Основные понятия инженерной реологии и ее основные задачи

Основные понятия инженерной реологии и ее основные задачи

 Наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукта может дать группа физических свойств, которая проявляет зависимость от биологического и химического состава (рецептуры) и внутреннего строения (структуры продукта). Небольшие изменения этих определяющих характеристик должны вызывать значительные изменения величин свойств, которые регистрируются приборами. При этом характеристики сырья предопределяют основные показатели готовых продуктов. К одной из групп таких показателей относятся структурно-механические (реологические) свойств.

 Переработка различных пищевых материалов сопровождается сложными физико-химическими, биологическими и механическими процессами, изучение которых позволяет организовать эффективный и объективный реологический контроль и управление технологическими циклами производства. Большинство процессов в пищевой промышленности связано с переработкой дисперсных систем, суспензий, коллоидных растворов, различных упруго-пластично-вязких материалов. Реологические исследования позволяют глубже познать физику явления, происходящего при обработке пищевых материалов.

Реологические свойства могут быть использованы в расчётах процессов, которые необходимо производить при создании новых конструкций машин и реконструкции существующих, а также для выбора наиболее рациональных режимов работы оборудования и оптимальных технологических схем производства, использовать в качестве контролируемых параметров при создании автоматизированных систем управления машинами, агрегатами, производственными участками, при автоматизированном контроле качества продукции. Реология позволяет управлять структурой и качеством продуктов путем внесения добавок, изменения режимов и способов механической и технологической обработки.Свойства пищевого сырья и продуктов зависят от таких факторов как температура, влажность, величина и продолжительность механического воздействия, а также от сроков хранения, транспортирования, способа получения данного продукта и многих других причин.

Реология – наука о деформации и течении различных тел. Слово «реология» происходит от греческого «rew», что означает «теку».

Деформация – это изменение формы и (или) линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и др., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела. Величина и характер деформации зависят от способа приложения внешних сил, свойств материала тела и его формы.Деформацию делят на два вида: а) обратимую (упругую), которая исчезает после прекращения действия силы; б) пластическую (вязкую), которая не исчезает после снятия нагрузки. При эластической деформации часть механической энергии переходит в тепло. Кроме того, существует и другое деление деформаций. Например, по виду нагружения они могут быть сдвиговыми (рис. 1.1,а), одноосными (линейными) (рис. 1.1,б), а так же двухосными (плоскими) и объёмными. При этом деформации вычисляются по уравнениям:

; .      (1.1)

а)       б)

Рис. 1.1. Схемы нагружения материалов:

а) сдвиг; б) растяжение

Если деформации изменяются во времени t при неустановившемся процессе, то учитывают скорость деформации (градиент скорости); при установившемся процессе деформирования изменение деформации в единицу времени постоянно. Все это описывается понятием «скорость деформации» – [с–1], при растяжении – сжатии и [с–1], при сдвиге:

; .    (1.2)

Если деформация при сдвиге под действием конечных сил увеличивается непрерывно и постоянно, то материал начинает течь. Установившийся режим течения характеризуется градиентом скорости, который по смыслу аналогичен скорости деформации (рис. 1.2):

,    (1.3)

где: τ – напряжение сдвига, Па;

u – линейная скорость элементарного слоя, м/с;

y – координата слоя по нормали к вектору скорости, м.

В реологии выделяют два вида течения: 1. вязкое течение – реализуется в истинно вязких, ньютоновских жидкостях при любых сколь угодно малых напряжениях сдвига τ. Это течение описывается уравнением Ньютона:

 или  ,    (1.4)

где η – коэффициент динамической или абсолютной вязкости, который характеризует величину усилий, возникающих между двумя элементарными слоями жидкости при их относительном смещении, Па∙с;

F – сила сопротивления между двумя элементарными слоями, Н;

A – площадь поверхности сопротивления этих слоёв, м2;

2. Пластическое течение – течение при величине напряжения τ, равного пределу текучести τТ.

Напряжение – мера внутренних сил F [Н], возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади А [м2], нормальной к вектору приложения силы:

, Па.     (1.5)

Напряжение в точке нагруженного тела:

.     (1.6)

Формально сдвиговые или касательные напряжения (τ), нормальные напряжения (σ), давление, или гидростатическое давление (р), и адгезия, или давление прилипания (р0), описываются зависимостью (1.5) где сила и площадь будут иметь соответствующий физический смысл.

Исследование различных видов деформаций в зависимости от сопровождающих их напряжений и составляет предмет реологии.

К основным реологическим свойствам материалов относятся: вязкость, упругость, пластичность, прочность и твёрдость. У одного и того же материала, в зависимости от его состояния и условий нагружения, проявляются те или иные реологические свойства. Поэтому в первую очередь необходимо выяснить, какие свойства исследуемого материала при заданных условиях деформирования являются основными, определяющими.

Вязкость – мера сопротивления течению. Она является основным свойством для жидких тел, а также для пластичных тел после превышения предела текучести. Для неньютоновских жидкостей вязкость – функция скорости сдвига, поэтому её называют «кажущейся», или эффективной, вязкостью hЭФ [Па·с]. Для неньютоновских жидкостей эффективная вязкость состоит из двух компонентов:

1) ньютоновской  вязкости η, которая основана на внутреннем трении и представляет физическую константу материала;

2) структурного  сопротивления, которое зависит  от структурного состояния дисперсных  систем и является функцией  скорости сдвига .

Упругость – способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем, т.е. работа деформирования равна работе восстановления. Упругость тел при растяжении – сжатии характеризуется модулем упругости первого рода (модуль Юнга) Е [Па], а при сдвиге – второго рода (модуль сдвига) G [Па].

Пластичность – способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности. В реологии в этом смысле при деформациях существует понятие «предельное напряжение сдвига» (ПНС), обозначаемое θ0. Это напряжение, при превышении которого в материале появляются пластические деформации.

Прочностью называют сопротивление тела действию внешних сил, которые приводят к течению или к их разрушению. У гуковских (упругих) тел скорость деформации не влияет на предел прочности, так что различий в статической и динамической прочности не существует. У негуковских тел (к которым принадлежат почти все твердые пищевые продукты), которые обладают как упругими, так и пластичными (вязкими) свойствами, прочность зависит от скорости деформирования.

Твёрдость – это комплексное свойство негуковских тел оказывать сопротивление проникновению другого тела вследствие необратимых деформаций. Твёрдость нельзя выразить как физическую величину с однозначной размерностью. Она является некоторым техническим параметром, который выражается в относительных величинах в зависимости от метода определения.

К другим физико–механическим свойствам материалов можно отнести мягкость, хрупкость, адгезию и липкость.

Сдвиг – это очень важный вид деформации в реологии. Простой сдвиг рассматривается как плоская деформация, параллельная неподвижной плоскости вследствие действия на гранях элемента касательных напряжений. Простой сдвиг представляет собой случай ламинарного потока, при котором тело можно считать состоящим из бесконечно тонких слоев. Эти слои не деформируются, а только скользят один по другому (рис. 1.1,а).

Мягкость – свойство, противоположное твёрдости.

Хрупкость – свойство твёрдых тел достигать разрушения при незначительных пластических деформациях. Чисто гуковские тела обнаруживают хрупкое разрушение при любой скорости деформации. У негуковских тел хрупкое разрушение наступает только при высоких скоростях деформации или низких температурах, когда теряют действие вязкостные свойства.

Адгезия – свойство, которое основывается на взаимодействии двух различных тел на границе раздела фаз и вызывает сцепление тел. При разделении тел необходимо преодолеть силы сцепления.

Липкость – свойство пограничного слоя вязких или пластичных материалов оказывать сопротивление разделению находящихся в контакте поверхностей.

Каждый материал обладает всем комплексом реологических свойств, хотя и в различной степени. У одного и того же материала в зависимости от его состояния и условий нагружения, могут проявляться, в большей или меньшей степени, различные реологические свойства.

Качественное развитие реологии, которая играет важную роль в инженерной физико-химической механике, видно из следующих этапов её изменения.

Классическая реология как наука о течении и деформации реальных тел (техническая механика реальных тел или дисперсных систем) ставит задачей изучение свойств существующих продуктов и разработка методов расчёта процессов их течения в рабочих органах машин, для получения готовых изделий заданного качества.

Физико-химическая механика как наука о способах и закономерностях формирования структур дисперсных систем с заранее заданными свойствами решает следующие задачи:

1) установление существа образования  и разрушения структур в дисперсных  и нативных системах в зависимости  от совокупности физико-химических, биохимических, механических и других  факторов;

2) исследование, обоснование и оптимизация  путей получения структур с заранее заданными реологическими (в самом широком смысле этого слова) свойствами.

3) разработка способов приложения  установленных закономерностей  для расчёта машин и аппаратов  и оперативного контроля основных  показателей качества по значениям величин структурно-механических характеристик.

Управляющая реология включает исследование и обоснование такого сочетания различных видов воздействий на перерабатываемое сырье, при которых обеспечивается заданный уровень реологических характеристик в течение всего технологического процесса и получение готового продукта с заданными потребительскими свойствами.

Реализация исследований методами инженерной реологии и физико-химической механики позволяет стабилизировать выход изделий, получать готовые продукты постоянного, заранее заданного качества, научно обосновать понятие качества продуктов, рассчитывать, совершенствовать и интенсифицировать технологические процессы, «конструировать» те или иные виды пищевых продуктов и т.д. Это показывает, что реология и инженерная физико-химическая механика пищевых продуктов превратились из пассивных отраслей знания в производительную силу, позволяющую активно вмешиваться в производственные процессы с целью разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов.

Классификация реологических тел

Объектом исследований в пищевой реологии являются пищевые материалы. Проведём качественный предварительный анализ и группировку пищевых материалов. Если за основные простейшие (по агрегатному состоянию) материалы принять газы, жидкости и твердые тела, то подавляющее большинство пищевых материалов представляет собой, так называемые, дисперсные системы. Именно для последних особенно характерны существенные отклонения от классических законов деформации и течения.

Дисперсные системы состоят из двух или более компонентов или фаз. Обычно одну из фаз рассматривают как сплошную и называют дисперсионной средой, другую, несплошную – дисперсной фазой. Такое разделение является условным и более или менее очевидным в большинстве случаев. Формально, и в некоторой степени условно, дисперсные среды могут быть разделены на восемь типов:

1) двухфазные системы из твердой  и газовой фаз;

2) двухфазные системы из твердой  и жидкой фаз;

3) двухфазные системы из жидкой  и газовой фаз;

4) двухфазные системы из двух  твердых фаз;

5) двухфазные системы из двух  жидких фаз;

6) двухфазные системы из двух  газовых фаз;

7) трехфазные системы из твердой, жидкой и газовой фаз;

8) многофазные системы.

Пищевые продукты, включая сырьё и полуфабрикаты, в зависимости от состава, дисперсного строения и структуры обладают различными реологическими свойствами (таблица 1.1).

Наиболее сложными реологическими свойствами обладают высоко-коцентрированные дисперсные системы с пространственными структурами.

Если рассматривать классификацию дисперсных сред в более широком плане, как часть классификации состояний сред, с которыми приходится сталкиваться в пищевой промышленности, то в неё (в эту классификацию) необходимо включить представления о магнитных и электрических полях, потоках электромагнитных излучений, радиоактивном излучении, ультразвуке и т. п.

Макрореология рассматривает все материалы в том виде, в каком они предстают перед наблюдателем при поверхностном осмотре невооруженным глазом, т.е. как однородные и линейные структуры. Однако феноменологически однородными являются только чистые жидкости и совершенные кристаллы.

Микрореология рассматривает реологическое поведение двух – и многофазных систем в зависимости от реологических свойств их компонентов.

Таблица 1.1. Классификация пищевых продуктов по реологическим свойствам

Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет верно выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению.

Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчёта различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.

Классификация реологических тел, предложенная Горбатовым А.В. (таблица 1.2), по величине отношения предельного напряжения сдвига к их плотности и ускорению свободного падения [θ0/(ρ∙g)], которое представляет собой меру способности вещества сохранять свою форму, представлена ниже.

Таблица 1.2 Классификация тел по физическим параметрам

Б.А. Николаев предложил обобщённую классификацию (от твёрдого до истинно-вязкого состояния) по величине механических свойств: модулей упругости, вязкости и др.. К первой группе относятся твёрдые и твёрдообразные тела (твёрдый жир, целые ткани мяса, сухари, печенье и пр.), ко второй – твёрдо-жидкие (мясной фарш, творог, студни, мучное тесто и пр.), к третьей – жидкообразные и жидкости (расплавленный жир, бульоны, молоко, мёд, вода и пр.).

Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения Гершеля – Балкли:

,     (1.7)

где: – коэффициент, пропорциональный вязкости при градиенте скорости, равном единице, Па·сn;

n – индекс течения.

После проведения некоторых преобразований получим следующее выражение:

,     (1.8)

 – эффективная вязкость при  градиенте скорости, равном единице, Па·с;

 – безразмерный градиент  скорости;

m – темп разрушения структуры, индекс течения.

При таком способе классификации строятся зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости (кривые течения) и между эффективной вязкостью и градиентом скорости сдвига (см. раздел 1.3). По характеру полученных кривых выделяют семь видов тел:

1. упругое тело Гука;
2. пластичное тело Сен-Венана;
3. пластично-вязкое тело Шведова-Бингама;
4. псевдопластическое тело;
5. дилатантное тело;
6. истинно-вязкое тело Ньютона;
7. идеальная жидкость (Паскалевская).

Перечисленные выше системы не меняют своих свойств во времени.

Выделяют ещё группу систем с переменными во времени свойствами: тиксотропные, у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость уменьшаются во время механического воздействия, и реопексные, у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость увеличиваются со временем в случае воздействия на систему касательных напряжений при постоянном градиенте скорости сдвига.

П.А. Ребиндер и Н.В. Михайлов предложили разделять реологические тела на жидкообразные и твёрдообразные в зависимости от характера кривой ηЭФ(τ) (рис. 1.3) и от периода релаксации (период релаксации – время, в течении которого напряжения в нагруженном теле уменьшается в е = 2,7 раз). К жидкообразным телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига (θ0 СТ = 0), т.е. такие системы текут при приложении сколь угодно малого внешнего воздействия.

К твёрдообразным относятся упруго-пластичные и другие тела, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры в установившемся потоке. В общем виде кривая течения имеет S-образный характер и отсекает на оси абсцисс отрезок, в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают только упругие или эластичные деформации.

Важнейшими сдвиговыми свойствами структурированных систем являются пластическая ηПЛ и эффективная вязкость ηЭФ(τ) и период релаксации τР(τ); наибольшая вязкость (η0) неразрушенной структуры при «скольжении» мест контакта и вязкость предельно разрушенной структуры (ηm); модули упругости сдвига (G); пределы текучести условно-статический (τСТ) и динамический – предельное напряжение сдвига (θ0); прочность структуры при упруго-хрупком или эластичном разрыве (τm) и при эластично-вязком разрушении (τr). Эти характеристики показаны на рис. 1.3. Кроме перечисленных выше характеристик на кривой можно выделить следующие зоны: 0A – зона упругих деформаций; АВ – зона начала течения с наибольшей эффективной и пластической вязкостью; ВС – начало зоны лавинообразного разрушения структуры; СD – зона лавинообразного разрушения структуры (течение с наименьшей пластической вязкостью); Е и выше – зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью предельно разрушенной структуры.

Кривые течения, как инструмент для описания реологических свойств материалов

Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается в построении кривых кинетики деформации (кривых течения). По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия; вязкость релаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучести и прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так как зависит от механического режима деформирования. Перечисленные константы позволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полно охарактеризовать его структурно-механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых масс, т.е. при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения.

Кривые течения (рис. 1.4) графически изображают законы поведения различных материалов, т.е. зависимости вида:

            (1.9)

         (1.10)

Рис. 1.4. Кривые течения:

1 – ньютоновская жидкость; 2 – дилатантная жидкость;

3 – структурно-вязкая жидкость; 4 – нелинейное пластичное тело;

5 – линейное пластичное тело

Кривые течения (реограммы) ньютоновских жидкостей представляют собой прямую линию 1, проходящую через начало координат. Все кривые течения (2 – 5), которые отклоняются от прямой линии, называют неньютоновскими жидкостями. При этом кривая 2 характеризует дилатантное течение, характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», т.е. происходит повышение вязкости; кривая 3 описывает псевдопластическое течение, что характерно для «сдвигового размягчения» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации; кривая 4 показывает нелинейное пластическое течение, характерное для большинства пластичных тел после достижения предельного напряжения сдвига θ0. Линейная зависимость 5 характерна для бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению, после достижения предельного напряжения сдвига θ0.

Тиксотропным системам присуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а также непрерывное её разрушение (до определённого предела) при деформировании (рис. 1.5,а). Реопексные системы способны структурироваться, т.е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости (рис. 1.5,б).

Рис. 1.5. Кривые течения характеризующие:

а) тиксотропные системы; б) реопексные системы

Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса (рис. 1.5) при нагрузке и разгрузке. Площадь реограммы между кривой и осью ординат представляет собой (в соответствующем масштабе) удельную мощность (на единицу объёма в Вт/м3). Она складывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этом же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса, характеризуют степень приближения структуры к равновесному состоянию.

Во многих процессах продукт подвергается интенсивным механическим воздействиям (в насосах, мешалках и т.д.), т.е. его структура достигает частичного или практически предельного разрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований для практических расчетов следует хотя бы приближенно выбрать ту кривую течения, которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим при расчете различных процессов необходимо использовать характеристики, определенные в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественную оценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данного процесса характеристикам.

Механическое моделирование реологического

поведения пищевых материалов

В реологии различают два взаимоисключающих понятия: «твёрдое идеально-упругое тело» и «невязкая жидкость». Под первым понимается такое тело, равновесные форма и напряжение которого достигаются мгновенно. Жидкость называется невязкой, т.е. если жидкость не способна создавать и поддерживать напряжения сдвига. Между предельными состояниями тел – удеальноупругими твёрдыми телами и невязкими жидкостями – в природе существует огромное многообразие тел промежуточного характера.

Рассмотрим основные модели, которые могут встретиться при изучении реологических свойств пищевых масс. При этом необходимо указать, что точные математические закономерности получены только для ньютоновских жидкостей, для всех неньютоновских течений получены только приближённые формулы.

Известны три промежуточные модели идеализированных материалов (таблица 1.3): идеально-упругое тело (Гука); идеально-вязкая жидкость (Ньютона); идеально-пластичное тело (Сен-Венана).

Идеально-упругое тело Гука. В идеально-упругом теле (модель – пружина) энергия, затраченная на деформацию, накапливается и может быть возвращена при разгрузке. Закон Гука описывает поведение кристаллических и аморфных твёрдых тел при малых деформациях, а также жидкостей при изотропном расширении – сжатии.

Идеально-вязкая жидкость Ньютона. Идеально-вязкая жидкость характеризуется тем, что в ней напряжения пропорциональны скорости деформации. Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они не были; однако скорость деформации снижается при уменьшении сил, а при их исчезновении обращается в ноль. Для таких жидкостей вязкость, являющаяся константой, пропорциональна напряжению сдвига.

Таблица 1.3. Реологические модели простых идеализированных тел

Закон Ньютона описывает поведение многих низкомолекулярных жидкостей при сдвиге и продольном течении. Механическая модель ньютоновской жидкости представляет собой демпфер, состоящий из поршня, который перемещается в цилиндре с жидкостью. При перемещении поршня жидкость через зазоры между поршнем и цилиндром протекает из одной части цилиндра в другую. При этом сопротивление перемещению поршня пропорционально его скорости (см. таблицу 1.3).

Идеально пластичное тело Сен-Венана может быть представлено в виде элемента, состоящего из двух прижатых друг к другу пластин. При относительном перемещении пластин между ними возникает постоянная сила трения, не зависящая от сжимающей их силы. Тело Сен-Венана не начнёт деформироваться до тех пор, пока напряжения сдвига не превысят некоторого критического значения – предела текучести τТ (предельного напряжения сдвига), после чего элемент может двигаться с любой скоростью.

Для того чтобы описать реологическое поведение сложного тела в зависимости от свойств его компонентов, можно комбинировать в различных сочетаниях рассмотренные выше модели простейших идеальных тел, каждое из которых обладает лишь одним физико-механическим свойством. Эти элементы могут быть скомбинированы параллельно или последовательно.

Основными сложными моделями являются: упруго-пластичное тело; вязко-упругие тела Кельвина – Фойга и Максвелла; вязко-пластические тела Бингама, Шведова и Шведова – Бингама (рис. 1.6).

Модель упруго-пластического тела (рис. 1.6,а) получается при последовательном соединении упругого элемента Гука с модулем упругости G и пластического элемента Сен-Венана с пределом текучести τт. При τ < τт происходит упругая деформация материала, а при τ = τт – пластическое течение.

Вязко-упругое тело Кельвина – Фойгта представлено механической моделью, полученной при параллельном соединении упругого элемента Гука с модулем упругости G и вязкого элемента Ньютона с вязкостью η (рис. 1.6,б). Под действием растягивающего усилия пружина удлиняется, а поршень будет двигаться в жидкости. Это движение поршня связано с вязким сопротивлением жидкости, ввиду чего полное растяжение пружины наступает не сразу. Когда нагрузка устранена, пружина сжимается до первоначальной длины, но это требует времени вследствие вязкого сопротивления жидкости.

Для написаний математической модели тела Кельвина – Фойгта использут то обстоятельство, что при параллельном соединении элементов деформация сложного тела γКФ равна деформации каждого элемента, а напряжение суммарного элемента τКФ равно сумме напряжений в отдельных элементах τГ и τН. На основании этого имеем систему уравнений:

     (1.11)

Воспользуемся записанными ранее математическими моделями для элементов Гука (Г) и Ньютона (Н):