|
|
Курсовая по реологии. Курсовой проект по дисциплине Реология
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Калининградский Государственный Технический Университет»
Кафедра технологии продуктов питания
Курсовой проект Курсовой проект защищен
допущен к защите с оценкой ______________________
руководитель: кандидат технических наук руководитель: кандидат технических наук
_______________Терещенко В.П. ________________Терещенко В.П.
(подпись, дата) (подпись, дата)
Тема: «Говядина»
Курсовой проект по дисциплине «Реология»
Работу выполнила:
Калининград 2020
Оглавление
Введение
Пищевая индустрия XXI века стремительно развивается, более чем втрое за последние годы возросла доходность пищевой промышленности, что позволило сделать ее конкурентоспособной по мировым меркам. С возрастающей конкуренцией в этой области многие предприятия уделяют все большее внимание проблемам экономической эффективности и качеству производимой ими продукции. Как известно, различные пищевые продукты обладают не только разнообразным химическим составом, но и различными свойствами, что влияет на качество продукции. При проектировании машин и аппаратов для выпуска пищевых продуктов необходимо учитывать различные свойства тех или иных продуктов, что не всегда выполняется.
РЕОЛОГИЯ (от греч. rheos – течение, поток и logos – слово, учение) – наука о деформациях и текучести вещества. Рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластичных материалов, явления релаксации напряжений и т.д. Реология тесно связана с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести, в ней широко пользуются методами вискозиметрии и т.д. Для технологов мясной и молочной промышленности знание реологических характеристик пищевых продуктов необходимое условие успешной работы.
В зависимости от поставленной задачи, исследованные реологические характеристики могут быть использованы для определения и контроля качества готового продукта, регулирования параметров технологического процесса производства, служить исходными данными при конструировании технологического оборудования и «конструирования» тех или иных видов пищевых продуктов и т.п.
Реология тесно связана с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести; в ней широко пользуются методами вискозиметрии. С проблемами реологии приходится встречаться во многих областях техники, в физике полимеров, при изучении механизмов трения, в физике дисперсных систем, в биофизике, в механике грунтов и т.д. В Реологии существует несколько подразделов:
1. Теоретическая реология – занимает промежуточное положение между гидромеханикой и теориями упругости, пластичности и ползучести. Она устанавливает зависимости между напряжениями, вызываемыми деформациями и их изменением во времени. Основное внимание обращается на сложное реологическое поведение вещества, когда появляются, например, вязкие и упругие свойства или вязкие и пластичные и т.д.
2. Экспериментальная реология – определение реологических свойств с помощью специальных приборов и испытательных машин.
3. Микрореология – исследует деформации и течение в микрообъемах, например, в объемах соизмеряемых с размерами частиц дисперсной фазы в дисперсных системах.
4. Биореология исследует течение разнообразных биологических жидкостей, деформации различных тканей у человека и животных.
Типичный реологический процесс – это сравнительно медленное течение вещества, в котором обнаруживаются упругие, пластические или высокоэластические свойства. В перечень «реологических» сред входят тела, как твердые, так и жидкие. Реология позволяет понять, что при быстрых воздействиях все тела ведут себя как твердые, при медленных – текут.
В инженерной реологии пищевых производств можно условно выделить четыре части:
1. Общая реология или реология пищевых материалов. Эта часть содержит основные сведения из общей теоретической реологии, отобранные с целевым назначением для инженера-пищевика.
2. Реометрия пищевых материалов. В ней рассматриваются экспериментальные методы и результаты измерения реологических свойств пищевых материалов и особенности их проявления при взаимодействии перерабатываемого продукта с рабочими органами машин и каналами аппаратов.
3. Реодинамические расчеты. Этот раздел посвящен расчетным моделям, дающим количественную теоретическую оценку результатов взаимодействия пищевых сред с рабочими органами и каналами машин и позволяющим проводить необходимые технологические расчеты машин (производительность, потребная мощность и т. п.).
4. Реологические основы оптимизации, интенсификации, контроля и управления в пищевой промышленности.
Инженерная реология, кроме непосредственного изучения реологических свойств реальных материалов, рассматривает также использование этих свойств для построения расчетных моделей машин и аппаратов перерабатывающей промышленности и для управления технологическими процессами, в рамках данного справочного пособия для нужд пищевой промышленности.
1. Научные основы реологии
Для моделирования поведения сложного реологического тела в зависимости от свойств его компонентов в инженерной реологии используются комбинации в различных сочетаниях, каждое из которых обладает только одним физико-механическим свойством.
Модели простых идеальных тел можно комбинировать, располагая их параллельно, последовательно, смешанно (параллельно и последовательно). В комбинациях число простых элементов может быть разное – два, три, четыре и более, достигая 10-20. Однако практика показывает, что применение в моделях свыше трех, четырех элементов значительно усложняет возможности визуального наблюдения за поведением тел при одновременном изменении такого количества его свойств. Поэтому, чаще всего применяются сложные модели, в которых количество элементов составляет не более трех, четырех.
Для параллельного соединения элементов принимается, что деформация упругого элемента равна деформации вязкого элемента, а суммарное напряжение равно сумме напряжений упругого и вязкого элементов.
Механическая модель «идеально» упругого тела. Такой моделью представляется упругое тело Гука и изображается в виде пружины (рис. 1).
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Калининградский Государственный Технический Университет»
Кафедра технологии продуктов питания
Курсовой проект Курсовой проект защищен
допущен к защите с оценкой ______________________
руководитель: кандидат технических наук руководитель: кандидат технических наук
_______________Терещенко В.П. ________________Терещенко В.П.
(подпись, дата) (подпись, дата)
Тема: «Говядина»
Курсовой проект по дисциплине «Реология»
Работу выполнила:
Калининград 2020
Оглавление
Введение
Пищевая индустрия XXI века стремительно развивается, более чем втрое за последние годы возросла доходность пищевой промышленности, что позволило сделать ее конкурентоспособной по мировым меркам. С возрастающей конкуренцией в этой области многие предприятия уделяют все большее внимание проблемам экономической эффективности и качеству производимой ими продукции. Как известно, различные пищевые продукты обладают не только разнообразным химическим составом, но и различными свойствами, что влияет на качество продукции. При проектировании машин и аппаратов для выпуска пищевых продуктов необходимо учитывать различные свойства тех или иных продуктов, что не всегда выполняется.
РЕОЛОГИЯ (от греч. rheos – течение, поток и logos – слово, учение) – наука о деформациях и текучести вещества. Рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластичных материалов, явления релаксации напряжений и т.д. Реология тесно связана с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести, в ней широко пользуются методами вискозиметрии и т.д. Для технологов мясной и молочной промышленности знание реологических характеристик пищевых продуктов необходимое условие успешной работы.
В зависимости от поставленной задачи, исследованные реологические характеристики могут быть использованы для определения и контроля качества готового продукта, регулирования параметров технологического процесса производства, служить исходными данными при конструировании технологического оборудования и «конструирования» тех или иных видов пищевых продуктов и т.п.
Реология тесно связана с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести; в ней широко пользуются методами вискозиметрии. С проблемами реологии приходится встречаться во многих областях техники, в физике полимеров, при изучении механизмов трения, в физике дисперсных систем, в биофизике, в механике грунтов и т.д. В Реологии существует несколько подразделов:
1. Теоретическая реология – занимает промежуточное положение между гидромеханикой и теориями упругости, пластичности и ползучести. Она устанавливает зависимости между напряжениями, вызываемыми деформациями и их изменением во времени. Основное внимание обращается на сложное реологическое поведение вещества, когда появляются, например, вязкие и упругие свойства или вязкие и пластичные и т.д.
2. Экспериментальная реология – определение реологических свойств с помощью специальных приборов и испытательных машин.
3. Микрореология – исследует деформации и течение в микрообъемах, например, в объемах соизмеряемых с размерами частиц дисперсной фазы в дисперсных системах.
4. Биореология исследует течение разнообразных биологических жидкостей, деформации различных тканей у человека и животных.
Типичный реологический процесс – это сравнительно медленное течение вещества, в котором обнаруживаются упругие, пластические или высокоэластические свойства. В перечень «реологических» сред входят тела, как твердые, так и жидкие. Реология позволяет понять, что при быстрых воздействиях все тела ведут себя как твердые, при медленных – текут.
В инженерной реологии пищевых производств можно условно выделить четыре части:
1. Общая реология или реология пищевых материалов. Эта часть содержит основные сведения из общей теоретической реологии, отобранные с целевым назначением для инженера-пищевика.
2. Реометрия пищевых материалов. В ней рассматриваются экспериментальные методы и результаты измерения реологических свойств пищевых материалов и особенности их проявления при взаимодействии перерабатываемого продукта с рабочими органами машин и каналами аппаратов.
3. Реодинамические расчеты. Этот раздел посвящен расчетным моделям, дающим количественную теоретическую оценку результатов взаимодействия пищевых сред с рабочими органами и каналами машин и позволяющим проводить необходимые технологические расчеты машин (производительность, потребная мощность и т. п.).
4. Реологические основы оптимизации, интенсификации, контроля и управления в пищевой промышленности.
Инженерная реология, кроме непосредственного изучения реологических свойств реальных материалов, рассматривает также использование этих свойств для построения расчетных моделей машин и аппаратов перерабатывающей промышленности и для управления технологическими процессами, в рамках данного справочного пособия для нужд пищевой промышленности.
1. Научные основы реологии
Для моделирования поведения сложного реологического тела в зависимости от свойств его компонентов в инженерной реологии используются комбинации в различных сочетаниях, каждое из которых обладает только одним физико-механическим свойством.
Модели простых идеальных тел можно комбинировать, располагая их параллельно, последовательно, смешанно (параллельно и последовательно). В комбинациях число простых элементов может быть разное – два, три, четыре и более, достигая 10-20. Однако практика показывает, что применение в моделях свыше трех, четырех элементов значительно усложняет возможности визуального наблюдения за поведением тел при одновременном изменении такого количества его свойств. Поэтому, чаще всего применяются сложные модели, в которых количество элементов составляет не более трех, четырех.
Для параллельного соединения элементов принимается, что деформация упругого элемента равна деформации вязкого элемента, а суммарное напряжение равно сумме напряжений упругого и вязкого элементов.
Механическая модель «идеально» упругого тела. Такой моделью представляется упругое тело Гука и изображается в виде пружины (рис. 1).
а б
Рисунок 1 – Механическая модель тела Гука
Данная модель характеризуется тем, что при приложении мгновенной нагрузки пружина сжимается, а после снятия возвращается в исходное положение. При этом понимается, что деформации возникают непосредственно после приложения нагрузки и скорость ее распространения практически мгновенна.
Ее поведение описывается законом Гука, основным уравнением которого являются выражения вида:
;
.
Зависимость напряжения от деформации ( или ) принято показывать в виде реограммы, т.е. в виде графика (рис. 1, б).
На практике механические модели «идеальных» тел и их основные уравнения используются для описания поведения, свойств реальных пищевых материалов, жидкостей, которые достаточно близки по свойствам к ним. Однако, в большинстве это невозможно по причине того, что пищевые материалы представляют собой достаточно сложные композиции, которые одновременно могут обладать двумя, тремя и более свойствами.
Основными сложными моделями, широко используемыми для моделирования реальных пищевых продуктов (говядина), являются: модель упруго-вязкого тела (тело Максвелла), модель упруго-вязкого тела (тело Фойгта-Кельвина).
Механическая модель вязкоупругого тела с релаксацией деформаций (тела Максвелла)
Механическая модель вязко-упругого релаксирующего тела Максвелла (рис. 2) представляет последовательное соединение элементов Гука с модулем упругости и Ньютона с вязкостью . На оба элемента действует одинаковое напряжение . Для последовательного соединения элементов считается, что полная скорость деформации тела равна сумме скоростей ее элементов и каждый элемент передает полную нагрузку.
Рисунок 2 – Механическая модель тела Максвелла
Поведение модели. Если к модели приложить мгновенную нагрузку и сразу снять, то успевает отреагировать только пружина, которая растянется и сожмется, а поршень не успевает сдвинутся. В этом случае модель ведет себя как упругое тело. Если после приложения нагрузки продолжать поддерживать растяжение пружины постоянным, то она релаксирует, т.е. сжимается, перемещая поршень, до тех пор, пока полностью не вернется к своему первоначальному состоянию. В этом случае модель ведет себя, почти как ньютовская жидкость.
Для упругого элемента скорость деформации определяется из закона Гука , а для вязкого из закона Ньютона .
Складывая скорости упругой и вязкой деформаций и проведя математические действия, получаем основное реологическое уравнение для тела Максвелла вида:
или
.
Механическая модель вязкоупругого тела с релаксаций напряжений (тела Фойгта-Кельвина)
Механическая модель вязкоупругого тела Фойгта- Кельвина (рис. 3) представляет параллельное соединение элементов Гука с модулем упругости и Ньютона с вязкостью .
а б
Рисунок 3 – Механическая модель тела Фойгта-Кельвина
Поведение модели. Если к модели приложить нагрузку мгновенно и снять, модель остается неподвижной, т.е. она ведет себя, как абсолютно твердое тело. Если к модели приложить нагрузку и ее удерживать постоянной, то под действием растягивающего усилия пружина удлиняется, и одновременно перемещается поршень в жидкости. При этом движение поршня связано с вязким сопротивлением жидкости, ввиду чего полное растяжение пружины наступает не сразу. После снятия нагрузки, пружина сжимается до первоначальной длины, но это требует времени вследствие вязкого сопротивления жидкости.
Поведение модели описывается основным уравнением Фойгта-Кель-вина вида:
.
Если предположить, что деформация постоянна, то =0, при этом наблюдается процесс рассасывания, релаксации напряжений, причем при =0 напряжение равно какому-то начальному значению . При интегрировании уравнения в пределах от до и времени от 0 до получают уравнение вида:
или
.
Если в этом уравнении выражение обозначить через , то уравнение примет вид:
,
где – период релаксации, сек.
Данное уравнение называют экспоненциальным уравнением релаксации напряжений.
Период релаксации характеризует быстроту процесса перехода системы из неравновесного термодинамического состояния, вызванного внешним воздействием, в состояние термодинамического равновесия. За этот период напряжение убывает в 2,7 раза.
2. Реологические и структурно-механические свойства
Теплофизические свойства говядины представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Теплофизические свойства говядины
Говядина
|
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) [ккал/(кг-град)]
|
Теплота замерзания или оттаивания, кДж/кр (ккал/кг)
|
выше точки замерзания
|
ниже точки замерзания
|
Тощая
|
3,25 (0,78)
|
1,76 (0,42)
|
234,46 (56)
|
Упитанная
|
2,55 (0,61)
|
1,49 (0,36)
|
171,66 (41)
|
Телятина
|
2,95 (0,70)
|
1,68 (0,40)
|
209,34 (50)
|
Срок хранения говядины при температуре -0,5 – +0,5°С и относительной влажности воздуха 85-90% 14-16 сут. Средняя дневная потеря массы 0,2-0,4%.
Химический состав экстрактивных веществ мышечной ткани непостоянен и зависит от глубины послеубойных изменений в мясе. Отдельные экстрактивные вещества или продукты их превращений существенно влияют на многие свойства мяса. Они оказывают влияние на его консистенцию, влагоудерживающую способность белков и отчасти определяют вкус и аромат мяса.
К азотсодержащим экстрактивным веществам относят креатин, креатинин, креатин фосфат, карнозин, аденозинтрифосфорную кислоту и продукты ее распада, свободные аминокислоты, глюта.тион, пуриновые и пиримидиновые основания. Многие из перечисленных низкомолекулярных соединений участвуют в образовании вкуса и аромата мясных продуктов. По содержанию креатина судят о крепости бульона. Глютатион активизирует мышечные ферменты, улучшающие консистенцию мяса.
К экстрактивным веществам, не содержащим азота, относят гликоген, декстрины, мальтозу, глюкозу, молочную и пировиноградную кислоты. Количество и соотношение этих веществ зависят от состояния животного и продолжительности хранения мяса.
Гликоген, называемый животным крахмалом, играет роль энергетического вещества. В мышечной ткани гликоген содержится в свободном и в связанном с белками состоянии. Содержание гликогена в мышцах достигает 0,8%, но значительно больше его в печени. В мышцах откормленных и упитанных животных гликогена несколько больше, чем у истощенных, утомленных и больных. После убоя животного гликоген распадается с образованием в основном молочной кислоты, от содержания которой зависят многие процессы, косвенно оказывающие влияние на консистенцию и вкус мяса. Кроме того, кислая среда, обусловленная накоплением молочной и фосфорной кислот, препятствует развитию гнилостной микрофлоры.
Соединительная ткань. Эта ткань составляет в среднем 16% массы туши и выполняет в организме в основном механическую функцию, связывая отдельные ткани между собой и со скелетом. Разновидности ткани: ретикулярная, рыхлая и плотная, эластическая и хрящевая. Из соединительной ткани построены сухожилия, суставные связки, надкостница, оболочки мышц, хрящи дыхательных путей, ушные раковины, межпозвоночные связки и кровеносные сосуды.
В отличие от мышечной в соединительной ткани сильно развито межклеточное вещество, которое создает многообразие видов этой ткани. Основным структурным образованием соединительной ткани являются коллагеновые и эластиновые волокна, в зависимости от соотношения которых меняются и ее свойства. Коллагеновые волокна обладают значительной прочностью; отдельные волокна собраны в пучки, покрытые тонкой оболочкой, и связаны аморфным веществом. Эластиновые волокна содержатся в соединительной ткани в меньшем количестве, чем коллагеновые.
Исключение составляет эластическая соединительная ткань, входящая в состав затылочно-шейной связки и крупных кровеносных сосудов. Эластические волокна этой ткани имеют однородную структуру и меньшую прочность, чем коллагеновые.
Коллагеновые и упругие эластические волокна значительно превосходят по прочности волокна мышечной ткани и обусловливают жесткость мяса. С возрастом животного заметно уменьшается растворимость фракций коллагена в связи с образованием дополнительных межмолекулярных поперечных связей. Эти возрастные изменения приводят к увеличению жесткости мяса.
В соединительной ткани меньше воды, чем в мышечной, но преобладают белки. Основными белками этой ткани являются коллаген, эластин, ретикулин, муцины, мукоиды. Коллаген входит в состав всех видов соединительной ткани, но особенно много его в сухожилиях (до 35%). Он не растворяется в холодной воде, но набухает. При нагревании коллагена с водой образуется глютин в виде вязкого раствора, который при охлаждении переходит в студень-гель. Эластин исключительно устойчив к действию горячей воды и не образует при нагревании глютина.
В технологических процессах продукты подвергаются внешним воздействиям, интенсивность которых зависит от сопротивляемости сырья, т.е. его физических характеристик. Величины сопротивляемости особенно важны при проведении процессов с использованием высококонцентрированных источников энергии (инфракрасный и высокочастотный нагревы, высокоскоростная механическая обработка, ультразвук, обработка давлением и др.).
Характеристика продукта складывается из комплекса физических свойств. Отдельные свойства, например, электропроводность, не отражают поведения материала даже в простейшем процессе электроконтактного нагрева. Поэтому для эффективного решения технологических задач необходимо знание динамики изменения структурно-механических, биохимических и других свойств продукта.
Всестороннее изучение свойств сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, т. е. одновременное исследование структурно-механических, физико-химических, электрофизических, биохимических, микробиологических, гистологических и других характеристик, необходимо при обязательной оценке пищевой ценности. Только путем сопоставления и совместного рассмотрения полученных данных можно получить ответ на вопрос о возможности применения на практике новых способов обработки животного сырья, имеющего столь сложный состав и пищевое назначение.
Комплексное исследование свойств мясопродуктов необходимо при обосновании новых физических способов обработки, позволяющих интенсифицировать, а в некоторых случаях и механизировать пассивные технологические процессы.
Физические свойства. Мясо и мясопродукты в связи со сложностью микроструктуры имеют большую оптическую плотность. Поглощение и рассеивание излучения определяются в основном четырьмя процессами: резонансным поглощением излучения молекулами сухого вещества, а также молекулами структурной и связанной влаги; рассеиванием излучения, обусловленным флуктуациями плотности вещества, а также рассеиванием излучения на молекулах белков, полисахаридов, ионах, на взвешенных коллоидных частицах, клетках, частицах пигментов на оптических неоднородностях - капиллярах и порах.
Теплофизические свойства. Аналитическая теория теплопроводности представляет собой теорию распространения теплоты в различных неравномерно нагретых телах, которые рассматриваются как сплошные среды, непрерывно заполняющие пространство, без учета молекулярного строения и молекулярных свойств вещества.
В соответствии с этим тела характеризуются так называемыми макросвойствами. К нимотносятся коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, удельная теплоемкость, объемная масса, вязкость вещества, коэффициенты диффузии и т.д.
Коэффициент температуропроводности, а является основным тепловым параметром при неустановившемся во времени режиме. В этом случае наряду с коэффициентом теплопроводности X на распределение температуры в теле существенное влияние оказывают удельная теплоемкость с и плотность ρ, связанные между собой соотношением, которое показывает, что коэффициент температуропроводности характеризует соотношение между двумя тепловыми свойствами тела: способностью проводить и аккумулировать теплоту.
Теплофизические свойства различных тел зависят от их химического состава, микроструктуры, пористости, влажности, предварительной термообработки, температуры и т.д. Зависимость тепловых свойств веществ от большого количества взаимно связанных факторов делает эксперимент практически единственным источником получения данных для определения этих свойств. Одновременно с этим эксперимент является источником дополнительной информации о поведении веществ, что позволяет углубить существующие физические представления о механизмах переноса теплоты, поскольку они относятся обычно не к реальным телам, а к их идеализированным моделям. Модельные представления о веществе дают возможность построить соответствующие расчетные методы для определения некоторых тепловых свойств.
| | |
|
|
Скачать 67.49 Kb.