Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Введение в реодинамику процессов переработки пищевых масс
1. Место реодинамики процессов переработки пищевых масс в хрогологии механики стр. 14
2. От терминов и реодинамики к обоснованию понятия имитационной реометрии. стр. 20
3. Элементы теории распознавания образов, рациональной и физико-химической механики в основе представления о приборно-инвариантной и неинвариантной реометрии . стр. 35
ГЛАВА II. Реологические модели пищевых масс в процессах их переработки
4. Новая графическая модель пищевых масс для психореологического определения их вязкости стр. 46
5. Математические модели реологических свойств пищевых масс стр. ?2
6. Качественные связи между параметрами процессов переработки и консистенции пищевых масс стр. 89
7. Усовершенствованная классификация символьных формул, механических и математических моделей сплошных сред стр. 100
ГЛАВА III. Имитационная и приборно-жнвариантная реометрия пищевых масс
8. Новая классификация реометров на основе положения о щжборно-инвариантной и имитационной реометрии стр. 107
9. Примеры приборно-инвариантной вискозиметрии с оценками ошибок при приближенном определении скоростей сдвига стр.129
10. Новая программа подбора вида математической модели реометрируемой среды стр. 140
11. Решение основной задачж приборно-инвариантой реометриж пищевых масс на примере конического пластометра стр. 150
ГЛАВА IV. Использование данных приборно-инваржантной реометриж в реодинамике переработки пищевых масс
12. Постановка задач расчета процессов переработки пищевых масс стр. 166
13. Вариационный и графо-аналитический способы определеїшя скоростей и расходов.. стр. 187
14. Новое обобщение метода Хедстрема расчета процесса течения в трубах стр. :211
15. Примеры аналитических ж численных, решений инженерных задач реодинашки каналов с подвижными стенками стр. 224
16. Развитие оптимизационной задачи Горбатова-Данченко... 232
17. Реодинамика червячных экструдеров. стр. 237
18. Реодинамика валковых экструдеров стр. 254
ГЛАВА V. Экспериментальная приборно-инвариантная и имитационная реометрия пищевых масс в процессах их переработки
19. Капиллярная жмжтацжонная реометрия ж приборно-инвариантная пластометржя конфетных масс типа пралине стр. ;265
20. Реометрия конфетных масс типа пралине в процессе всестороннего сжатия стр. 283
21. Сдвиговая реометрия конфетных масс типа нуги стр. 291
22. Вязкоупругость нуги в процессе всестороннего сжатия и микрофотографическое изучение структуры нуги стр.301
23. Реометрия меланжа, белка и желтка при сдвиговом течении стр.312
24. Имжтационная реометржя казеина стр.322
25. Оценка инвариантности данных методом сравнительной реометрии на примере испытаний пшеничного теста стр.327
26. Имитационная реометрия некоторых формующих процессов пищевой промышленности стр. 333
27. Экспериментальные исследования расходно-напорных и мощностных характеристик червячных прессов в процессе переработки пралине стр. 348
28. Оценка инвариантности данных ротационной вискозиметрии по реодинамическому критерию на примере процесса гранулирования казеина стр.365
29. Практическое использование некоторых результатов исследований стр. 370
Заключение стр. 373
Список использованной литературы стр. 383
Список печатных работ, в которых отражены основное содержание, результаты, выводы и рекомендации диссертации..стр. 411
Приложения стр. 418
- Элементы теории распознавания образов, рациональной и физико-химической механики в основе представления о приборно-инвариантной и неинвариантной реометрии
- Качественные связи между параметрами процессов переработки и консистенции пищевых масс
- Примеры приборно-инвариантной вискозиметрии с оценками ошибок при приближенном определении скоростей сдвига
- Примеры аналитических ж численных, решений инженерных задач реодинашки каналов с подвижными стенками
Введение к работе
Актуальность темы заключается в её направленности на решение задач, поставленных в важнейших директивных партийных документах;, научной новизной и практической ценностью работы; тем, что работа является составной частью крупных долгосрочных комплексных планов исследований АН СССР и Минвуза СССР; и, наконец, признанием актуальности темы при публичных апробациях, в том числе, на ряде всесоюзных конференциях.
Основные направления экономического и социального развития ; СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года [148] предусматривают, в раду важнейших задач технических наук, сосредоточить усилия на решении проблемы, "...создания химико-технологических процессов получения новых веществ и материалов с заданными свойствами, научных основ технологий комплексного использования сырья и побочных продуктов..."
Утвержденная на майском 1982 года пленуме ЦК КПСС и реализуемая в настоящее время продовольственная программа, в которой Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по линии пищевой секции научно-технического совета Минвуза РСФСР является координатором научно-исследовательских работ вузов РСФСР по Сибири и Дальнему Востоку, а также комплексная экономическая программа "Сибирь" освоения новых развивающихся восточных районов страны предусматривают по развитию пищевой промышленности широкий фронт работ, в том числе, улучшение подготовки инженерных и научных кадров, расширение и более рациональное использование местных пищевых ресурсов Сибири, создание обогащенной пищи и разработка новых видов продуктов с учетом климатических особенностей, улучшение условий сохранения и транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.
Названные .директивные документы и крупные социально-экономические программы были приняты за общую основу при окончательном формулировании темы работы, определении её целей и задач, при выборе объектов для практического приложения результатов исследований. Это, в части улучшения подготовки инженерных кадров - внедрение впервые в отечественных вузах в учебный процесс КемТЙПП но-? вого курса инженерной реологии пищевых производств с созданием соответствующей учебной документации, пособий, лабораторий. В части использования местных ресурсов, создания малоотходных технологий и новых продуктов - исследования, связанные с принципиально новым, более рациональным способом рушки и разделения ядер и скорлупы кедрового ореха, а затем использование ядер в производстве новых сортов кондитерских изделии; совершенствование производства казеина с последующим использованием его для производства искусственной белковой икры; разработка нового способа сушки меланжа, улучшающего качество и снижающего потери. В части совершенствования машин и приборов контроля - разработан ряд формующих машин и модернизированы существующие для формования высоковязких кондитерских масс пралине и нуги, макаронного теста и для гранулирования казеина; разработаны новые приборы для исследований структурно-механических свойств пищевых продуктов. На новые процессы, устройства и приборы, получены авторские свидетельства,подтверждающие их новизну.
Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное обоснование и практическое использование совокупности положений новой системы, приборно-инвариантной, -неинвариантной и имитационной реометрии пищевых масс в процессах их переработки для оптимизации и более обоснованной разработки режимов и машино-аппаратур-нргооформления этих процессов, получения ряда новых практических \ результатов, представляющих интерес для Сибири (местные пищевые ресурсы, регионально ориентированные новые вида продуктов, улуч-/ шение хранения и транспортирования продуктов в особых условиях), а также улучшение подготовки инженерных и научных кадров в части физико-химической механики пищевых продуктов, что всё в целом имеет большое народнохозяйственное значение.
Задачи и подзадачи, которые необходимо было решить для і
достижения названной цели, можно разбить на 4 главные задачи:
1. Теоретическая разработка и экспериментальная проверка положений о приборно-инвариантной, приборно-неинвариантной и имитационной реометрии в процессах переработки пищевых масс.
2. Проработка совокупности подзадач реодинамики процессов переработки пищевых масс, позволящая использовать результаты. приборно-инвариантной реометрии.
3. Решение совокупности практических задач методами прибор-/ но-инвариантной и имитационной реометрии.
4. Разработка учебного пособия для студентов и инженеров, в котором систематически изложены положения новой системы реометрии и примеры её использования в реодинамических инженерных расчетах процессов переработки пищевых масс.
Методы, специальных исследований, базирующиеся на общей методологической философской основе диалектического и исторического материализма и научного коммунизма, можно представить в виде 5 групп:
I. Методы, математического моделирования процессов переработки пищевых масс, где использовались аналитические и численные методы решения краевых задач в частных производных с привлечением ЭЦЕМ, элементы, теории распознавания образцов, ;штнрова-нж экспериментов, вариационного исчисления, теории интегральных уравнений, графические интерпретации совокупностей данных масс.
2. Методы физического моделирования с использованием элементов теории планирования экспериментов, теории подобия и анализа размерностей, на чем основывается шлитационная реометрия в процессах переработки пищевых масс.
3. Методы измерений и обработки результатов реометрии на вискозиметрах, пластометрах и других реометрах.
4. Онтодидактические методы исследований, использованные при разработке методического обеспечения курса реологии пищевых масс и приведение к решению аналитических задач (обобщение метода Хедстрема, способы определения скоростей и расходов, вариационные методы) и систематизации (классификация реометров, моделей, таблицы инженерных формул).
5. Эвристические методы, использованные при разработке новых приборов, устройств и процессов, на которые получено 12 авторских свидетельств.
Научной новизной обладают решения следующих подзадач, совокупность которых выносится на защиту:
В теоретической части выполнена самостоятельная систематизация исторической и терминологической информации, сформулированы представления об инвариантной и имитационной реометрии, разработаны новые классификации реометров по функциональному признаку и пищевых сред по реологическим моделям, элементы постановки клас са вариационных задач в реодинамике пищевых машин, приведены примеры использования уравнений к вязко-упругости пищевых масс и аппарата теории распознавания образцов и .дисперсионного анализа в решении проблем инвариантной реометрии. Составлена таблица психореологического характера для ориентировочной органолептической оценки вязкостных свойств пищевых масс. Решен (составлены и отлажены лично автором программы) ряд задач инженерной реологии на ЭЦВМ типа "Мир-1", "Мир-2", "Проминь" и микрокомпьютере ТІ 58С, в том числе задач течения в канале шнекового пресса, автоматического подбора вида и расчета параметров эмпирических уравнений вискозиметрических кривых течения пяти типов, вычисления коэффициентов уравнений линейной регрессии зависимости реологических параметров от технологических, табулирования обобщенных критерий Рейнольдса и Хедстрема, вычисления коэффициента сопротивления в уравнении Дарси-Вейсбаха для неньютоновских жидкостей. Составлены таблицы инженерных расчетных формул скоростей и расходов для основных типов реологических сред при течении их в щелевых каналах и трубках. Решена задача теории валковых экструдеров о течении материала в межвалковом объеме с/ учетом влияния неподвижных боковых стенок и обратного потока в зазоре между валками и корпусом. Обобщена задача Горбатова-Дначенко реолого-экономической оптимизации трубопроводного транспорта. Предложена идея и элементы, теории расчета безнапорного трубопроводного транспорта вязких жидкостей. Вычислены новые константы прибора для конических пластометров, обеспечивающих инвариантность измерений.
В части реометрии пищевых материалов исследованы изменение объемного веса пралиновых масс от давления; процессы ползучести ! и релаксации напряжений в пралиновых массах при всестороннем . сжатии; кривые течения пралине на капиллярном вискозиметре; предельное напряжение сдвига пралине на коническом пластометре; вязкоупругие и пластичные свойства нуги при сдвиге на приборе типа Вейлера-Ребицдера и коническом пластометре ЮІ-3; кривые те- ; чения нуги на капиллярном вискозиметре; вязкоупругие свойства нуги при всестороннем сжатии; микроструктура нуги фотографическим методом; геометрические и прочностные характеристики кедрового ореха; вязкостные свойства меланжа, белка и желтка и влияние на них технологических параметров на ротационном вискозиметре - I0- \"Реотест"; вязкостные свойства казеина на капиллярном вискозиметре; вязкостные свойства пшеничного теста на консистометре Геппле-ра и вискозиметре АКВ-5.
При этих исследованиях были сконструированы или модернизированы приборы испытания материалов при всестороннем сжатии, кони- ! ческий пластометр, капиллярные вискозиметры и рад других реометров.
При имитационной реометрии в системах машины-материалы исследовались работа формирующих инструментов прессов кондитерской и макаронной промышленности, работа червячных, шестеренных и валковых нагнетателей, расходно-напорные характеристики при трубопроводном транспорте пралине, работа гранулятора для казеина.
Практическую ценность работы, его народнохозяйственное зна- f чение, отражает совокупность внедрений результатов исследований на производстве и в системе высшего образования, которая к настоящему времени дала подтвержденный предприятиями экономический эффект в размере 0,926 млн. рублей. Ориентировочные экономические расчеты показали, что при широком внедрении результатов исследований в масштабе страны может быть достигнут экономический эффект свыше 70 млн. рублей. Ту часть практической значимости работы, которая заключается в создании некоторых новых измерительных приборов, в разработке систематизации терминологии и различных клас-сификаций, в помощи конструкторам различными таблицами инженерных формул, психореологической моделью пищевых масс и в ряде других результатах трудно без специальных экономических исследований оценить количественно ввиде экономического эффекта.
Работа и её части ©осуждались на X и XI Всесоюзных симпозиумах по реологии (1978, I960 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Роль физико-химической механики в повышении качества пищевых продуктов" (1978 г.), на Всесоюзной конференции "Электро-физи - II ческие методы обработки пищевых продуктов" (1977 г,), на Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерно-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" (1982 г,), а также на научных конференциях и совместных заседаниях заинтересованных кафедр Кемеровского технологического института пищевой промышленности, Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности, Ленинградского технологического института холодильной промышленности.
Публикация основных положений выполнена в Ш печатных работах, в том числе, в 3 отдельных изданиях (монографиях), 12 авторских свидетельствах и 34 статьях.
Объем работы не превышает известных требований и характеризуют следующие цифры : текст изложен на 2. 7 Э страницах машинописного текста; работа содержит T-S рисунков и 3 9 таблиц; в списке использованной литературы 378 наименований источников, в том числе 90 на иностранных языках; объем приложений 7 7 страниц,
Научные положения, которые выносятся на защиту, можно кратко определить следующим образом:
I. Госкомитетом по науке и технике при Совмине СССР одобрено, как перспективное направление, широкое внедрение реологических методов в пищевую промышленность. За последние два десятилетия в этом направлении были проведены и продолжаются крупные основопологающие комплексные исследования, завершившиеся на определенном этапе зашитой докторских диссертаций Николаевым Б,А,, Горбатовш А.В., Мачихиным Ю.А., Масловым A.M., Азаровым Б.М., Мачихиным С,А,, Берманом Ю.К. Решен большой круг важных задач, однако мало исследованным оставался один из фундаментальных вопросов реометрии, как части реодинамики, о том, в какой степени информация о структурно-механических свойствах пищевых масс, полученная на реометрах, содержит действительно "чистую" информацию о свойствах именно объекта исследования материала (пищевой массы) и независима (инвариантна) от параметров измерительного средства (прибора), а также о том, как использовать приборно-зависимую реометрическую информацию в реодинамике процессов переработки пищевых масс.
2. Абсолютно приборно-независимую реометрическую информацию получить нельзя, однако степень отягощенности свойствами прибора можно оценить по трем критериям:
а) дисперсионный критерий, в основе которого лежит параметрических метод теории распознавания образов и требующим, чтобы при вариациях параметров прибора измеряемые величины в определенном статистическом смысле были бы неизменными;
б) сравнительным критерием, требующим статистическую сопоставимость одних и тех же реологических параметров материала, полученных на конструктивно различных реометрах. Например, совпадение величины вязкости, измеренного на ротационном и капиллярном вискозиметре;
в) геодинамическим критерием, требующим совпадения реоди намических параметров реального процесса переработки пищевых І
масс или её физически смоделированной части с расчетными парамет
рами, где в расчетах использованы данные реометрии.
В работе продемонстрировано использование всех названных способов оценок инвариантности данных реометрии,
3. Ряд процессов переработки пищевых масс настолько сложны и отягощены сопровождающими термодинамическими, химическими, МИК-, робиологическими процессами, что построить сколь-либо удовлетво - ІЗ рительную математическую реоданамическую модель процесса затруднительно. Тогда целесообразно использовать имитационную реомет-рию с привлечением элементов теории планирования экспериментов, теории подобия и анализа размерностей.
4, Построенная графическая общая психореологическая вязкостная модель пищевых масс позволяет проводить количественные реодинамические расчеты процессов переработки пищевых материалов, о свойствах которых у рассчетчика имеется лишь качественное органолептическое представление, Ддлънейщие уточнения расчетов можно уже проводить,используя представления и приборно-инвариан-тной и имитационной реометрии,
5, Получены реометрические данные о структурно-механических свойствах конфетных масс типа пралине и нуги, меланжа, желтка и белка куриных яиц, молочного белка, пшеничного теста, Разработаны новые конструкции реометров, процессы переработки пищевых масс и устройства, на которые получены авторские свидетельства.
6, Имитационной реометрией получены данные о процессах переработки пищевых масс, это позволило их интенсифицировать и разработать принципиально новые процессы переработки. Например, тепло-массообменный способ рушки кедрового ореха.
7, Ба основе онтодидактических теоретических и экспериментальных реометрических и реодинамических исследований внедрен курс реологии пищевых масс в КемТЖШе и опубликовано в соавторстве методическое пособие по инженерной реологии пищевых производств.
Элементы теории распознавания образов, рациональной и физико-химической механики в основе представления о приборно-инвариантной и неинвариантной реометрии
Сложнве реологические свойства пищевых материалов обусловливают ряд качественных интегральных реологических эффектов в механическом поведении материалов, возможность проявления которых необходимо учитывать при разработке пищевых машин. Среди таких эффектов следует назвать проявление свойств жидкости и твердых тел одним и тем же пищевым материалом в зависимости от скорости процесса деформирования, эффект Вейссенберга, пристенное проскальзывание, типот-эффект и ряд других.
Для пищевых, как и для любых других материалов, существенное значение имеет длительность деформационного процесса или, точнее, соотношение времени процесса деформации и характеристического времени материала, оцениваемое числом Деборы (см.формулу I.I.)
В качестве примера можно указать на наглядный опыт с мякотью хлеба. Если скатать шарик из хлеба и деформированием пальцами образовать на шарике "рожки", то при ударе этого образца о твердую поверхность его форма практически не изменяется. Это значит, что образец при быстром деформировании ведет себя упруго, а при медленю: ном - деформируется пластически. Описанное явление качественно просто объясняется вязко -упругими свойствами материалов. Например, так себя ведет при деформировании модель Шофильда-Скотт Блэра (рис. 3).
На данном принципе основана одна из детских игрушек. Шарик из специального полимерного материала может скакать как резиновый и растягиваться как нагретая жевательная резинка при медленном деформировании. Тонкими опытами показано [33 J , что при очень быстрых деформациях даже в воде образуются трещины, происходит хрупкое разрушение, как у твердых тел. В книге Рейнера М. [22IJ приводятся примеры течения горных пород, бетона, стекла при длительных деформациях. Многие смолы при медленных деформациях текут, а при ударе хрупко разрушаются. Практическое значение этих явлений в пищевой технологии при интенсификации процессов механической обработки пищевых продуктов заключается в том, что кратковременные динамические нагрузки могут вызвать даже в сравнительно пластичных материалах трещинообразование и эти же материалы могут выдержать значительные по величине нагрузки без необратимых деформаций. При конструировании пищевых машин в ряде случаев сталкиваются с эффектом Вейссенберга [377J . Например, если вращать вертикальный стержень в сгущенном молоке, то материал по стержню поднимается на некоторую высоту (рис. 4,а). Происходит нарушение обычной картины (рис. 4.6) поведения жидкостей в таких условиях. Многие материалы на регионометре Вейосенберга типа конус-пластина при вращении конуса проявляют заметные осевые распорные усилия. Иначе говоря, при .сдвиге возникают поперечные нормальные напряжения в материале. Практическое значение эффекта Вейссенберга, нанример, заключается в необходимости тщательного конструирования различных уплотнений на вращающихся валах, находящихся в пищевых жидкостях. Тем более, что эффект Вейссенберга на пищевых жидкостях изучен сравнительно мало. Одним из реологических эффектов, с которым приходится сталкиваться даже в быту, является типот-эффект (эффект чайника) [221 ] . При выливании жидкостей из сосудов или их отекании.с. наклонных поверхностей, особенно при медленном течении,, .в граничной зоне часто наблюдается перемещение точки отрыва жидкости от поверхности сосуда (рис. 5, а,б). Без учета типот-эффекта иногда бывает сконструирована, бьшь? вая посуда (чайники, сосуды для молока и т.п.), в результате чего их использование бывает неудобным. В промышленности следует нижние приемные сосуды сдвигать относительно вертикальной линии, на которой находится крайняя точка верхнего сосуда. Кроме того, при возможности, край сосуда следует выполнить в форме, показанной на рис. 5.В, локализующей геометрически распространение эффекта. Можно также принять меры для повышения кинетической энергии потока жидкости.
У многих вязко- упругих жидкостей при сдвиге между коаксиальными цилиндрами наблюдается течение в направлении образующей цилиндров, т.е. вихри Тейлора [зз] . В результате жидкость гидродинамически разделяется в зазоре между цилиндрами на горизонтальные зоны тороидальной формы (рис. 6), в которых жидкость как бы закручивается к кольцевые жгуты. Таким образом, следует иметь в виду, что в таких условиях жидкости в зазоре дополнительно перемешиваются.
При транспортировании в трубах многих высоковязких жидкостей в частности, нефти J47J было обнаружено, что малые добавки некоторых полимеров, вызывая особые условия на границе материала трубы и жидкости, значительно снижают гидравлические сопротивления течению. В пищевой промышленности возможности добавок весьма жестко ограничены технологией и рецептурой продуктов, однако могут встретиться ситуации, где допустимые изменения в последоватёльности технологических операций позволят снизить гидравлические сопротивления. Например, если известно, что некоторая добавка (жир, вода и т.п.) значительно снижает сопротивление, и этот ингредиент необходимо добавить в продукт по технологии, то добавку следует ввести до транспортирования в трубах. Причем, если для нефти снижение сопротивления при транспортировании важно с точки зрения энергетических затрат, то в пищевой промышленности кроме этого определяющим может являться создание условий, при которых транспортируемый продукт не подвергался бы недопустимому сжатию и объемному пластическому уплотнению, снижающему качество конечного продукта.
Качественные связи между параметрами процессов переработки и консистенции пищевых масс
Изменение вязкости может быть обратимым или необратимым. Ба рис. П-а схематически показано поведение материала на ротационном вискозиметре при обратимости начального состояния материала после периода покоя, на рис. II- В - при необратимости. Если процесс изменения вязкости обратим и со временем течения вязкость снижается, то материал называется тиксотропним, если вязкость увеличивается - реопектическим. Фактором времени течения тиксотрошше и реопектические реологически нестационарные материалы отличаются от реологически стационарных неньютоновских материалов, в которых снижение или повышение вязкости (аномалии вязкости) наблюдаются в зависимости только от скорости сдвига. Реологически стационарные материалы (жидкости), в которых с ростом скорости сдвига наблюдается снижение вязкости, называются псевдопластическими, при повышении вязкости в тех же условиях -дилатантными.
Следует подчеркнуть, что оговаривая стационарность или нестационарность в рассматриваемом смысле, необходимо во избежание путаницы указать на её реологическую природу, поскольку вообще установившейся (стационарный) или неустановившейся (нестационарный) режим течения в гидродинамике имеет несколько другой смысл. Так, например, гидродинамически установившееся (ламинарное) течение может быть реологически неустановившимся. При этом векторы поля скоростей течения во времени сохраняют характерное для ламинарного течения постоянное направление, но сравнительно медленно меняются по величине с несущественной с точки зрения инерционных эффектов скоростью.
С другой стороны, гидродинамически нестационарное турбулентное движение жидкости, когда в каждой точке потока векторы скоростей меняются по направлению и величине во времени, может быть реологически стационарным, если при этом реологические свойства материала не меняются. В этой ситуации можно взвесить целесообразность использования терминов склерономные (установившиеся реологически) и реономные (неустановившиеся реологически) потоки (течения, свойства).
Реономные свойства пищевых материалов могут быть обусловлены не только процессами механического разрушения и восстановления структуры материалов при сдвиговом течении. Рейнер [284] указывает, что реологические коэффициенты в уравнениях, описывающих формоизменения зависят от величины, объемного изотропного сжатия или растяжения. Мачихиным С.А. был сконструирован специальный ротационный прибор [158] для опреде ления влияния сжатия на сдвиговые свойства пищевых материалов. Известны также и другие ротационные приборы такого типа [37J . Причинами изменения реологических свойств во времени могут быть также диффузионные, термодинамические, химические, биохимические, микробиологические и некоторые другие процессы. Причем, воспроизводимые реологические свойства материала можно получить лишь, если воспроизведены состояния названных немеханических процессов. Однако, как известно, не всеми природными процессами можно произвольно и удовлетворительно управлять (например, радиоактивным распадом), либо это делать в производственных условиях пока экономически нецелесообразно. Вообще проблему реономности свойств пищевых материалов следует рассматривать в двух ракурсах - в теоретическом и практическом. В теоретическом плане необходимо дальнейшее изучение временных реологических эффектов различных материалов, развитие терминологии, математического аппарата, экспериментально! техники и методов учета временных эффектов в расчетах машин. В области основ общей строгой математической теории сплошных сред с учетом временных эффектов можно указать на работы Колемана,и Іолла и Трусделла [25IJ . Уже на уровне аксиоматики в этой теории заложено рассмотрение реономных сред. Первая аксиома Холла (принцип детерминизма) была сформулирована следующим образом: "Напряженное состояние в конфигурации тела - точки X в момент t определяется предисторией X движения тела В вплоть до момента тензор напряжений в месте отображение предаоторий j , (определяющее отображение тела - точки ОС или функциональной памяти)". Таким образом, склерономные материалы, являются лишь частным, простейшим случаем материалов, рассматриваемых в современной механике сплошных сред. В качестве измерительной техники для изучения временных эффектов рекомендуют использовать ротационные приборы [252 J . Обзор работ в этом направлении с использованием ротационных приборов дан в книге [37J , в которой указано на важные работы Трапезникова, Ребидцера, Виноградова, Малкина, Павлова и др.
Примеры приборно-инвариантной вискозиметрии с оценками ошибок при приближенном определении скоростей сдвига
Мрименение каждого отделения прибора обосновывается целью исследования и абсолютно универсиалъных приборов принципиально не может существовать.Однако при постановке многоцелевых исследований перспективу имеют различные реометрические комплексы и стенды [4 ] , максимально автоматизированные в управлении,а так же в записи и обраоотке данных. то касается второго вопроса,то следует также принять за аксиому, что любое воздействие на реальные материалы и протекающие в них внутренние процессы,особенно в пищевых материалах,изменяют их реологические свойства,только в различной степени,а любой прибор при измерении оказывает определенное воздействие на материалы.
Таким образом,на оба поставленные ранее вопроса принципиально следует ответить отрицательно.Нет приборов,которые могли бы давать абсолютно независящие от измерительных средств показатели реологических свойств реальных тел, так же как нет методов, позволяющих определить полную исчерпывающую совокупность этих свойетв.любые реологические исследования представляют собой звенья бесконечной цепи этапов изучения свойств реальных тел с приближением к их объективным,полным и безотносительным евойст-вам.Хотя не существуют приборы,дающие абсолютно безотносительные свойства сред,тем не менее,в настоящее время можно выделить группу приборов,теория которых достаточно разработана и позволяет таким образом обработать эмпирические результаты,что будут выявлены в пределах точности теории прибора характеристики реологического доведения непосредственно испытываемой среды т.е. связи между напряжениями,деформациями и их производными по времени в среде) и эти данные можно перенести на описание других деформационных процессов, а также построить достаточно адекватные расчетные модели деформирования и течения материалов в реальных машинах и аппаратах. Например, данные, полученные на ротационных вискозиметрах, в раде случаев достаточно успешно можно использовать для расчета трубопроводного транспорта ["59, 63, 83 J , в частности, например, когда имеем дело со средами с реологически стационарными свойствами, мало зависящими от давления, текущими в каналах практически ламшарно, изотермично, без пристенного проскальзывания.
Полнота обзора реологических методов и приборов будет сильно ограничена, если исключить из рассмотрения приборы, результаты испытаний которых сложным образом связаны с геометрией и кинематикой приборов. Следует лишь констатировать, что несовершенная теория этих приборов в настоящий момент не позволяет в эмпирических данных разделить свойства среда и свойства приборов. По мере развития теории, такое разделение может оказаться возможным, и тогда большое количество накопленных на этих приборах данных можно будет обработать с целью получения такой информации о среде, которая будет применима дая количественных расчетов деформаций и течений в различных машинах и аппаратах. Кроме того, эти относительные данные полезны также для сравнительной оценки качества пищевых материалов и контроля производства, в частности, для разработки промышленных стандартов на отдельных этапах технологических процессов. Однако при постановке реологических исследований следует помнить рекомендацию Воларовича М.П. [58 не использовать относительные приборы. Исследования на таких приборах должны быть ограничены и каждый новый прецендешт использования относительных приборов строго обоснован.
В условиях несовершенства теории различных машин и аппаратов большое значение в развитии реологии имеют также различные модельные и имитационные опыты, результаты которых раскрывают закономерности работы отдельных машин, аппаратов и их узлов и могут быть использованы путем применения методов теории подобия в расчетах других пищевых машин. Многие приборы и методы этой группы позволяют производить непрерывные измерения различных величин, отражавших реологическое поведение пищевого материала непосредственно в промышленных машинах и могут выступать в качестве датчиков для непрерывного контроля процессов, а также для создания систем автоматического регулирования, В конечном счете, при достаточной разработанности теории исследуемых промышленных машин и процессов, результаты измерении на них можно обработать тоже таким образом, чтобы получить удовлетворительную информацию о реологических свойствах непосредственно пищевых материалов, удовлетворительную в смысле возможности переноса данных на принципиально другие машины и процессы.
Что касается вопросов точности определения реологических пищевых материалов, то их следует рассматривать в двух аспектах:
Во-первых, погрешности, связанные с конкретным прибором, определяемые возможной точностью фиксации измеряемых величин, размеров рабочих органов приборов и их взаимного расположения, кинематики и динамики. Эти погрешности могут быть сравнительно неболь шими и их можно заранее вычислить. Например, ротационный вискозиметр "Реотест-2" позволяет производить измерения с погрешностью 1,4 процента.
Примеры аналитических ж численных, решений инженерных задач реодинашки каналов с подвижными стенками
Поскольку формула (II.I) представляет собой простейшую линейную зависимость Рт от / , то в практических опытах обычно нагрузку F ступенчато: увеличивают и измеряют при этом приррст h , что позволяет более точно проводить расчет величины Рт . Последняя величина предполагается независимой от величин угла конуса vC , силы F и глубины h и в этом смысле инвариантна по отношению к параметрам прибора и условиям опыта. Такое требование инвариантности кажется естественным, так как в этом случае пластическая прочность гт действительно отражает структурно-механические свойства испытываемой пищевой массы.
Вообще говоря, инвариантность при использовании величины в управлении и контроле технологическими процессами не нужна, потому что в этом случае достаточно измерять уклонения гт от некоторой нормированной, стандартной величины. В остальных случаях инвариантность обязательна. Более того, величина Рт должна быть не только инвариантна, но и должна представлять собой вполне определенную физическую величину в терминах механики сплошной среда, а именно- предельное напряжение сдвига. Иначе эту величину можно использовать в уравнениях равновесия лишь с точностью до постоянного множителя, что не позволит сделать необходимых количественных выводов из реодинамических расчетов.
Указанная проблема инвариантности данных в экспериментальных работах иногда вообще не ставится [і, 95, I00J , хотя она не является искусственно надуманной, как показали Агранат и Во-ларович [2 J на основе сравнения результатов измерений предельного напряжения сдвига консистентных смазок на 6 различных по принципу действия реометрах, где обнаружили, что измерения на конических пластометрах и расчет по формуле (II.I) с использованием коэффициентов /С/ из работы /"286/ дает в 1,5-2,5 раза большие значения предельного напряжения сдвига, чем получаемые на других пластометрах. Имеются и другие наблюдения того же явления / 23lJ .
В результате рассмотрения возникшей проблемы инвариантности Агранат, Широков и Воларович ( 2, з] двумя методами вывели новые геометрические коэффициенты Кг Для формулы (II.I) вместо коэффициентов К [286J и успешно проверили полученные теоретические результаты экспериментально, правда, не описав достаточно подробно методику проверки.
Анализ выводов коэффициентов Ki [286J и Кг [2, 3J показал, что AV действительно является приблизительной величиной и Рт обоснованно следует назвать не предельным напряжением сдвига, а пластической прочностью; коэффициент Кг [2,3J выведен на основе более корректной теории пластичности, чем обоснование вывода коэффициента Ki , однако в использованной задаче теории пластичности не учитываются силы трения на поверхности конуса, что должно привести к возрастающим погрешностям при измерении углов aL конуса и, следовательно, к неинвариантности.
Были проведены проверочные расчеты AV и Кг по формулам из работ /3, 286/ . Расчеты показали, что коэффициент Kg между U, = 20 30 становится больше коэффициента КІ И при дальнейшем уменьшении угла еС стремительно растет (табл.9, рис. 19). Очевидно, что при малых углах U коэффициент Кг не выполняет своих корректирующих функций и будет в формуле (ЇІ.І) давать даже большие значения величины Рт , чем коэффициент, приводя к значительным противоречиям с экспериментальными данными, полученными на других пластометрах. Это неприятное обстоятельство, с другой стороны, является прекрасным доказательством корректности вывода Кг в работах [2, 3J при сделанных там предпосылках. Можно предложить, что формула Кг дает правильные значения предельного напряжения сдвига при оС— 180, поскольку тогда касательные напряжения на поверхности конуса перестают вносить существенный вклад в уравнение равновесия в проекциях на вертикальную ось.
При исследовании пищевых масс на коническом пластометре иногда уже возникала проблема инвариантности, но не предлагалось решение этой проблемы. Например, Карнаушенко с соавторами [ill] использовали конический пластометр при исследованиях мармелада. Геометрический коэффициент рассчитывали по формуле Ямполъского-Ребиндера, которая дает 1,5-2 раза завышенный результат. Любопытно заметить, что авторы изучали влияние угла раскрытия конуса на предельное напряжение сдвига и утверждают, что "наиболее стабильные результаты получаются при внедрении конусов с углами раскрытия 60 и 75 .
Ниже будет изложена попытка уточнить коэффициент К с учетом касательных напряжений на поверхности конуса. Введем понятия эквивалентных нормальных 5 и касательных t напряжений на поверхности конуса (рис. 18), которые в отличие от действительных напряжений распределены по поверхности конуса равномерно.
