Определение физико-механических характеристик пищевых материалов на вискозиметре

Цель работы

Научиться определять вязкость на различных видов вискозиметрах

Общие положения

Кривые течения пищевой массы, т.е. зависимости скорости сдвига от напряжения сдвига, могут быть получены не только на ротационном, но и капиллярном вискозиметре. Принцип действия капиллярного вискозиметра основан на продавливании массы через трубку (капилляр) определённых размеров. При этом фиксируют расход массы (скорость течения) и перепад давления на длине капилляра.

При работе на капиллярных вискозиметрах критерий Рейнольдса не должен превышать 150, при движении шарика в жидкости ламинарный режим наблюдается при числовых значениях критерия Рейнольдса меньше 0,2; ориентировочно при работе на ротационных вискозиметрах: если вращается внутренний цилиндр, то комплекс W _в / n не должен превышать 70×10⁴ м^-2; если вращается наружный цилиндр то комплекс W_в/n не должен превышать значения 0,19/[R_н(R_н - R_в)].

Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими. Наряду со многими преимуществами ротационных вискозиметров по сравнению с другими типами возникают затруднения, которые связаны с тепловыделением в слое испытуемой массы, находящейся в узком кольцевом зазоре. Поэтому необходимо работать в условиях, при которых выделение теплоты заведомо ничтожно, либо нужно пользоваться методами пересчета экспериментальных данных с учетом тепловыделений.

Принципиальные схемы ротационных вискозиметров показаны на рис.1. Они могут иметь одну геометрическую форму: коаксиальные цилиндры (рис. 1, а), сферы или полусферы (рис.1, б), два конуса (рис.1, б), две плоскопараллельные пластины (рис.1, г), два плоских кольца (рис.1, д) или два конических кольца (рис.1, к). Рабочий зазор или рабочий орган может быть комбинированным, т. е. состоять из двух различных поверхностей: цилиндр - диск (рис.1, е), цилиндр - полусфера (рис. 1, ж), конус - диск (рис. 1, з), цилиндр - конус (рис.1, и), цилиндр – конус - диск (рис.1, л) и др. Между рабочими поверхностями находится исследуемый продукт, сила сопротивления внутри которого при вращении одной из поверхностей измеряется. Момент сопротивления можно измерять двумя способами: на вращающейся поверхности, тогда вторая поверхность закрепляется жестко, и, вращая одну поверхность, тогда другая соединяется с динамометром.

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили коаксиально-цилиндрические комбинированные поверхности для измерения характеристик вязких и пластично-вязких продуктов (см. рис.1, е, ж, л).

Рис. 1. Принципиальные схемы ротационных вискозиметров

При исследовании пищевых масс часто применяют ротационные вискозиметры РВ-4, РВ-7, РВ-8, разработанные М. П. Воларовичем (рис.2).

Рис. 2. Вискозиметр РВ-8 системы М. П. Воларовича: 1 - шкив; 2 - блоки; 3 - установочная гайка; 4 - стакан для термостатирующей жидкости; 5 - ротор; 6 - стакан; 7 - спираль электронагрева; 8 - изоляция; 9 - стопор; 10 - шкала; 11 – стрелка.

Для случая, когда сдвиг распространяется на всю толщину исследуемой массы, заключенной между двумя цилиндрами, М.П. Воларовичем предложены формулы для определения квазиньютоновской (эффективной) вязкости h _эф (в Па×с) и предельного напряжения сдвига q ₀ (в Па) по модели Шведова - Бингама (1-25):

h _эф = КМ/ N, q ₀ = К₀М₀,              (1)

где К и К₀ - константы прибора, зависящие от его геометрических размеров и высоты, на которую загружается исследуемый продукт, м^-1с^-2, м^-1с^-2; М - масса вращающих ротор грузов, кг (за вычетом величины, компенсирующей трение в подшипниках); N - частота вращения ротора, об/с, М₀ - масса грузов, при которой начинается сдвиг, кг.