Инженерная реология конспект лекций лабораторный практикум контрольные задания
Классификация реологических тел
Объектом исследований в пищевой реологии являются пищевые материалы. Проведём качественный предварительный анализ и группировку пищевых материалов. Если за основные простейшие (по агрегатному состоянию) материалы принять газы, жидкости и твердые тела, то подавляющее большинство пищевых материалов представляет собой, так называемые, дисперсные системы. Именно для последних особенно характерны существенные отклонения от классических законов деформации и течения.
Дисперсные системы состоят из двух или более компонентов или фаз. Обычно одну из фаз рассматривают как сплошную и называют дисперсионной средой, другую, несплошную – дисперсной фазой. Такое разделение является условным и более или менее очевидным в большинстве случаев. Формально, и в некоторой степени условно, дисперсные среды могут быть разделены на восемь типов:
1) двухфазные системы из твердой и газовой фаз;
2) двухфазные системы из твердой и жидкой фаз;
3) двухфазные системы из жидкой и газовой фаз;
4) двухфазные системы из двух твердых фаз;
5) двухфазные системы из двух жидких фаз;
6) двухфазные системы из двух газовых фаз;
7) трехфазные системы из твердой, жидкой и газовой фаз;
8) многофазные системы.
Пищевые продукты, включая сырьё и полуфабрикаты, в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами (таблица 1.1).
Наиболее сложными реологическими свойствами обладают высоко-коцентрированные дисперсные системы с пространственными структурами.
Если рассматривать классификацию дисперсных сред в более широком плане, как часть классификации состояний сред, с которыми приходится сталкиваться в пищевой промышленности, то в неё (в эту классификацию) необходимо включить представления о магнитных и электрических полях, потоках электромагнитных излучений, радиоактивном излучении, ультразвуке и т. п.
Макрореология рассматривает все материалы в том виде, в каком они предстают перед наблюдателем при поверхностном осмотре невооруженным глазом, т.е. как однородные и линейные структуры. Однако феноменологически однородными являются только чистые жидкости и совершенные кристаллы.
Микрореология рассматривает реологическое поведение двух – и многофазных систем в зависимости от реологических свойств их компонентов.
Т аблица 1.1. Классификация пищевых продуктов по реологическим свойствам
Дисперсная система
Продукт (в том числе сырье, полуфабрикат)
Типичные реологические свойства
Вода, спирт, масло
Ньютоновская вязкость
Расплавленные жиры (какао-масло), расплавленный сахар
Преимущественно ньютоновская вязкость
Истинный раствор
Солевые и сахарные растворы, экстракты, пиво, напитки
Белковые растворы, мутные фруктовые и ягодные соки
Ньютоновская вязкость, возможны вязкоупругость, тиксотропия
Суспензии (какао, фруктовые и овощные соки, супы), эмульсии (молоко, сливки, майонез)
Ньютоновская и неньютоновская вязкость, тиксотропия, вязкоупругость
Пастообразная
Фруктовое пюре (яблочный мусс), ореховый мусс, творог, фарш
Н еньютоновская вязкость, тиксотропия, реопексия, вязкоупругость
Масло, пенная масса, желе, тесто, йогурт, суп, паштет, картофельное пюре
Пластичная вязкость, обратимая и необратимая тиксотропия, упругость, вязкоупругость
Мякиш хлеба, вареная колбаса, вареный картофель
Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость
Свежие яблоки, груши, картофель, огурцы, мясо, хлебобулочные продукты длительного хранения, шоколад, конфеты
Упругость, пластичная вязкость, вязкоупругость
Карамель, зерно, ядра орехов, макаронные изделия, морковь
Упругость, твёрдость, высокая текучесть и прочность, хрупкость
Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет верно выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению.
Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчёта различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.
Классификация реологических тел, предложенная Горбатовым А.В. (таблица 1.2), по величине отношения предельного напряжения сдвига к их плотности и ускорению свободного падения [ θ 0 /( ρ ∙ g )], которое представляет собой меру способности вещества сохранять свою форму, представлена ниже.
Таблица 1.2 Классификация тел по физическим параметрам
Б.А. Николаев предложил обобщённую классификацию (от твёрдого до истинно-вязкого состояния) по величине механических свойств: модулей упругости, вязкости и др.. К первой группе относятся твёрдые и твёрдообразные тела (твёрдый жир, целые ткани мяса, сухари, печенье и пр.), ко второй – твёрдо-жидкие (мясной фарш, творог, студни, мучное тесто и пр.), к третьей – жидкообразные и жидкости (расплавленный жир, бульоны, молоко, мёд, вода и пр.).
Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения Гершеля – Балкли:
где: – коэффициент, пропорциональный вязкости при градиенте скорости, равном единице, Па·с n ;
n – индекс течения.
После проведения некоторых преобразований получим следующее выражение:
– эффективная вязкость при градиенте скорости, равном единице, Па·с;
– безразмерный градиент скорости;
m – темп разрушения структуры, индекс течения.
При таком способе классификации строятся зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости (кривые течения) и между эффективной вязкостью и градиентом скорости сдвига (см. раздел 1.3). По характеру полученных кривых выделяют семь видов тел:
упругое тело Гука;
пластичное тело Сен-Венана;
пластично-вязкое тело Шведова-Бингама;
истинно-вязкое тело Ньютона;
идеальная жидкость (Паскалевская).
Перечисленные выше системы не меняют своих свойств во времени.
Выделяют ещё группу систем с переменными во времени свойствами: тиксотропные , у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость уменьшаются во время механического воздействия, и реопексные , у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость увеличиваются со временем в случае воздействия на систему касательных напряжений при постоянном градиенте скорости сдвига.
П.А. Ребиндер и Н.В. Михайлов предложили разделять реологические тела на жидкообразные и твёрдообразные в зависимости от характера кривой η ЭФ ( τ ) (рис. 1.3) и от периода релаксации (период релаксации – время, в течении которого напряжения в нагруженном теле уменьшается в е = 2,7 раз). К жидкообразным телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига ( θ 0 СТ = 0), т.е. такие системы текут при приложении сколь угодно малого внешнего воздействия.
К твёрдообразным относятся упруго-пластичные и другие тела, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры в установившемся потоке. В общем виде кривая течения имеет S-образный характер и отсекает на оси абсцисс отрезок, в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают только упругие или эластичные деформации.
Важнейшими сдвиговыми свойствами структурированных систем являются пластическая η ПЛ и эффективная вязкость η ЭФ ( τ ) и период релаксации τ Р ( τ ); наибольшая вязкость ( η 0 ) неразрушенной структуры при «скольжении» мест контакта и вязкость предельно разрушенной структуры ( η m ); модули упругости сдвига ( G ); пределы текучести условно-статический ( τ СТ ) и динамический – предельное напряжение сдвига ( θ 0 ); прочность структуры при упруго-хрупком или эластичном разрыве ( τ m ) и при эластично-вязком разрушении ( τ r ). Эти характеристики показаны на рис. 1.3. Кроме перечисленных выше характеристик на кривой можно выделить следующие зоны: 0 A – зона упругих деформаций; АВ – зона начала течения с наибольшей эффективной и пластической вязкостью; ВС – начало зоны лавинообразного разрушения структуры; С D – зона лавинообразного разрушения структуры (течение с наименьшей пластической вязкостью); Е и выше – зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью предельно разрушенной структуры.
Кривые течения, как инструмент для описания реологических свойств материалов
Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается в построении кривых кинетики деформации ( кривых течения ). По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия; вязкость релаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучести и прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так как зависит от механического режима деформирования. Перечисленные константы позволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полно охарактеризовать его структурно-механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых масс, т.е. при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения.
Кривые течения (рис. 1.4) графически изображают законы поведения различных материалов, т.е. зависимости вида:
Рис. 1.4. Кривые течения:
1 – ньютоновская жидкость; 2 – дилатантная жидкость;
3 – структурно-вязкая жидкость; 4 – нелинейное пластичное тело;
5 – линейное пластичное тело
Кривые течения (реограммы) ньютоновских жидкостей представляют собой прямую линию 1 , проходящую через начало координат. Все кривые течения ( 2 – 5 ), которые отклоняются от прямой линии, называют неньютоновскими жидкостями. При этом кривая 2 характеризует дилатантное течение, характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», т.е. происходит повышение вязкости; кривая 3 описывает псевдопластическое течение, что характерно для «сдвигового размягчения» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации; кривая 4 показывает нелинейное пластическое течение, характерное для большинства пластичных тел после достижения предельного напряжения сдвига θ 0 . Линейная зависимость 5 характерна для бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению, после достижения предельного напряжения сдвига θ 0 .
Тиксотропным системам присуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а также непрерывное её разрушение (до определённого предела) при деформировании (рис. 1.5, а ). Реопексные системы способны структурироваться, т.е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости (рис. 1.5, б ).
Рис. 1.5. Кривые течения характеризующие:
а ) тиксотропные системы; б ) реопексные системы
Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса (рис. 1.5) при нагрузке и разгрузке. Площадь реограммы между кривой и осью ординат представляет собой (в соответствующем масштабе) удельную мощность (на единицу объёма в Вт/м 3 ). Она складывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этом же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса, характеризуют степень приближения структуры к равновесному состоянию.
Во многих процессах продукт подвергается интенсивным механическим воздействиям (в насосах, мешалках и т.д.), т.е. его структура достигает частичного или практически предельного разрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований для практических расчетов следует хотя бы приближенно выбрать ту кривую течения, которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим при расчете различных процессов необходимо использовать характеристики, определенные в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественную оценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данного процесса характеристикам.
Механическое моделирование реологического
поведения пищевых материалов
В реологии различают два взаимоисключающих понятия: «твёрдое идеально-упругое тело» и «невязкая жидкость». Под первым понимается такое тело, равновесные форма и напряжение которого достигаются мгновенно. Жидкость называется невязкой, т.е. если жидкость не способна создавать и поддерживать напряжения сдвига. Между предельными состояниями тел – удеальноупругими твёрдыми телами и невязкими жидкостями – в природе существует огромное многообразие тел промежуточного характера.
Рассмотрим основные модели, которые могут встретиться при изучении реологических свойств пищевых масс. При этом необходимо указать, что точные математические закономерности получены только для ньютоновских жидкостей, для всех неньютоновских течений получены только приближённые формулы.
Известны три промежуточные модели идеализированных материалов (таблица 1.3): идеально-упругое тело (Гука); идеально-вязкая жидкость (Ньютона); идеально-пластичное тело (Сен-Венана).
Идеально-упругое тело Гука . В идеально-упругом теле (модель – пружина) энергия, затраченная на деформацию, накапливается и может быть возвращена при разгрузке. Закон Гука описывает поведение кристаллических и аморфных твёрдых тел при малых деформациях, а также жидкостей при изотропном расширении – сжатии.
Идеально-вязкая жидкость Ньютона . Идеально-вязкая жидкость характеризуется тем, что в ней напряжения пропорциональны скорости деформации. Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они не были; однако скорость деформации снижается при уменьшении сил, а при их исчезновении обращается в ноль. Для таких жидкостей вязкость, являющаяся константой, пропорциональна напряжению сдвига.
Таблица 1.3. Реологические модели простых идеализированных тел
Источник
Реология сырья и продуктов питания
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Февраля 2013 в 20:15, реферат
Краткое описание
Вопрос №7
Классификация реологических тел.
Вопрос №20
Принцип капиллярной вискозиметрии
Вопрос № 41
Сдвигометр конструкции КемТИППа
Прикрепленные файлы: 1 файл
Реология сырья и продуктов питания.docx
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Южно-Уральский государственный университет»
Факультет пищевых технологий
По дисциплине: Реология сырья и продуктов питания
Проверил: Толмачёва Т.А
Выполнил: Верченова Е.В
Студент группы ПТ- 495
Задание 1- Ответы на вопросы
Классификация реологических тел
Классификация реологических тел на основе структурно механических свойств. Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявляется на основе предварительных экспериментов, позволяет верно, выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению. Феноменологический способ классификации на основе математических моделей полагает, что если взять упругое и истинно вязкое тело в качестве крайних, то все остальные тела, будут располагаться между ними.
Предложена простая классификация реальных тел по величине отношения Q/pg, показывающего меру способности вещества сохранять свою форму (р — плотность продукта, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, 9,8 м/с2).
Мера способности вещества сохранять свою форму
Q/pg, м= Менее 0,005 Структурные жидкости;
0,005-0,02 Жидкие пасты;
0,02-0,15 Густые пасты;
Более 0,15 Твердые тела.
Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения:
Q = Qo + В1*еn или Q — Qo = B1*e»
Где: B1 — коэффициент, пропорциональный эффективной вязкости (Па*с’)
при единичном значении градиента скорости е=1,1/с; n — индекс течения, характеризующий угол наклона линии.
Реологические тела делят на жидкообразные и твердообразные зависимости от характера кривой и периода релаксации. К жидкообразные телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, и имеющие статического предельного напряжения сдвига (ПНС), т.е. Qocт = 0: к твердообразным — упруго-пластичные, условно-пластичные и другие тела, обладающие’ статическим и динамическим ПНС. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установленном потоке.
Принцип капиллярной вискозиметрии
Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.
Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:
Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,
R – радиус капилляра вискозиметра, м
L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м
η – вязкость жидкости, Па•с,
р — разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости нопределённой кинетической энергии. Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:
где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.
Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L’:
n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.
Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высококтемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.
Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.
Сдвигометр конструкции КемТИППа
В лаборатории «Прикладной механики» КемТИППа разработана конструкция сдвигометра для определения предельного напряжения сдвига твердых и мягких сыров СР –1. Отличительной особенностью данного сдвигометра является наличие внутри измерительного цилиндра 4 сверла 2, размещенного на стержне 3, выполненного в виде четырех винтовых лопастей расположенных через 90о по окружности, и снабженного коническим наконечником 1 с винтовой нарезкой, которая позволяет более точно установить прибор в вертикальном положении относительно материала за счет того, что форма резцов 2 (угол конуса) точно соответствует углу фаски нижнего торца цилиндра. Причем диаметр сверла гарантированно меньше диаметра впадин измерительного цилиндра. Для автоматической фиксации данных измерения устройство имеет тормоз, выполненный в виде фрикционной обгонной муфты, что повышает точность измерений.
Задание 2- построение графика кривой течения
Источник
