книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

тах скорости сжатия образцов равнялись 2,7 -10-4, 1,35 •10-4' и 2,7 • 10"5 м/с). В нижней части штанги-гайки крепится пласти­ на-поперечина, служащая опорой для ножки индикатора, и верхняя рабочая пластина. На корпусе прибора смонтированы включатель и переключатель реверса.

Рис. 26. Датчики давления пластично-вязких продуктов:

Результаты испытания прибора на мясных фаршах и мясе показали возможность определения на нем как модулей упру­ гости, так и величин адгезии.

90

Для исследования релаксационных характеристик клубней картофеля и овощей использовали прибор [139], имеющий плунжер сечением 0,179 см3, который приводится в движение от электродвигателя со скоростью от 0,0845 до 2,12 мм/с. Наи­ большее развиваемое плунжером усилие достигает 90 Н.

8 з

г — месдоза: / — прижимная гайка; 2 — корпус; 3 — втулка; 4 — бобышка; 5 — корпус аппарата; 6 — стальная сменная мембрана с тензодатчиком.

Датчики давления (см. рис. 26) широко используются для измерения давления пластично-вязких продуктов: в вискозиметре, в цилиндрах при объемном сжатии, в трубопроводах при течении по ним пластично-вяз­ ких масс и т. д. Однако таких приборов в промышленности пока нет. Основные требования, предъявляемые к ним, — легкость очистки, сво­

91

бодный доступ к чувствительному элементу, точность и воспроизводимость показаний и надежность в работе. Для лабораторных и промышленных исследований используют специально разработанные приборы [36, 61]. В соответствии с существующей классификацией приборы подразделяют на жидкостные (гравитационные), механические и электрические. В совре­ менной технике наибольшее распространение получили механические и электрические датчики, конструкции которых чрезвычайно разнообразны. Электрические приборы малогабаритны, позволяют измерять различные по величине' давления н вакуум с автоматической записью измеряемой величины на электронных приборах.

Механические приборы с буферной жидкостью и пружиной дают устойчивые показания в области от 0 ,2 -105 до 50-10® Па, тензометриче­ ский датчик— от 0,2.10s до 500-10s Па и потенциометрический — от O.l-lO5 до 10-10s Па. Датчик первого типа (рис. 26, а) более удобен в статических режимах работы, так как при пульсации давления трудно визуально следить за показаниями стрелки; датчик второго типа (рис. 26, б) хорошо зарекомендовал себя при измерении переменных давлений, по­ скольку инерционность поршня и трение в уплотнениях сглаживают пуль­ сацию давления.

Рис. 27. Прибор для определения свойств мясопродуктов при осевом сжатии:

92

Датчики электрические (рис. 26, в, г) используют в любых режимах: работы; особую ценность представляет автоматическая запись показания: например, при испытании насосов удалось проследить пульсации дав­ ления, скорость распространения волны сжатия и т. д.

Датчик с трубкой Бурдона и буферной жидкостью (см. рис. 26, а) прост по конструкции и в эксплуатации, но необходимо часто менять резиновую мембрану. Датчики с пружиной и индикатором работают безразборки более продолжительное время, однако точность и воспроизво­ димость их показаний удовлетворительна в том случае, когда пружина или мембрана находится в области напряжений до предела пропорциональ­ ности.

Указанные датчики не требуют дополнительной аппаратуры и могут быть установлены на любом аппарате, датчики электрические работают в комплекте с осциллографической установкой при отсутствии вибраций в условиях нормальной влажности. Однако возможность передачи инфор­ мации на расстояние позволяет выносить регистрирующие приборы из сырого помещения. При работе в помещениях с повышенной влажностью следует принимать меры к герметизации тензометров и реохордов (за­ ливка маслом, герметизация клеем и пр.).

Изменение реологических свойств пищевых продуктов в зависимости от некоторых технологических факторов

Компрессионные характеристики мясопродуктов определяли на указанных выше приборах. Кривые кинетики от­ носительной деформации объемного сжатия (рис. 28) имеют лога­ рифмический характер и описываются уравнением (I—96). По ки­ нетическим кривым для равновесного состояния можно вычислить коэффи­ циент объемного сжатия р (Па-1) при продолжительности действия давле­ ния 180 с:

93

предела упругости, который в среднем равен 105 Па, реализу­ ется зона мгновенно упругих деформаций. Для нее модуль упругости составляет 0,6 -107 Па. Величина максимальной уп­ ругой деформации достигает 1,6-10~2, при увеличении нагрузки она остается постоянной. Вторая зона — упругого последейст­ вия, или условно-мгновенной пластичности, — переходная и лежит в пределах напряжений (1ч-3,5) 105 Па. Третья зона — пластических деформаций — лежит в области напряжений, пре­ вышающих 3,5 ПО4 Па. При этом общая деформация зависит не только от напряжения, но и от времени его действия.

Обработкой экспериментальных данных подобраны коэффи­ циенты к уравнению (I—96) для всех экспериментальных кине­ тических кривых (табл. 25). В уравнении (I—96) член, стоящий перед скобкой, характеризует мгновенную деформацию, второй член позволяет учесть развитие пластической деформации во времени. Коэффициенты зависят от биологического и физиче­ ского состояния мяса, поэтому погрешность в вычислении отно­ сительной деформации может достигать ± 1 5 % . Интервалы изменения переменных, при которых справедливо уравнение, следующие: (3,5 ч- 16) ДО5 Па и 1—180 с.

При времени действия давления 180 с коэффициент объем­ ного сжатия с учетом уравнения (I—96) можно определить по формуле

Для исследования коэффициента бокового давления колбас­ ного фарша и распределения давления в нем по высоте цилинд­ ра использованы установки с тензодатчиками (см. рис. 25) [36]. Значение коэффициента вычисляли по уравнению (I—97). Осевое давление по высоте цилиндра убывает, следовательно,

94

убывает и боковое, однако коэффициент бокового давленияостается неизменным, что обусловлено природой его прояв­ ления.

Зависимости между осевым и боковым давлениями, полу­ ченные из опытов, позволили рассчитать величины коэффи­ циента бокового давления, приведенные в табл. 25.

При сжатии фарша поршнем годного торца в узкой трубке диаметром D давление по высоте /г уменьшается. Если трубка вертикальная, поршень расположен сверху, то положительное направление для h будет верти­ кально вниз. Рассмотрим равновесие бесконечно тонкого слоя фарша dh, пренебрегая силой тяжести ввиду ее незначительности при малой высоте трубки.На слой действуют силы давления сверху и снизу, разность которых

ложительное направлении). Сжатие ведет к появлению запаса потенциаль­ ной энергии, возникновению силы трения между фаршем и трубкой (за счет бокового давления и объемной деформации) и пр. Примем, что две основные силы сопротивления (трения и объемная упруго-пластичная) пропорциональны a1pllD"dli; направлена она вверх, т. е. имеет знак ми­ нус. С учетом сказанного, равновесие слоя опишется дифференциальным, уравнением

r-D"

— — — dpи — a1phDndh = 0 .

4

После разделения переменных и интегрирования получаем

lg Ph = lg Рв — a2Dn~2h = lg рв — ah,

где яг, n — коэффициенты, подлежащие определению из опыта:

а = a2Dn~2 = 0,05D—* 0’ 33; а2 = 0,05; о =1, 67.

Окончательный вид уравнений для расчета осевого и боко­ вого давлений по высоте трубки:

Ph = Рв • Ргл = СРв • Ю-о/г. (1-99)

Эти уравнения показывают, что чем больше диаметр цилинд­ ра, тем меньше падение давления по высоте. Пределы примени­ мости уравнений: по диаметру от 0,02 до 0,05 м; по высоте от 0

до 0,3 м.

Для исследования кинетики деформации фарша при осевом сжатии между двумя пластинами использовали прибор (см. рис. 27) [2, 45]. Поскольку скорость верхней пластины постоян­ на, относительную деформацию сжатия вычисляли по формуле

этой величины в общей деформации не превышает 3—4%);

95

Постоянство скорости сжатия практически обеспечивает

(неизменность градиента скорости в(с-1), т. е. линия е(т) являет­ ся прямой и выходит из начала координат:

•Е

я:

На рис. 29, а приведены кривые в осях координат напряже­ ние — деформация а(е) для фарша русских сосисок, сжимае­ мого между пластинами площадью 0,0010 м2 со средней ско­ ростью 24 ■10-5 м/с. Как видно из рис. 29, а, напряжения зави­ сят от влагосодержаний и толщины слоя фарша. Для начальной зоны деформирования—упругой — вычислены пределы текучести от и модули упругости Е фис. 29, б), которые также зависят от влагосодержания и толщины слоя. С целью получения ин­ вариантных характеристик, т. е. независимых от толщины слоя, введена «линейная» вязкость — отношение напряжение сжа­ тия к градиенту скорости (рис. 29, в). Графо-аналитической об­ работкой экспериментальных данных получены расчетные зави­ симости :

для зоны упругих деформаций (г < 0,05):

где U — влагосодержание продукта, кг воды на 1 кг сухого вещества.

Полученные математические выражения удобны для расче­ та: зная влагосодержание продукта и необходимую степень сжатия, т. е. относительную деформацию, можно вычислить

•скорость деформации и напряжение сжатия при любой продол­ жительности процесса. Опыты с другими видами тонкоизмельченного фарша (для сарделек, докторской колбасы) показали применимость для расчетов приведенных выше зависимостей.

Результаты экспериментов по осевому сжатию, представленные выше в виде эмпирических зависимостей, были обобщены также с помощью теоретического уравнения [45]. Деформационному поведению фарша лучше всего соответствует модель стандартного линейного тела, которое

•описывается общим реологическим уравнением (I—14) [17, 105]

96

Уравнение (I—102в) представляет собой прямую, проходящую через начало координат; уравнение (I—102г) — прямую, но отсекающую на оси ординат отрезок А, причем в общем случае АтО. Для фарша А поло­

Методика расчета постоянных в уравнениях (I—102) достаточно про­ ста. Так, графо-аналитически из уравнения (I—102г) определяется А , как отрезок, отсекаемый на оси ординат, и Eft — по тангенсу угла наклона прямой. Из уравнения (I—102в) для участков кривых а(-с), выходящих из начала координат (см. рис. 30, а), вычисляется

и из выражения (I—1026)

А

% = +

Eft Е*

Экспериметальная проверка полученных выше соотношений выпол­ нена для фарша русских сосисок с различным влагосодержанием, фарша докторской колбасы и сосисок свиных. Характеристики фарша и их изменение приведены на рис. 30. Релаксационный модуль упругости (рис. 30, б) зависит как от скорости деформирования, увеличиваясь с ее ростом, так и от влагосодержания фарша, уменьшаясь при его повышении. Периоды релаксации для тонкоизмельченных видов фарша практически не зависят от его состава и влагосодержания (рис. 30, в, д). Однако при повышении градиента скорости они уменьшаются. Периоды релаксации

98

увеличиваются при возрастании толщины деформируемого слоя, если линейная скорость деформации постоянна (рис. 30, г). Эмпирические за висимости, связывающие найденные характеристики с условиями изме рения, имеют вид:

Сравнительно большой разброс точек на рис. 30, д обусловлен экспе­ риментальной трудностью измерения времен подрядка 1—3 с. Как видно из рис. 30, д, колебание абсолютной величины периодов релаксации дос­ тигает 1 с. Зависимости тЕ.о(ё,.) можно рассматривать как спектры времен релаксации по скорости деформации.

Рис. 30. Графические зависимости изменения релаксационных характерис­ тик при осевом сжатии фарша русских сосисок:

Комплексные исследования объемного сжатия фарша при термообработке в форме представляют интерес в связи с созда­ нием автоматизированных линий изготовления сосисок без обо­ лочки. Принципиально вопрос решается следующим образом: фарш нагнетается в форму, с торцов вводят поршни для подпрес­ совки и затем эта форма направляется на термическую обработ­