характеристик и касательного напряжения маргарина для жарения «Волшебница»
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Новинка»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости кулинарного жира «Новинка» в интервале температур 10,0–30,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Белорусский»
- •Результаты исследования реологических характеристик кулинарного жира «Прима»
- •Результаты исследования реологических характеристик растительного сала
- •Результаты исследований касательного напряжения и эффективной вязкости кулинарного жира «Фритюрный»
- •Результаты исследования реологических характеристик пищевого топленого свиного жира
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости пищевого топленого свиного жира в интервале температур 12,0–44,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик мясного студня 1-го сорта
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости мясного студня 1-го сорта в интервале температур 10,0–25,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик плавленого сыра «Городской»
- •Средние значения безразмерной эффективной вязкости и безразмерного касательного напряжения плавленого сыра «Городской» в интервале температур 20,0–60,0 с
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Фруктовый»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Новый»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Шоколадный»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Латвийский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Костромской»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Кисломолочный»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Российский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Советский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Рокфор»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Лето»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Дружба»
- •Сыра плавленого «Дружба» в интервале температур 25,1– 80,0 °с
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Сыр с луком»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Невский»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Янтарь»
- •Результаты исследования реологических характеристик сыра плавленого «Угличский»
- •Результаты исследования вязкостных характеристик и касательных напряжений сметаны
- •Результаты исследования реологических характеристик творога
- •Результаты исследования реологических характеристик низкокалорийного майонеза провансаль «Утро»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза летнего «Нежко»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль для салатов» с содержанием жира 36 %
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль новый»
- •Результаты исследования реологических характеристик майонеза «Провансаль»
- •Результаты исследования вязкостно-скоростных характеристик масла «Веста»
- •Результаты исследования реологических характеристик кетчупа шашлычного острого
- •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 Лабораторный практикум для специальности 271100
- •Лабораторный практикум для специальности 270900
- •Часть 3. Список литературы
- •5.4. Некоторые единицы измерений
- •Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •Предметный Указатель
- •Содержание
- •Глава 1. Общая реология 22
- •Глава 2. Реометрия 73
- •Глава 3. Реодинамика 152
- •Глава 4. Экспериментальные исследования реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов 183
- •Глава 5. Учебно-методический материал 399
- •196006, Санкт-Петербург, ул. Коли Томчака, дом 28
Глава 2. Реометрия
2.1. Классификация приборов и методов реометрии
При научно обоснованном планировании реологических исследований в инженерной реологии пищевых сред большое значение имеют общий обзор и классификация приборов и методов реометрии. Они необходимы, чтобы выбрать из приборов и методов наиболее подходящие для решения поставленных практических задач. На это обстоятельство обращают внимание многие исследователи, предлагая различные принципы классификации.
Так, Рейнер делит реометры на три типа:
1. Приборы, на которых реализуется, по крайней мере в некоторой зоне, однородная деформация. Например, на машинах для испытания твердых тел на растяжение, где на некотором удалении от устройств нагружения (захватов) в испытываемом цилиндрическом образце по принципу Сен-Венана реализуется однородное растяжение.
2. Приборы ламинарного полуоднородного сдвига, обработка данных испытаний на которых, вследствие неоднородного поля деформаций, требует интегрирования или дифференцирования опытных эмпирических зависимостей, например при опытах на различных ротационных и капиллярных вискозиметрах.
3. Приборы, на которых реализуется ламинарное течение более сложного вида, например вискозиметры с падающим шариком типа Гепплера. При отсутствии удовлетворительной реодинамической теории этих приборов реологические данные могут оказаться неинвариантными в смысле их зависимости не только от реологических свойств пищевой среды, но и от параметров реометра. Эти относительные данные нельзя использовать в математических реодинамических моделях машин и аппаратов пищевой промышленности, но они могут оказаться полезными для контроля качества продуктов и управления технологическими процессами переработки пищевых сред.
Очевидно, в классификации Рейнера вне рассмотрения остаются приборы микрореологии и метареологии.
Воларович предлагает объединить приборы и методы в две группы:
1. Интегральные методы и приборы, дающие показатели суммарного эффекта течения, например вискозиметры.
2. Дифференциальные методы и приборы, позволяющие определять деформации во времени в каждой точке среды, например методы с применением рентгеноскопии и некоторые оптические методы с отслеживанием движения определенных меченых частиц среды.
Приборы типа пенетрометров, амилографа Брабендера, фаринографов, вискозиметра Энглера не рекомендуются Воларовичем для реологических исследований. Действительно, полученные на этих приборах данные обычно нельзя использовать в реодинамических моделях течения в каналах машин, но это не единственная область применения результатов реометрии. Эти данные полезны для управления и контроля в технологии переработки пищевых продуктов. Кроме того, как показала история развития теории пенетрометров, капиллярных и ротационных вискозиметров, если удается построить достаточно хорошую реодинамическую модель данного реометра, позволяющую выделить из данных испытаний инвариантные от прибора величины, то относительные данные испытаний иногда удается пересчитать в реологические параметры среды.
Основательный обзор способов классификации объективных методов измерения структуры и консистенции пищевых продуктов дал Боурн, в частности классификации: Скотт-Блэра – на методы (фундаментальные, эмпирические и имитационные); Стевенсона – на измерения (номинальные, обычные, интервальные и относительные); Драке – по типу движения рабочих органов реометров (прямолинейные, вращательные, симметрично-осевые и неопределенные).
Сам Боурн приводит классификацию приборов:
1) приборы измерения силы;
2) приборы измерения перемещения;
3) приборы измерения времени;
4) приборы измерения энергии;
5) приборы измерения соотношений;
6) приборы измерения составные;
7) приборы измерения составные варьируемые;
8) приборы химического анализа;
9) приборы смешанные, многоцелевые.
Самостоятельная специальная группа приборов и методов реометрии пищевых сред при воздействии вибраций использовалась в работе Н. Б. Урьева и М. А. Талейсника.
В монографии К. П. Гуськова и других авторов все приборы разбиты на четыре группы по предназначению:
1. Промышленные приборы для непрерывных измерений в потоке и автоматизации контроля и управления.
2. Лабораторные приборы для массового технологического контроля процессов.
3. Приборы для углубленных измерений в промышленных лабораториях.
4. Исследовательские приборы для научных целей.
Дополнительно к этим классификациям автор предлагает еще одну, в которой сделана попытка расширить сущность предмета реометрии.
Функциональная система классификации приборов в реологических исследованиях:
1. Реометры.
2. Комплексные реометрические стенды, лаборатории:
1) приборы для феноменологической реометрии;
а) условно-абсолютные реометры;
– приборы исследования сдвига;
– пластометры;
– вискозиметры;
– эластовискозиметры;
– приборы исследования всестороннего сжатия;
– приборы исследования одноосного растяжения–сжатия;
– приборы исследования сдвига при всестороннем сжатии;
– машины исследования сложных напряженных состояний при наличии инвариантной теории;
б) приборы измерения относительных величин:
– относительные вискозиметры;
– пенетрометры;
– фаринографы, альвеографы, экстенсометры;
– экстракторы;
– сектилиметры;
– виброреометры;
– твердомеры;
– приборы измерения ударной вязкости;
– адгезиометры;
– дилатометры;
2) приборы для реометрии в системах машины–материалы:
а) приборы измерения геометрии и кинематических параметров:
– приборы измерения геометрии формованных изделий;
– приборы измерения скоростей течения материалов;
– приборы измерения скоростей рабочих органов;
– приборы измерения производительности, расходов;
– приборы измерения ускорений;
– приборы измерения кинематических параметров переходных процессов;
б) приборы измерения динамических величин:
– приборы измерения усилий;
– приборы измерения моментов;
– приборы измерения давления;
– приборы измерения работы;
– приборы измерения мощности;
– приборы измерения напряжений в элементах машин;
3) приборы микрореологии и измерения сопутствующих характеристик:
а) приборы микрореологии:
– приборы определения фракционного состава;
– приборы измерения макроструктурных элементов;
– приборы измерения структуры кристаллов;
– приборы измерения молекулярных атомарных связей;
б) приборы измерения сопутствующих характеристик:
– приборы измерения содержания различных веществ;
– приборы измерения химического состава;
– приборы измерения термодинамических величин;
– приборы измерения электромагнитных и оптических величин;
– приборы измерения плотности и ее распределения;
– приборы измерения радиоактивности.
Дополнительно к приведенной классификации рассмотрим некоторые схемы принципов действия реометров (рис. 2.1).
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
Рис. 2.1. Схемы принципов действия реометров:
1– испытания на одноосное растяжение (сжатие); 2, 3 – испытания на изгиб; 4 – испытания на кручение; 5 – испытания на ударную вязкость; 6 – пенетрометры с различными по форме иденторами; 7 – реометр плоского сдвига типа Вейнберга, Толстого, Николаева; 9 – реометр Вейлера–Ребиндера; 10, 14, 16, 18 – различные ротационные вискозиметры; 15 – реометр исследования характера захвата валиком вязкой среды; 17 – имитационный реометр, моделирующий условия течения в экструдерах; 19, 20, 21 – вискозиметры типа Гепплера с падающим или всплывающим шариком, движение которого фиксируется оптически или рентгеновским способом; 22 – вискозиметр типа Гепплера с принудительным движением шарика; 23 – элементарный капиллярный вискозиметр свободного истечения; 24 – капиллярный вискозиметр Убеллоде; 25–28 – капиллярные вискозиметры с различными принципами измерения скоростей течения, расхода и перепадов давления; 29, 30 – вибрационные и ультразвуковые реометры; 31 – имитационные реометры исследования процессов смешения; 32 – реометры для исследования вязкоупругих свойств сред в условиях всестороннего сжатия
Данные схемы действия различных реометров вряд ли охватывают все принципы конструкций и могут быть существенно дополнены, но дают достаточно репрезентативный обзор основных идей устройств, применяемых в реометрии пищевых сред. Заметим, что при весьма краткой характеристике только ротационных вискозиметров, авторы некоторых специальных монографий по этому узкому вопросу описали около ста конструкций ротационных реометров.