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

Для определения коэффициента при различных температу­

рах t и давлениях контакта рк (Па) рекомендуют зависимости:

г

_________________ 1_______________

^ст IX - 1 ,6 +0,0486/+(0.0038—0,00811?) рк-10~5 ’

___________________1________________

Эффективные коэффициенты внешнего трения ядер подсол­ нечных семян влажностью W при давлении контакта рк и ско-

Рис. 41. Зависимость эффективного коэффициента внеш­ него трения от скорости скольжения при различных давлениях контакта:

а — 186 Па; 6 — 297 Па; о —389 Па; г — от давления контакта

при скорости скольжения 1 м/с;

I — пшено; 2 — крупа манная; 3 — крупа гречневая; 4 — рис; 5 — сахар-песок.

140

роста смещения по [109] сведены в табл. 42. Испытания были проведены при температуре 22—25° С, в качестве поверхности скольжения была выбрана плита из отбеленного чугуна, от­ шлифованная по IX классу чистоты, что соответствует поверх­ ности вальцов в прессе; поверхность во время опыта была покры­ та тонким слоем подсолнечного масла.

в валковых машинах оказались зависящими от вида покрытия валков. Наилучший технологический эффект получен при покры­ тии из резины, которая обеспечивает максимальное значение эффективного коэффициента внешнего трения: для риса 0,486, для проса 0,278. Минимальное значение коэффициента полу­ чено для капрона: по рису 0,258, по просу 0,161.

Статические величины эффективного коэффициента внешнего трения стержней початков кукурузы [32] естественной влаж­ ности (10%) определяли на горизонтальном и наклонном трибометрах конструкции ВИСХОМ.

Результаты исследований приведены в табл. 43, наряду с величинами коэффициентов в табл. 43 указаны углы трения:

(^эф.ст ' ’

141

Т а б л и ц а 43

Значительно уменьшаются коэффициенты трения зерновых материалов при использовании вибрации транспортирующих лотков, воздуховодов и поверхностей [53].

Ч» И*

Описанные исследования по адгезии и внешнему трению не являются исчерпывающими. Характеристика этих явлений зависит от условий измерения, в число которых входит около 8—9 факторов, и их комбинации. Кроме того, адгезия и внешнее трение зависят от технологических параметров: влажности, гранулометрического состава, температуры и т. д. Поэтому мож­ но признать, что выполненные работы являются только началь­ ной стадией исследований, которые необходимо продолжать в теоретическом и экспериментальном аспектах.

Таким образом, реологические исследования позволяют оп­ ределить и использовать в дальнейшем для расчета рабочих органов машины основные структурно-механические свойства продуктов. Эти свойства, отражая внутреннюю сущность объек­ тов, дают возможность судить о качестве продуктов и регули­ ровать его. Особенно перспективны комплексные физические исследования пищевых продуктов, выполненные на основе фундаментальных положений физико-химической механики. Комплексные исследования реологических (сдвиговых, объем­ ных, поверхностных), оптических, электрофизических и дру­ гих свойств позволяют установить аналогию их изменения в различных процессах и в перспективе разработать методы и приборы автоматического управления технологическими про­ цессами.

142

РЕОЛОГИЯ ПЛАСТИЧНО-ВЯЗКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В РАБОЧИХ ОРГАНАХ МАШИН

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Изучение перемещения пластично-вязких пи­ щевых масс по различным каналам приобретает все большее значение в связи с механизацией различных производственных процессов и транспортных операций, а также созданием новых высокопроизводительных машин, например высокочастотных для термообработки продукта в потоке при движении его по трубопроводу. В некоторых отраслях промышленности (нефте­ добыча [132, 133], переработка полимеров [120]) в этой области достигнуты существенные успехи, в других отраслях [6, 36, 81] исследования проводятся сравнительно недавно. Расчет процессов движения пластично-вязких масс в различных ка­ налах производится на основе большого количества теорети­ ческих и эмпирических уравнений.

Теория течения неньютоновских твердообразных систем по­ лучила свое развитие в трудах основоположников реологии

получила практически законченную форму. Для расчетов те­ чения «твердообразного» потока наряду с уравнением Букин­ гэма найдены другие уравнения, при выводе которых авторы основывались на моделях Максвелла, Кассона и др. Теорети­ ческие разработки по движению пластично-вязких систем менее универсальны, чем аналогичные уравнения по движению ньютоновских жидкостей, поэтому основное внимание нами уделено рассмотрению методов расчета каналов для перемеще­ ния пластично-вязких жидкостей и устройств — побудителей движения.

Макроскопическая феноменологическая теория движения материальных сред основывается на общих закономерностях и гипотезах, полученных из опыта. Макроскопические теории являются эффективным средством решения практически важ­ ных задач, а полученные с их помощью сведения согласуются с опытом [108]. При выводе уравнений этими методами основы­ ваются на гипотезах сплошности и неразрывности, которые представляют собой реальный продукт в качестве сплошной неразрывной системы с непрерывным распределением различных полей: электромагнитных, скоростей и деформаций, давлений и основных физических свойств. Эта идеализация позволяет в теоретических исследованиях использовать аппарат математиче­ ского анализа, приложимого к непрерывным функциям [98,108].

143

СТЕНДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

При реологических исследованиях необходи­ мы экспериментальные стенды и приборы [37], которые долж­ ны позволять определить и варьировать в установленных пре­ делах величины, приведенные ниже.

1.Геометрические факторы: длина / и диаметр d (трубы, насадки, лопасти), относительная шероховатость и материал обтекаемого тела. Размеры установок [26] при изучении тече­ ния пластично-вязких продуктов должны приближаться к производственным. Использование подобных, но меньшего размера, моделей недопустимо, так как распределение скоростей по живому сечению потока и степень разрушения структуры будут подобны при небольших изменениях характерного ли­ нейного размера. Геометрические факторы определяются обыч­ ными линейными измерениями.

2.Кинематические факторы: средняя скорость to (м/с) движения потока в канале или скорость движения лопасти в

продукте, объемный секундный расход Гс (м3/с). Скорость или расход определяются с помощью расходомеров [60, 65 ] или ве­ совым методом по уравнению расхода:

3. Динамические факторы: давление р (Па) в начале канала (потери давления вдоль канала) или удельное усиление сопро­ тивления обтеканию лопасти; они являются зависимыми пере­ менными и подлежат определению из опыта с помощью специ­ альных датчиков, описанных выше (см. рис. 26). Для истинно вязкой жидкости потери давления пропорциональны расходу (скорости) в первой степени (ламинарный режим) и в степени 1,75 или 2,0 (турбулентный режим). При течении коагуляцион­ но-тиксотропной структуры потери давления можно представить пропорциональными скоростям в степени п, т. е. индексом течения согласно уравнению (1—24), индекс течения для мно­ гих пищевых продуктов находится в пределах 0,1—0,3 и реже (для сред Кассона [78, 149]) достигает 0,5 или выше. Если ско­ рость или расход представить в виде функции от давления, как

144

это делают в гидравлике, возможны существенные ошибки при вычислении расхода (для малых индексов течения).

К динамическим факторам относятся также реологические свойства: предельное напряжение сдвига 0О, пластическая -rj и эффективная т)Эф вязкости, определяемые специальными при­ борами. Плотность, которая является существенной характе­ ристикой в гидравлике, при течении многих пищевых продук­ тов может быть опущена в качестве самостоятельного показа­ теля, если она изменяется в пределах ±5% от среднего значения 1000 кг/м3. Если плотность значительно превышает наз­ ванную среднюю величину (например, у пралиновых конфет­ ных масс), то ее необходимо учитывать в качестве сомножителя скорости или как самостоятельный показатель.

Таким образом, исследовательский стенд должен иметь на­ бор каналов (труб, насадок и т. д.) и лопастей различного раз­ мера; они должны быть легко заменяемыми, удобными для последующей очистки и мойки. Для создания движения необ­ ходим побудитель, в качестве которого используются роторные насосы, цилиндры с поршнем и др. Для измерения динамических факторов — сопротивления движению — применимы датчики и реологические приборы. Материал труб часто не влияет на сопротивление течению, так как к стенке прилипает тонкий слой мелкодисперсного вещества вследствие высокой адгезии: шеро­ ховатость и адгезионная активность материала обезличиваются. Исследования на промышленных установках производятся так же, как и на экспериментальных.

Для определения эпюр деформаций можно использовать от­ крытые лотки [132, 133 ], если перемещается жидкообразная система. Для твердообразных систем применяли разрезную по оси трубу, которую вставляли в точно пригнанную целую трубу [37]. Трубу устанавливают на стенд, заполняют продук­ том, снимают, засыпают с торца угольный порошок, прокачи­ вают продукт. Затем продукт в трубе замораживали и разрезали по оси, срезы фотографировали. Хорошие результаты по­ казал метод рентгеновского просвечивания. Для этого полиэти­ леновую трубу заполняют продуктом, снимают, в торец засы­ пают свинцовые опилки, устанавливают на стенд и включают насос. Кинетику развития деформаций можно наблюдать ви­ зуально и фотографировать с помощью рентгеновской установки.

Стенд для исследования процесса объемного дозирования, которое конструктивно оформляется проще весового и имеет высокую производительность, но практически не изучено, должен допускать изменения геометрических (форма сечения, размеры и объем), кинематических (скорость заполнения дозато­ ра) и динамических (реологические свойства, давление) фак­ торов [121]. Для изучения кинетики развития деформаций

145

несколько форм должны быть выполнены разъемными по оси. В них нагнетался продукт из цилиндра, где он уложен слоями: натуральный и подкрашенный, причем оба слоя имеют одинако­ вые величины реологических свойств. Давление измеряют тензо­ метрическими датчиками до входа в дозатор, на боковой поверх­ ности и в центре верхней крышки дозатора.

Стенд для изучения процесса истечения через отверстия и насадки [44] должен иметь побудитель движения, набор наса­ док и отверстий и датчиков давления. В качестве побудителя

Рис. 42. Экспериментальные стенды для исследования:

6 — крышка и чаша куттера; 7 — продукт.

движения рекомендуется использовать цилиндр с поршнем, который приводится в движение от грузов, электроили гидропривода (рис. 42, а). Давление фарша на входе в трубку опре­ деляется с помощью манометра на тензодатчиках; прибор уста­ новлен симметрично выходному отверстию на боковой поверх­ ности цилиндра.

Наряду с цилиндрическими трубками малого диаметра в промышленных аппаратах используют конические расходящие­ ся (угол конусности а < 0) и сходящиеся (а > 0) насадки, ко­ торые также должны входить в комплект экспериментального стенда.

146

полутор, вращающийся вокруг вертикальной оси. Различную скорость обтекания получали, перемещая прибор по радиусу чаши. В отличие от других устройств, где в основном использо­ вался тензометрический метод измерения усилий, здесь приме­ нили упругую балку равного сопротивления и деформацию прогиба измеряли индикатором часового типа. Прибор тари­ ровали в вертикальном положении с помощью грузов и бло­ ка [140].

При исследовании процессов истечения пищевых масс были использованы подобные стенды и приборы [81, 104] различных конструкций.

Тарировку и наладку экспериментальных стендов в ряде случаев целесообразно проводить на эталонном материале [42]. Пищевые массы являются ценными и дорогостоящими продуктами; их свойства сущест­ венно меняются во времени; при интенсивном механическом воздействии, например мятии в насосе, может происходить необратимое изменение рео­ логических свойств. Следовательно, использование натурального про­ дукта для отладки и тарировки испытательных стендов, отработки ме­ тодики экспериментов и получения первичных экспериментальных дан­ ных нецелесообразно. С учетом этого можно рекомендовать доступный материал с неизменными во времени величинами свойств. Этот материал должен иметь подобное изменение определяющих процесс параметров под воздействием аналогичных факторов при численном их соответствии параметрам натурального продукта. Материал и продукт должны иметь одинаковый или похожий тип структуры и подобие эпюр скоростей и де­ формаций в приборах при исследовании свойств, в рабочих органах стен­ дов при их тарировке и наладке. В последнем случае основные критерии гидродинамического подобия должны быть численно равны. Наконец, материал должен хорошо воспроизводить в последовательных измере­ ниях свои свойства, величину которых можно заранее задать путем изме­ нения компонентов в смеси.

В качестве такого материала, удовлетворяющего практически всем перечисленным требованиям, можно использовать пасту бентонитовой

связи с добавлением в пасту опилок, которые, набухая в процессе старе­ ния, способствуют менее резкому уменьшению величин свойств при уве­ личении влажности, были проведены обширные реологические исследова­ ния [42]. Свойства пасты стабилизируются на третьи сутки после изго­ товления и в дальнейшем не меняются. Н. Н. Серб-Сербина установила время стабилизации свойств для пасты без опилок — около суток.

На рис. 43 представлены реограммы пасты. По форме реограммы для пасты аналогичны реограммам для фарша. Меняя влажность и содержание опилок, можно получить систему с различными реологическими свойства­ ми (табл. 44). Кривизна реограмм, т. е. темп нарастания градиента скорости при увеличении напряжения сдвига при постоянной влажности определяется содержанием опилок; с увеличением его кривые становят­ ся более пологими. Увеличение влажности (см. табл. 43) вызывает су­ щественное уменьшение реологических характеристик в основном в ре­ зультате утолщения прослоек дисперсионной среды.

147

Т а б л и ц а 44

•П ервая цифра показывает содержание опилок (%); вторая — порядковый номер по влажности.

Графо-аналитическая обработка экспериментальных данных по рео­ логическим исследованиям глиняной пасты позволила найти обобщенные зависимости для расчета величин свойств:

0О= 2500 ехр [— (29 + ЮОс0) X ],

Р о т н = 1 + 0 , 7 3 3 (1 - Г ) .

Эти уравнения позволяют при известных реологических свойствах продукта определить соотношение компонентов в глиняной пасте, при ко­ тором ее свойства будут численно подобны свойствам натурального про-

148