Основы методики расчета реологических характеристик, полученных на ротационных вискозиметрах

Задачи реологии

Реология - наука о деформации и течении различных тел, она изучает способы определения структурно-механических свойств сырья, полуфабрикатов и функциональных продуктов, приборы для регулирования технологических процессов и контроля качества на всех стадиях производства.

При помощи инженерной реологии, на основе биохимических, биофизических, физико-химических и органолептических показателей, решают следующие задачи:

- глубокое изучение сущности процессов, участвующих в структурообразовании функциональных продуктов;

- определение нормативных структурно-механических свойств, характеризующих качество изделий, для их использования в технологической документации;

- получение необходимых данных для расчета и создания специализированного технологического оборудования.

Реология включает два раздела: первый посвящен изучению реологических или в более общем смысле структурно-механических свойств реальных тел, второй рассматривает движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.[5, 6c]

Объекты исследований пищевой реологии

Объектом исследования в пищевой реологии являются пищевые материалы.

Для проведения реологических исследований свойства тел выражают в виде математических (идеализированных) моделей или уравнений, которые с той или иной степенью точности характеризуют поведение реального тела в процессе деформирования. Недостаток теоретической реологии заключается в том, что простые и понятные модели не пригодны для практического использования, а приемлемые для практики модели – чрезвычайно сложны. Это положение относится к белковым пищевым продуктам, которые имеют сложное физико-химическое строение и чувствительны к изменению внешних факторов. Для точного описания процессов течения и деформирования этих продуктов необходимы составные комплексные модели теоретической реологии и соответствующие дифференциальные уравнения, что неприемлемо для практических целей. Поэтому приходится находить приближенные решения на основе различных гипотез и соображений. В инженерной реологии обычно ориентируются на отыскание возможно простых зависимостей, так как для практики требуются только некоторые средние, суммарные характеристики. С этой целью в теоретических и экспериментальных исследованиях используются различные реологические методы: дифференциальный и интегральный, методы анализа закономерностей и подобия. Разработка и проведение экспериментов, и их обобщение в таком направлении позволяют получить физически обоснованные решения, применимые для практических целей.[5, 12c]

Основы методики расчета реологических характеристик, полученных на ротационных вискозиметрах

Вискозиметрия основывается на двух экспериментальных принципах: измеряется сопротивление движению, обусловленное вязкостью среды, либо при протекании исследуемого вещества в канале той или иной геометрической формы, либо при движении твердого тела в среде, вязкость которой определяют наиболее распространены капиллярная, ротационная, вибрационная вискозиметрия, метод падающего шарика, пенетрация и пластометрия.

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.

В ротационной вискозиметрии измеряют крутящий момент М и угловую скорость вращения В одном из основных вариантов метода слой исследуемой жидкости высотой Н находится между двумя коаксиальными цилиндрами с внутренними радиусами R_i и R_о (R_i < R_o) которые вращаются один относительно другого. Вязкость вычисляется по формуле Маргулеса:

,

где =R₀ /R_i.

Обычно зазор между цилиндрами мал [(R₀ — R_i)/R₀ 1], что обеспечивает однородность условий деформирования в исследуемом образце. В этом основное преимущество ротационной вискозиметрии перед капиллярной, поскольку в капилляре неизбежно распределение скоростей и напряжений по радиусу канала. Если наружный цилиндр отсутствует ,вязкость вычисляют по формуле:

.

Образец можно помещать также между конусом и плоскостью, между двумя конусами или сферами. Для ньютоновских жидкостей = const. При расчете вводят всевозможные поправки, в первую очередь на краевые эффекты.

Таким образом, в приборах реализуются два метода исследования:

- метод постоянства скорости деформации;

- метод постоянства крутящегося момента.

При реологических исследованиях эффективно сочетание обеих методов. Сочетание методов целесообразно осуществлять таким образом, чтобы вязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методом постоянства крутящегося момента, а процессы разрушения и режим установившегося течения – методом постоянства скорости деформации.

Методика расчета 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 статистическое и динамическое предельное напряжение сдвига, пластическую вязкость и зависимость эффективной вязкости от градиента скорости или напряжения сдвига. Обсчет 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, или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта.[4, 51c]