Лекция № 3 методы и приборы для определения компрессионных и поверхностных характеристик

Методы и приборы для измерения компрессионных характеристик.

 

В некоторых машинах (прессы, волчки, шприцы, дозаторы и пр.) продукты находятся при повышенных давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. На выходе из машины объем и плотность также могут отличаться от начальных. Эти явления рассчитывают, основываясь на объемных свойствах и кинетики их изменения.

К реологическим свойствам при воздействии нормальных напряжений относятся: модули упругости, периоды релаксации, коэффициент бокового давления, коэффициент объемного сжатия, плотность и др. Поскольку сжатие продукта в двух простейших случаях может быть реализованно в замкнутом объеме и между двумя плоско-параллельными пластинами, оба процесса описываются компрессионными характеристиками: модулями упругости, периодами релаксации, кинетическими кривыми релаксации, работой сжатия пр.

Коэффициент бокового давления − это отношение бокового давления к осевому при действии нормальных напряжений взамкнутом объеме:

Для ньютоновских и структурированных жидкостей , а для пластично-вязких .

Плотность ρ (кг/м³) — это отношение массы m(кг) к объему V(м³). Для однородных систем . Для неоднородных систем плотность в точке .

Кроме основных компрессионных характеристик используют и вспомогательные, применяемые в технических измерениях: это сопротивление деформации, восстановление и упрочение.

Сопротивление деформации − это давление (Па), необходимое для сжатия цилиндрического образца продукта между двумя плоскостями в течение определенного времени на определенную величину в сравнении с первоначальной (если допускает структура, то на 50 %).

Восстановление − часть деформации сжатия, релаксирующаяся в течение первой минуты после удаления нагрузки и выраженная в процентах от общей деформации сжатия под действием нагрузки.

Упрочение − остаточная деформация после снятия нагрузки по истечении определенного времени ее действия в процентах от общей деформации сжатия.

Наряду со сдвигом объемное или осевое сжатие, а также осевое растяжение являются основными типами механической деформации продуктов.

Основные способы и приборы для измерения реологических характеристик подразделяются следующим образом:

1 приборы для осевого растяжения продукта (экстенсографы и др.)

2 приборы для осевого сжатии продукта (дефометры и др.)

3 приборы для объемного сжатия продукта (компрессионный акалориметр)

Принципиальные схемы приборов для измерения компрессионных характеристик представляет собой следующее:

1 ) осевое сжатие:2) осевое растяжение:

3) объемное сжатие:

а) односторонние б) двухстороннее

В тех случаях, когда исследуемый материал обладает высокой вязкостью и значительной неоднородностью структуры (например, хлебопекарное и макаронное тесто), целесообразно определять его механические свойства при растяжении или сжатии.

Принцип действия различных приборов, имеющих цилиндр с поршнем одинаков. Образец продукта, взвешенный с заранее установленной точностью (±0,05 – 0,1%) помещается в измерительный цилиндр, в который входит притертый поршень. К нему прикладывается усилие от гидроприводной установки или набора грузов. Для удаления воздуха ппродукт подпрессовывается или вакуумируется. Высоту продукта в цилиндре измеряют после подпрессовки. Затем при постоянном давлении через равные промежутки времени (20 с.) записывают величины абсолютных деформаций. Максимальное время необходимое для достижения равновесного состояния 180 с., что примерно соответствует периоду релаксации многих пищевых продуктов. Затем нагрузку снимают и исследуют кинетику восстановления образца. Если цилиндр снабжен водяной рубашкой, а в продукт помещены термопары, то прибор можно рассматривать в качестве акалориметра и определять в нем теплофизические характеристики продукта.

Расчетные уравнения.

Начальное и конечное состояние системы при объемном сжатии связывается первым законом термодинамики

,

где U – внутренняя энергия системы, Дж; Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, Дж; А – механическая работа, совершаемая внешними или внутренними силами, Дж.

При постоянной температуре, когда

,

где р – давление, Па; V – объем продукта, м³.

При постоянном давлении и температуре получается зависимость для расчета удельной работы А_уд, Дж/м³,

,

где V_н – начальный объем системы, м³; – объем при воздействии давления р в в любой момент времени τ; – относительная объемная деформация в любой момент времени.

Для ряда пластично-вязких тел применимо кинетическое уравнение деформации:

,

где a_ε, a₁, a₂ – коэффициенты, зависящие от механического, физико-химического состояния продукта, его состава и особенностей исходного сырья.

Соотношение вертикальных и горизонтальных давлений при сжатии в цилиндре пластично-вязких материалов отличается от закона Паскаля. Распределение давлений характеризуется коэффициентом бокового давления:

,

где – горизонтальное давление; – вертикальное давление.