Принципы инженерной реологии

Тема 6. Основы инженерной реологии

Инженерная реология является технической механикой реальных тел или дисперсных систем. Базируясь на классической реологии, она ставит задачи изучения свойств существующих продуктов, разработку методов расчета процессов течения их в рабочих органах машин и аппаратов и прогнозирования и контроля качества продукции в процессе их изготовления.

Инженерная реология пищевой промышленности - наука о приложении к расчётам и конструированию машин и аппаратов пищевой промышленности, управлению технологическими процессами переработки пищевых продуктов.

Инженерная реология даёт необходимые инженеру сведения из теоретической реологии, знакомит с результатами реологических испытаний пищевых материалов, методами расчёта пищевых машин и аппаратов с учётом реологических особенностей перерабатываемого ими продукта и предлагает принципы объективного приборного контроля качества продуктов и управления технологическими операциями и процессами.

В инженерной реологии пищевых производств можно условно выделить четыре части:

1) общая реология пищевых материалов (содержит основные сведения из общей теоретической реологии);

2) реометрия пищевых материалов (рассматривает экспериментальные методы и результаты измерения реологических свойств пищевых материалов, особенности их проявления при взаимодействии перерабатываемых продуктов с рабочими органами машин и каналов аппаратов);

3) реодинамика (посвящена расчётным моделям, дающим количественную теоретическую оценку результатов взаимодействия пищевых сред с рабочими органами машин и каналов аппаратов и позволяющим проводить необходимые технологические расчёты машин - производительность, потребляемая мощность и т. п.);

4) управляющая реология (реологические основы оптимизации, интенсификации, контроля и управления в пищевой промышленности).

Реализация поставленных перед инженерной реологией задач позволяет:

• стабилизировать качество и выход изделий;

• иметь готовые продукты постоянного, заранее заданного качества;

• научно обосновывать понятия существенных аспектов качества;

• рассчитывать, совершенствовать и интенсифицировать технологические процессы;

• использовать высокопроизводительное, непрерывно действующее автоматически управляемое оборудование;

• научно-обоснованно «конструировать» те или иные виды пищевых продуктов;

• расширять производство продуктов высокой степени готовности к употреблению и т.д.

Из сказанного выше, наряду с другими, можно выделить три основные задачи инженерной реологии:

• оценка качества;

• управление технологическими показателями структуры;

• расчет рабочих органов машин и аппаратов.

Общими для этих и других реологических задач будут следующие предпосылки. Любой процесс как непрерывную смену явлений во времени следует рассматривать не только комплексно, но и по наиболее характерным признакам. При этом описания явлений, которые выражают внешнюю форму внутренней природы материала, должны объективно отражать характерные внутренние связи. Для получения интегральных уравнений и выводов из них основываются на гипотезах, рассматривающих материал с макроскопической точки зрения в качестве сплошной деформируемой среды, с непрерывным распределением основных физических свойств и скоростей деформаций.

Для того чтобы объективно оценить качество изделий - в частности нежность, консистенцию и др. - определяют самые разнообразные механические характеристики: сопротивление резанию струной или лезвием, продавливаемость через отверстие, растяжимость, разжевываемостъ и т. п. Наиболее полное представление о качестве продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и определяется внутренним строением продукта. К одной из групп таких свойств, как показали исследования последних лет, могут быть отнесены реологические.

Примечательно, что характеристики сырых изделий предопределяют основные показатели готовых продуктов. Кроме того, небольшие изменения качественных характеристик должны вызывать существенные изменения числовых показателей величин свойств, которые регистрируются приборами. Оценка качества осуществляется либо путем приборного измерения структурно- механических характеристик сырых и готовых продуктов в определенных

физических величинах, либо путем сенсорной (органолептической) оценки, т. е.

субъективной оценки сопротивляемости деформации и консистенции продукта. Развитие квалиметрии и психореологии позволило обосновать показатели качества продуктов и разработать некоторые математические принципы построения обобщенных показателей качества.

При современном уровне развития науки и техники многие технологические процессы можно полностью механизировать и автоматизировать. Существует множество машин непрерывного действия: тесто- и фаршеприготовительные агрегаты, устройства для непрерывного смешивания и измельчения, весовые и объемные дозаторы, насосы для межоперационного транспортирования сырья, конвейеры и прочее. Эти устройства допускают компоновку их в непрерывную линию. Однако продукты одного вида даже не имеют постоянного химического состава и отличаются, хотя и незначительно, по механическим, физическим и химическим характеристикам. В процессе переработки продуктов необходимо непрерывно корректировать величины определяющих характеристик с тем, чтобы получить продукт заранее заданного высокого качества.

Управление технологическими показателями структуры может осуществляться самыми различными методами: путем внесения различных добавок, в том числе поверхностно-активных веществ, использованием специальных насадок для ориентации частиц и макромолекул, созданием различного напряженного состояния, варьированием интенсивностью и длительностью механического воздействия (вымешивания, измельчения) и др. При прочих равных условиях механическое воздействие и «отдых» после него очень часто завершают процесс формирования структуры.

Практически все механические процессы воздействия на дисперсные системы изменяют их технологические показатели, что графически представляется кривой с явно выраженным экстремумом (минимум или максимум). Экстремальному значению соответствуют наилучшие показатели сырья и готовых продуктов. При наличии датчиков и приборов с обратной связью к обрабатывающей машине или аппарату по этим экстремальным значениям можно регулировать процессы переработки. Датчики, кроме того, должны обеспечивать корректировку рецептуры (химического состава) обрабатываемого объекта. При изменении рецептуры, интенсивности или длительности механического воздействия структурно-механические характеристики дисперсных систем (предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость, липкость и др.) претерпевают существенные изменения. Автоматизация процессов обработки и управления качеством продуктов основывается на измерении и регулировании величин наиболее чувствительной структурно-механической характеристики при определенной рецептуре изделия.

Технологические машины различных конструкций, предназначенные для осуществления одного и того же процесса, различаются степенью воздействия на перерабатываемую массу, что приводит к получению промежуточных и конечных продуктов, обладающих неодинаковыми структурно-механическими характеристиками и структурой, и получению готовой продукции разного качества. Знания влияния отдельных машин на свойства полуфабрикатов позво­ляют выбирать наиболее целесообразные конструкции для выработки определенного продукта и подбирать оптимальные режимы его переработки.

При расчете рабочих органов машин структурно-механические характеристики определяют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформаций в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала и существенно зависят от формы и размеров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния окружающей среды, температуры, структуры и множества других факторов. Структурно-механические характеристики, измеренные на разных приборах, могут не иметь одинаковых значений. Поэтому при их использовании для расчета машин необходимо стремиться к тому, чтобы эпюры скоростей и деформаций были бы подобны и одинаковы по величине, это же относится и к величинам характеристик.

При известных характеристиках можно вычислить значения напряжений или деформаций и в итоге получить необходимые параметры процесса или аппарата, т.е. выполнить прочностные и технологические расчеты. При этом особое значение в расчетном аппарате реологии имеет вид интегрального уравнения, которое связывает между собой посредством постоянных величин - свойств - напряжения и деформации для каждого конкретного продукта. Выбор такого уравнения из множеств других обусловлен соответствием теоретической или эмпирической, дифференциальной или интегральной зависимости течения продукта реальной кривой течения, т.е. реальным условиям. Нередко ошибки при определении структурно-механических характеристик и их использовании для расчета заключаются в том, что для обобщения опытных данных принимают мо­дели, не соответствующие течению реального объекта. Здесь необходимо отметить, что для измерений следует использовать приборы, имеющие теоретическое обоснование. В паспорте серийно выпускаемых приборов обычно дают расчетные уравнения и константы течения для какой-либо одной жидкости. Если исследуемая жидкость относится к аномально вязкой системе, то эти уравнения и константы необходимо получить из соответствующих законов тече­ния. Поэтому все константы прибора, приведенные в паспорте, следует проверять, а приборы градуировать.

Следует отметить то, что разработанный математический аппарат реологии, как правило, достаточно адекватно описывает процессы деформирования и течения ньютоновских и ряда неньютоновских жидкостей при ламинарном или подобных ему режимах в каналах простейших геометрических форм. Теория перестает работать при изменении режима движения (турбулентный режим), для каналов сложной или неправильной геометрической формы, в широком диапазоне изменения определяющих процесс независимых переменных. Кроме того, большинство технологических сред пищевой промышленности представляют собой неньютоновские жидкости, аномально-вязкие тела. Для описания их поведения при воздействии внешних сил возникает необходимость определения поправочных коэффициентов к теоретическим уравнениям или установления эмпирических зависимостей на базе экспериментальных данных.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 893; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!