Реология: концепции, методы, приложения

1.Понятие  о реологии и деформации. Виды  деформации.

Реология — это наука о деформации и течении тел. Слово «реология» от греческого «рео», что означает течение.

Деформация  характеризует изменение относительного расстояния между двумя произвольно  выбранными точками тела. В отношении  твердых тел деформация приводит к изменению формы или размера  тела целиком или его части, а  в отношении структура равных пищевых масс — к течению (тесто, мука, сгущенное молоко, майонез  и т.д.) или даже к их разрыву (конфеты, хлеб и т.д.).

Значительная часть процессов  в пищевой технологии связана  с переработкой структурированных  дисперсных систем. Реологические исследования позволяют решать многие инженерные проблемы и совершенствовать технологические  процессы.

По реологическим  свойствам и параметрам их определяющим все пищевые массы можно разделить  на сыпучие (мука, сахар, сухие дрожжи, порошки детского питания, диетического назначения и др.) и упруго-вязко-пластические (главным образом тесто, кондитерские массы и др.).

Деформация — изменение формы и размера тела под действием внешней силы.

Виды деформаций. При приложении к материалу внешней  нагрузки он подвергается воздействию, которое выражается в изменении  его размеров и формы. Эти изменения  материала принято называть деформацией. В зависи-мости от приложения нагрузки деформации принципиально разделяются на два вида: первые - деформации объемного (линейного) растяжения-сжатия и вторые - деформации сдвига. При первой изменяется только объем (линейный размер) материала, а его форма не претерпевает заметных изменений. При деформации сдвига изменяется форма материала, а объем его остается прежним. Между этими видами деформаций существует тесная взаимосвязь, определяемая коэффициентом Пуансона. Способность деформироваться под действием внешних сил - основное свойство материалов всех реальных тел.

Деформация - это изменение формы или линейных размеров тела под действием внешних  сил, при изменении влажности, температуры  и пр., при котором частицы или  молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела.

В зависимости  от вида деформации тела они разделяются  на объемные, линейные (нормальные) и сдвиговые. Изменения линейных размеров тела принято выражать в относительных единицах деформации.

 

 

 

2.Классификация пищевых масс  по их реологическим свойствам  и особенности сыпучих пищевых  масс.

Сыпучие пищевые массы характеризуются адгезией отдельных частиц и массы частиц.

Рисунок  1 - Адгезия и трение (а), аутогезия и (б), отдельных частей

 

Адгезия и аутогезия отдельных частиц определяется силой F_ад и F_аут соответственно; для сыпучего материала адгезия возникает при контакте частиц с поверхностью, линия АА (рисунок 4) и характеризуется величиной F^N_ад. Аутогезия между частицами измеряется величиной F^N_аут и соответствует линии ББ этого же рисунка.

Связь между  адгезией отдельных частиц F_ад и адгезией слоя частиц F^N_ад определяется соотношением

F^N_ад = F_ад ^. N ,                                        

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта, обычно в расчете на 1 м².

Если F_ад характеризует силу адгезии двух частиц, то F^N_ад — силу в расчете на единицу поверхности; ее можно назвать давлением или напряжением, характеризующим адгезию. Так, адгезия муки высшего сорта при влажности 12,4% к стальной поверхности может составлять 5,5 ^. 10³ Па.

Аутогезия частиц сыпучего материала связана с аутогезией пары частиц следующим соотношением:

F^N_аут = F_аут ^. N ,                         

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта или удельное число контактов.

Число контактов зависит от структуры  сыпучего материала, размеров частиц и  плотности их упаковки. Аутогезия обусловлена двумя причинами: первая из них определяется природой контактирующих тел, а вторая — вызвана положением частиц в сыпучем материале.

Взаимное  перемещение частиц сыпучего материала  и его течение определяется не только адгезией и аутогезией, но и трением. Трением называют взаимодействие, которое возникает в местах контакта поверхностей и препятствует их относительному перемещению. Трение и адгезия, а также аутогезия вызваны одними и теми же причинами, т.е. контактным взаимодействием между телами; в данном случае частицы — твердая поверхность и частицы — частицы. Направление силы трения и сил адгезии и аутогезии не совпадают. При адгезии и аутогезии они действуют перпендикулярно к поверхности контакта, а в случае трения — тангенциально.

 

3. Относительные методы определения  реологических параметров сыпучих  и упруго-вязко-пластичных пищевых  масс.

 

Существует  ряд приборов, которые позволяют  определить не связанные с прямыми  реологическими параметрами усилие на разрыв или раздел на части (обычно на две) образца одной и той  же массы или размера.

Принцип действия некоторых технологических  приборов заключается в измерении  сопротивления движению в пищевой  массе лопаток, крыльчаток, пластин  и других предметов.

Определение реологических параметров может  быть проведено с использованием методов, основанных на различных соотношениях между измеряемыми в опыте  величинами и реологическими константами  системы. Напомним, что к числу  этих параметров относятся вязкость (h) деформация  (g) и скорость деформации ( ) в зависимости от величины внешнего воздействия (напряжения s или силы Р).

Перечислим  основные методы:

• вискозиметрия, для определения вязкости h в широком диапазоне от 10^-3 (для воды) до 10¹² Па×с в отношении структурированных пищевых масс;
• сдигометры и пластометры, позволяющие определить напряжение сдвига (s) и его предельные значения;
• растяжение – сжатие, позволяющие связать деформацию (g) и скорость деформации ( )с величиной внешнего воздействия;
• технологические приборы, позволяющие измерять параметры, которые зависят от вязкости структурированных пищевых масс.

Последний можно отнести к относительным методам.

Вискозиметрией называют совокупность методов измерения вязкости  жидкости, а также структурированных систем, к которым относятся пищевые массы. Приборы, используемые в вискозиметрии, называют вискозиметрами. Классификация методов вискозиметрии основана на геометрических особенностях течения тел (чаще ламинарного), создаваемого для измерения вязкости.

В капиллярном вискозиметре определяется время истечения определённого объёма V вещества через калиброванный капилляр под действием постоянного давления Р. Вязкость определяется по формуле Пуазейля:

h=(pr⁴r)/(8lV),                                    

где r – радиус, l – длина капилляра.

Формула Пуазейля справедлива для установившегося потока в капилляре неограниченной длины. В связи с этим вводятся поправки, учитывающие особенности конкретного прибора.

У капиллярных вискозиметров, используемых для высоковязких пище-

вых масс, осуществляется выдавливание этих масс поршнем через капиллярную трубку.

В ротационном вискозиметре исследуемое  вещество, пищевая масса (ПМ), помещают между двумя коаксиальными цилиндрами или сферами или между плоскостью и конусом. Одна из поверхностей ведомая, а другая ведущая вращается с частотой n. Крутящий момент М передается через структурированную систему (ПМ) с ведущей на ведомую поверхность, которая затем приводится в движение. Вязкость рассчитывается по формуле:

h=С×М/n,                

Рисунок 9 - Упрощенные схемы  вискозиметров: а – капиллярный (1 – капилляр); б - ротационный, ведомый (2) и ведущий (3) цилиндры; в – с  падающим шариком (4); д – вибрационный, вибратор (5), направление скорости первичных (6) и затухающих (7) колебаний, твердоё тело (8). ПМ – пищевая масса.

 

где С – константа прибора, учитывающая геометрические размеры и особенности данного вискозиметра.

В методе падающего шарика измеряют скорость V установившегося движения шарика в исследуемой среде (ПМ) под действием силы Р Вязкость рассчитывают по формуле:

h = К(r - r₀)/ V ,        

где r - плотность материала шарика; r₀ – плотность испытуемого вещества (ПМ); К – константа прибора.

Вибрационные методы основаны на измерении сопротивления периодическим колебаниям, создаваемых вибратором. Причем колебания фиксируются по скорости распространения , по скорости  затухания , или колебаний выведённого из равновесия твердого тела . Это тело закреплено на упругом подвесе и помещено в исследуемую среду (ПМ). Способы расчета вязкости h зависят от конкретной геометрической схемы прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

1. 3имон А.Д., Евтушенко А.М. Реология сырья, полуфабрикатов и заготовок изделий хлебопекарных, кондитерских и макаронных продуктов. Учебное пособие. Часть I «Реология сыпучих пищевых масс» / М.: МГТА Ротапринт. 2004.
2. Конотоп Н.С., Поснова Г.В. Физико-химические основы технологии кондитерских изделий / М.: МГУТУ, 2012.
3. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / СПб.: Профессия. 2007.