Скачать 1.46 Mb.
|
2.2 Классификация реометров При планировании и организации реометрических исследований большое значение имеет классификация приборов и методов исследований. М. Рейнер делит реометры на три типа:
Приборы для изучения реологических свойств по их физико-математической обоснованности можно подразделить на абсолютные, относительные и условные. На приборах первой группы получают значения исследуемых характеристик в абсолютных единицах. При работе на приборах второй группы осуществляют их предварительную тарировку на эталонных материалах, характеристики которых в условиях проведения опыта заведомо известны. В результате экспериментов получают относительные значения, которые с учетом тарировочных графиков легко пересчитываются в абсолютные. На приборах третьей группы получают некоторые условные величины, характерные для данного прибора. Эти условные характеристики могут быть использованы для сравнения различных масс, а также для изучения влияния на испытуемые материалы технологических и других факторов в процессе производства. Условные показатели имеют лишь качественный характер и не могут быть использованы для расчета машин и оборудования. Данные, полученные на приборах первых двух групп, являющихся теоретически обоснованными, могут быть применены, как для оценки качества пищевых продуктов, так и для расчета рабочих узлов машин и выбора оптимальных режимов их работы. Условия, при которых проводятся исследования на производстве, а также используемые методы и приборы определяются поставленной задачей. В соответствии с этим приборы, предназначенные для измерения СМС пищевых материалов, могут быть разделены на четыре группы:
При выборе метода исследования и приборов для определения реологических свойств какого-либо материала необходимо помнить об условиях, в которых последний находится в перерабатывающих машинах. В некоторых случаях измерение реологических параметров одного продукта различными методами дает неодинаковые результаты. Это объясняется тем, что каждый метод измерения характеризуется определенными геометрическими, кинематическими и динамическими параметрами прибора и условиями проведения опыта. Указанные параметры и условия обусловлены теоретическими положениями, при разработке которых всегда вводятся определенные допущения. При научно обоснованной методике эксперимента измеряемые величины должны иметь одинаковые значения независимо от способов измерения и конструкции прибора. 2.3 Приборы для измерения сдвиговых характеристик Сдвиговые свойства проявляются при касательном смещении слоев продукта. Приборы для измерения указанных свойств по принципу действия делятся на следующие группы: вискозиметры (ротационные; капиллярные; с падающим шариком); пенетрометры; приборы с плоскопараллельным смещением пластин. 2.3.1 Ротационные вискозиметры Ротационные вискозиметры широко применяются во многих отраслях пищевой промышленности в технологических лабораториях предприятий, в научно-исследовательских организациях. Вискозиметры служат для контроля качества исходного сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также для контроля технологических процессов. Идея ротационных вискозиметров заключается в том, что меру сопротивления сдвиговому течению можно определить, измеряя крутящий момент и угловую скорость при относительном вращении, например, коаксиальных (соосных) цилиндров, в зазоре между которыми находится вязкая жидкость. Схема ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами изображена на рис. 2.2, где для определенности внутренний цилиндр неподвижен, а наружный вращается с угловой скоростью ω. В вискозиметрах с вращающимися цилиндрами, в особенности при малом зазоре между ними, характер течения продукта близок к простому сдвигу, что упрощает обработку опытных данных. Диапазон материалов, свойства которых контролируются на ротационных вискозиметрах, достаточно широк: сиропы, молоко, молочные консервы, творожные массы, бражки, кремы, шоколад и конфетные массы при повышенной температуре, фарши и др. Рис. 2.2. Схема течения в ротационном вискозиметре с коаксиальными цилиндрами При коэффициент динамической вязкости определяется по формуле Маргулеса: , (2.1) где: RВ – радиус внутреннего цилиндра, м; RН – радиус внутреннего цилиндра, м; М – крутящий момент, приложенный к внешнему цилиндру, об/мин; ω – угловая скорость наружного цилиндра, рад–1; L – высота слоя между цилиндрами, м. При расчетная формула вискозиметра имеет вид: , (2.2) где: α – геометрический симплекс. . (2.3) Между формулами (2.1 и 2.2) существует следующая связь: . (2.4) По форме измерительных поверхностей различают ротационные приборы с системами: коаксиальные цилиндры, сферы или полусферы; два конуса, две плоскопараллельные пластины, два плоских кольца или два конических кольца; цилиндр – диск; цилиндр – полусфера; конус – диск; цилиндр – конус; цилиндр – конус – диск. Некоторые из них представлены на рис. 2.3. а) б) в) г) д) Рис. 2.3. Схемы измерительных поверхностей ротационных вискозиметров: а) коаксиальные цилиндры; б) две полусферы; в) два конуса, г) две плоскопараллельные пластины, д) два плоских кольца Форма воспринимающего органа (ротора) зависит от вида исследуемого материала (ньютоновский или неньютоновский) и диапазона измеряемых значений вязкости. Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили вискозиметры с коаксиально-цилиндрическими измерительными поверхностями. Известны два основных варианта прибора с коаксиальными цилиндрами. Первый из них заключается в следующем: испытуемое вещество помещается в наружный цилиндр, приводимый во вращательное равномерное движение, т.е. при постоянной скорости сдвига (), а крутящий момент на внутреннем цилиндре, переданный через испытуемый материал, замеряется по закручиванию упругого элемента, на котором подвешен этот цилиндр (вискозиметр Куэтта, Мак-Майкеля и др.). При втором варианте прибора: внешний цилиндр неподвижен, а внутренний цилиндр крепится на оси, установленной на шарикоподшипниках и приводится во вращение под действием постоянного крутящего момента (). Замеряется угловая скорость цилиндра ω, зависящая от вязкости жидкости (вискозиметр М.П. Воларовича). Таким образом, в приборах реализуются, соответственно, два метода исследования: а) метод постоянства скорости деформации = const (рис. 2.4,а); б) метод постоянства крутящего момента М = const (рис. 2.4,б). Очень эффективно сочетание обеих методов при реологических исследованиях. Сочетание методов целесообразно осуществлять так, чтобы вязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методом М = const, а процессы разрушения и режим установившегося течения – методом = const. Методика расчёта реологических характеристик имеет специфические особенности для каждой из двух основных областей состояния структуры продукта. В области неразрушенной структуры определяют модули упругости, наибольшую вязкость и характер развития деформаций. Измерения начинают после тиксотропного восстановления структуры. Величины деформаций отсчитывают по показаниям прибора. Опыт проводят при усилиях, меньших, чем предельное напряжение сдвига, с интервалом записи деформаций 10 – 20 с. При переходе к области лавинного разрушения структуры по кривой течения определяют статическое τС и динамическое θ0 предельное напряжения сдвига, пластическую вязкость ηПЛ и зависимость эффективной вязкости ηЭФ от градиента скорости или напряжения сдвига τ. Обсчёт результатов проводят по равновесной кривой течения, проходящей через все точки. Вращение ротора вызывает появление внутренних напряжений в продукте, который находится между ротором и стаканом. Эти касательные напряжения пропорциональны сдвигающим усилиям, поэтому графическую и математическую обработку опытов можно проводить в консистентных переменных (τ), или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта. Модули упругости при сдвиге G [Па], определяют используя закон Гука и графические зависимости относительной деформации ε от времени действия постоянного напряжения τ: , (2.5) где: τ – напряжение сдвига, Па; ε – относительная деформация продукта; ; (2.6) δ – отклонение стрелки прибора, м; ΔR – толщина слоя продукта между стаканом и ротором, м; l – длина стрелки, м; ε / τ – относительная деформация, приведённая к единице напряжения сдвига, 1/Па. Наибольшую эффективную вязкость [Па·с], соответствующую началу пластично-вязкого течения, находят по уравнению Ньютона: , (2.7) или , (2.8) где: Δt – интервал времени, с; Δε / Δt – скорость деформации для прямолинейного участка кривой или аппроксимированного к прямой криволинейного участка с небольшой выпуклостью. Расчёт ньютоновской и эффективной вязкости ηЭФ для любого напряжения можно проводить по формуле (2.8), но при большом количестве экспериментов удобнее пользоваться зависимостью, предложенной М.П. Воларовичем, при использовании вискозиметра, работающего по методу : , (2.9) где: К – постоянная прибора; N – частота вращения ротора вискозиметра, с–1; m – масса вращающих ротор грузов, кг (за вычетом величины, компенсирующей трение в подшипниках). Наиболее распространенным ротационным вискозиметром, работающим с использованием метода = const, является вискозиметр «Reotest» (Германия) и его модификации. Помимо основного набора цилиндрических измерительных элементов, этот прибор снабжен устройством типа конус – плоскость, предназначенным для измерения вязкости при повышенных скоростях сдвига для средне- и высоковязких продуктов. Угол между плоскостью и образующей конуса составляет 0,3о. Прибор позволяет измерять скорость сдвига от 0,56 до 4860 с–1, напряжение сдвига τ – от 40 до 2,2 · 105 Па. Величина измеряемой вязкости η находится в пределах от 8 до 40 · 107 МПа·с. Вискозиметр «Reotest» представлен на рис. 2.4. Внутри станины 1 прибора установлен синхронный электродвигатель, соединенный с 12-ступенчатой коробкой передач, которая позволяет изменять частоту вращения внутреннего цилиндра 2 от 0 до 1500 с–1. Крутящий момент от коробки передач передаётся ведущему валу 6 и далее через спиральную пружину 5 – ведомому валу 4, соединённому с внутренним цилиндром 2 муфтой. Наружный цилиндр 3 крепится к корпусу вискозиметра специальным зажимом. В приборе имеется термостатирующий сосуд. Величина крутящего момента отсчитывается по шкале прибора 8, а скорость сдвига – по указателю 9. Измеритель моментов торсионного типа с омическими датчиками работает на принципе превращения механических усилий в электрические импульсы. Показания прибора 8 прямо пропорциональны крутящему моменту, а также напряжению сдвига и вязкости исследуемого материала. Скорость вращения синхронного электродвигателя и, следовательно, внутреннего цилиндра 2, зависит от частоты тока в сети. Отклонения от нормальной частоты 50 Гц фиксируется прибором 7 и учитывается специальным расчетным коэффициентом. Пределы измерения вязкости: от 10–2 до 104 Па·с; скорости сдвига: от 0,1667 до 1,458·103 с–1; напряжения сдвига: от 12 до 3·103 Па; температуры: от – 30 до 150 оС. Погрешность измерений ±3% (по отношению к ньютоновским жидкостям). При кажущейся простоте в ротационной вискозиметрии существует ряд проблем. Это, прежде всего, различные эффекты, снижающие точность измерений, а именно:
|
Лабораторный практикум по микробиологии Е лабораторный практикум по микробиологии: Учебное пособие. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово,... | Учебно-методическое пособие Для студентов вузов Кемерово 2012 удк... Учеб метод пособие / авт сост. Г. П. Ковалева. Кемеровский технологический Институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2012. – 74... | ||
Учебное пособие Кемерово 2004 удк: Печатается по решению Редакционно-издательского... Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271400 «Технология продуктов детского и функционального питания» всех форм... | Учебное пособие по курсу «Управление качеством» (практикум) Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, разработано на основе государственных стандартов по специальностям... | ||
Сборник задач по высшей математике : учеб пособие / В. П. Минорский.... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | Учебное пособие Омск-2003 удк 5(075) ббк 20я73 Л 83 Сборник заданий по курсу “Концепции современного естествознания” : Учеб пособие Омск: Изд-во Омгту, 2003. 68с | ||
Екатериновская Мария Алексеевна Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | Аннотированный список книг по нанотехнологиям Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | ||
Общество семейных консультантов и психотерпевтов Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | Третьяков Ю, Гудилин Е. «Там, внизу, все еще много нанобума» Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | ||
Система подготовки аспирантов факультета наук о материалах мгу им. М. В. Ломоносова Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | Конспект лекций по философии Часть 1 Античная философия Новосибирск... Савостьянов А. Н. Конспект лекций по философии / Новосиб гос ун-т. Новосибирск, 2007. Ч. Античная философия. 68 с | ||
Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам | Учебное пособие Кемерово 2004 удк 637. 5 Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении естественно научных, общепрофессиональных... | ||
Список победителей и призеров заочного конкурса школьников «Шаг в... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | Практикум по финансовому менеджменту. Конспект лекций с задачами... Гончарук О. В., Кныш М. И., Шопенко Д. В. Управление финансами на предприятии Учебное пособие. Спб.: Дмитрий Буланин, 2006. – 450... |