Реологические основы технологии

Для обеспечения соответствующего качества конечной продукции необходимо при проектировании установок для переработки пищевого сырья принимать во внимание целый ряд важных факторов. Одним из них, безусловно, является реологический аспект поведения сырья и продукции.

В частности, в молочной промышленности имеются продукты, приготавливаемые из сливок и сквашенного молока, характеристики которых могут оказаться в той или иной мере ухудшенными, если не будет в достаточной степени изучена текучесть указанных продуктов.

Основные понятия реологии

Реология – наука о деформации и течении различных тел, исследующая соотношения между действующим на тело напряжением и обусловленной этим действием деформацией. Термин происходит от греческого слова «rheos» – течение. Реология применима к веществам и материалам, находящимся в любом физическом состоянии – от газообразного до твердого.

Наука о реологии молодая – ей всего около 70 лет. Однако ее история является очень древней. В Книге судей в Ветхом Завете пророчица Девора провозглашает: «Горы текли перед Всевышним…» В переводе на язык реологии по профессору Рейнеру это выражение означает, что все способно к течению, если только вы готовы ждать этого достаточно долго, что в свою очередь, безусловно, применимо к реологии. То же было провозглашено и древнегреческим философом Гераклитом как panta rei» – все течет. Основателем же реологии как науки в середине 20-х годов начала века был профессор Рейнер вместе с профессором Бингамом

Реология находит свое применение в пищевой науке для определения консистенции различных продуктов. Реологически консистенция характеризуется двумя понятиями – вязкостью («густотой», отсутствием скольжения) и эластичностью («слипаемостью», структурообразованием). Поэтому на практике реология означает измерение вязкости, описание поведения потока и определение структуры материалов. Основные знания по этим вопросам необходимы в технологии получения пищевых продуктов с улучшенными качествами.

К основным реологическим свойствам материалов относятся: вязкость, упругость, пластичность и прочность.

Одним из характеристических показателей материала является его время релаксации, т.е время, необходимое для снятия внутренних напряжений в материалах и веществах за счет их текучести. Типовыми значениями этого времени для различных веществ являются:

Газы Жидкости Твердые вещества

 10-6 10-6 - 102  102

Секунд Секунд Секунд

Другой способ реологического описания материалов и веществ находит свое отражение в терминах «вязкий», «упругий» и «упруго-вязкий». Газы и жидкости обычно описываются как вязкие текучие среды. Идеальная вязкая текучая среда не способна запасать какую-либо энергию деформации. И потому эта среда при приложении к ней напряжений подвергается необратимым деформациям; она течет, а энергия деформации в этом случае рассеивается в виде теплоты, вызывая повышение температуры.

С другой стороны, твердые вещества в их нормальном состоянии описываются в качестве упругих тел. Идеальный упругий материал запасает всю энергию деформации с последующим полным выделением ее при снятии напряжений. В силу вышеизложенного, вязкую текучую среду можно охарактеризовать, скорее, как среду, которая сопротивляется деформационному действию, а не деформационному состоянию, в то время как упругий материал сопротивляется и деформационному действию, и состоянию, вызываемому этим действием.

Ряд материалов проявляет как вязкие, так и упругие свойства, т.е. они запасают некоторую часть энергии деформации в своей структуре при потере другой ее части за счет текучести. Эти материалы называются упруго-вязкими, и именно они широко распространены среди пищевых продуктов.

Сдвиг

В реологии сдвиг является ключом к пониманию структуры и процесса течения.

Виды сдвига (рис): при течении между параллельными плоскостями (а); ротационном течении между двумя коаксильными цилиндрами, когда один из них неподвижен, а другой вращается (б); телескопическом течении между капиллярами и трубками (в) и торсионном течении между параллельными пластинами (г).

а б в г

Под напряжением сдвига понимают сопротивление тела действию касательной составляющей приложенной силы. Напряжение сдвига равно отношению этой силы к поверхности сдвига. Минимальная сила, необходимая для осуществления сдвига (перемещение слоев на площади сдвига), определяется величиной предельного напряжения сдвига.

Напряжение сдвига определяют следующим образом:

_ух= F/A

F – сила, Н

А – площадь, м₂

Коэффициент сдвига имеет следующий вид:

Условная вязкость текучей среды имеет вид:

_ = /^.

Наиболее важной величиной, определяющей различное состояние вещества, является вязкость (внутреннее трение) – мера сопротивления течению, равная отношению напряжения сдвига к скорости сдвига. Величина, обратная вязкости, называется текучестью. Вязкость зависит от температуры, давления, влажности или жирности, концентрации, степени дисперсности и т.п.

Различают вязкость эффективную и пластическую.

Эффективная вязкость является величиной отношения напряжения сдвига к скорости сдвига. Пластическая вязкость характеризует тела, которые деформируются при напряжениях, превышающих некоторый предел (предельное напряжение).

Пластичность - способность тела к формоизменению или течению, вызываемым остаточными или необратимыми деформациями.

Прочность – способность тела сопротивляться формоизменению под действием внешних сил.

Упругие свойства определяются предельным напряжением сдвига и другими механическими характеристиками.

Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться под воздействием постоянной нагрузки.

Тиксотропия – способность некоторых дисперсных систем самопроизвольно восстанавливать структуру, разрушенную механическим воздействием.

Под адгезией понимают силу прилипания, которая возникает при контакте поверхностей различных по структуре материалов.

Ньютоновские текучие среды

Ньютоновские текучие среды имеют постоянную зависимость вязкости от температуры при независимости этой вязкости от коэффициента сдвига. Можно также сказать, что ньютоновские текучие среды имеют прямо пропорциональную зависимость между напряжением сдвига и коэффициентом сдвига в ламинарном потоке. Коэффициент пропорциональности при этом равняется вязкости вещества. Кривая текучести в координатах напряжения сдвига и коэффициента сдвига в этом случае является прямой линией с наклоном h. Кривая вязкости в координатах вязкости и коэффициента сдвига является прямой линией с константой равной h.

Ньютоновскую текучую среду можно поэтому определять по величине вязкости при заданной температуре. Вода, минеральные и растительные масла и растворы чистой сахарозы являются примерами ньютоновских текучих сред. Вообще же текучие среды с низкой концентрацией, такие как цельное и обезжиренное молоко, могут для практических целей считаться ньютоновскими текучими средами.

Неньютоновские текучие среды

Текучие среды которые не обладают постоянным значением вязкости при определенной температуре, называются неньютоновскими. Вязкость этих сред всегда указывается одновременно с соответствующими значениями таких факторов, как температура и коэффициент сдвига. При изменении коэффициента сдвига при постоянной температуре происходит изменение и вяз5ости. Высокая концентрация и низкая температура индуцируют или усиливают неньютоновский тип поведения текучей среды.

Помимо зависимости от коэффициента сдвига вязкость текучей среды может также завиеть и от времени. В этом случае она является функцией не только величины коэффициента сдвига, но и продолжительности, а также в большинстве случаев и частоты последовательных приложений сдвига. Стационарные неньютоновские текукчие среды могут быть разжижаемыми при сдвиге, загустевающими при сдвиге или пластичными. Нестационарные неньютоновские среды можно определить как типсотропные, реопектного или антитиксотропные.?????????????????

Реологические модели и уравнения

Точные математические закономерности получены только для ньютоновского течения. Для всех неньютоновских течений выведены лишь приближенные формулы.

Известны 3 промежуточные модели идеализированных материалов:

• идеальноупругое тело (по Гуку);

• идеальнопластическое тело (по Сен-Венану);

• идеальновязкая жидкость (по Ньютону).

Идеальноупругое тело является системой, в которой энергия, затраченная на деформацию, накапливается в теле и может быть возвращена при разгрузке.

Идеальнопластическое тело может быть представлено в виде элемента, лежащего на плоскости с постоянным по величине трением, не зависящим от нормальной силы. Тело по Сен-Венану не начнет двигаться до тех пор, пока напряжение сдвига не превысит некоторого критического значения – предельного напряжения, после чего элемент может двигаться с любой скоростью.

Идеальновязкая жидкость характеризуется тем, что в ней напряжения пропорциональны скорости деформации.

 =   

где  - коэффициент вязкости;  - скорость сдвига.

Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они ни были, однако скорость деформации при уменьшении сил снижается, а при их исчезновении обращается в нуль.

Модели состоят из двух элементов: пружины (тело по Гуку) и поршня (тело по Ньютону). Они могут быть скомбинированы параллельно или последовательно.

Наиболее сложные модели отражают следующие тела: упруго-пластическое, упруго-вязкое (по Максвеллу), вязко-упругое (по Кельвину), вязко-пластическое (по Шведову-Бингаму)