Определение вязкости маловязких

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ МАЛОВЯЗКИХ

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

 

 

 

Волгоград 2012

УДК 664 (075)

 

Рецензент:

факультет Химико-технологический ВолгГТУ,

зав. Кафедрой “ТВВМ”, д-р хим. наук, профессор А.В. Навроцкий

 

Печатается по разрешению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 

 

Определение вязкости маловязких пищевых продуктов: метод. указания /Сост. Ю.Н. Богданова / ВолгГТУ.- Волгоград, 2012.-16с.

 

ISBN 5–230

 

 

В методических указаниях исследуется вязкость маловязких пищевых продуктов. Излагается методика определения динамической и кинематической вязкости. Приводится описание экспериментальной установки.

 

 

ã Волгоградский государственный технический университет, 2012

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить вязкость пищевых маловязких пищевых продуктов и приобрести навыки работы с промышленным капиллярным вискозиметром марки ВПЖ.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1) С помощью промышленного капиллярного вискозиметра определить вязкость пищевых продуктов.

2) Провести анализ полученных экспериментальных данных и точности предложенной методики определения вязкости маловязких пищевых продуктов.

 

ТЕ0РЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Наиболее полное представление о качестве сырья, продукта дают свойства определяемые их структурой. Под структурой понимают внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными ее элементами (частицами), которые определяются химическим составом, биохимическими показателями, дисперсностью частиц, агрегатным состоянием, температурой и рядом технологических факторов [1].

В инженерной реологии поведение материала в условиях напряженного состояния описывается структурно-механическими свойствами, которые по виду приложения усилия или напряжения к продукту делят на три группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений. Компрессионные свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме, между двумя пластинами или при каком-либо другом способе растяжения - сжатия образца продукта. Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия или липкость) и касательных (внешнее трение) напряжений.

Среди них сдвиговые свойства наиболее полно отражают внутреннюю сущность материала при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений, поэтому их принято считать основными. С их помощью рассчитывают течение продуктов по трубам, в рабочих органах машин и аппаратов, определяют необходимые условия для перемещения продукта. Кроме того, они позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки, то есть дают возможность обосновать оптимальные технологические и механические условия процесса. К сдвиговым свойствам продуктов относят предельное напряжение сдвига, вязкость, период релаксации и другие [2].

Для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов применяются приборы, позволяющие определить силу сопротивления внутри материала при относительном смещении его слоев. Приборы для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов по принципу действия делятся на следующие группы: капиллярные, ротационные, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и другие.

Среди пищевых продуктов особую группу составляют продукты, которые принято называть жидкостями или жидкообразными. В движущейся жидкости наблюдается скольжение слоев. При этом между ними возникает трение, в результате чего в жидкости проявляется действующая по поверхностям скольжения сила внутреннего трения. Сила внутреннего трения оказывает сопротивление движению жидкости и уравновешивается со стороны соседних слоев касательными силами, приводящими к возникновению в жидкости касательных напряжений. Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению, сопровождающееся возникновением в ней при движении касательных напряжений, называется вязкостью [1,2].

Если представить поток состоящим из отдельных бесконечно тонких слоев толщиной dy, то скорости разных слоев будут изменяться по некоторому закону от нуля у стенки, к которой жидкость прилипает, до максимума в центре потока. Пусть скорость соседних слоев будет   и . Отношение  называется градиентом скорости сдвига.

Согласно гипотезе Ньютона и Петрова (закон Ньютона-Петрова), касательные напряжения при движении жидкости пропорциональны градиенту скорости сдвига:

 

                                             (1)

 

где  - касательные напряжения в жидкости [н/м²];

 - градиент скорости сдвига, [1/с];

µ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или просто динамической вязкостью, [н.с/м²].

При выполнении технических расчетов, в гидравлике обычно пользуются коэффициентом кинематической вязкости, представляющим собой отношение [3]:

 

                                      (2)

 

где r - плотность жидкости [кг/м³];

v - коэффициент кинематической вязкости или просто кинематическая вязкость [м²/с].

Коэффициенты динамической и кинематической вязкости служат мерой количественной оценки вязкостных свойств жидкости. Приведенные выше размерности коэффициентов вязкости даны в системе СИ, однако часто их выражают в системе СГС[4]:

динамическая вязкость µ [дин с/см²],

кинематическая v [см²/с].

В технике за единицу динамической вязкости принят пуаз, [пз], а за единицу кинематической вязкости - стокс, [ст]. Для характеристики маловязких жидкостей иногда пользуются сотыми долями этих единиц – сантипуазом [спз] и сантистоксом [сст].

 

1[пз]=1[дин с/ см²]=10^-1[н с/м²]=10²[спз]

1[ст]=1[см²/с]=10^-4[м²/с]=10²[сст]

Жидкости, для которых выполняется закон Ньютона-Петрова, называются ньютоновскими или вязкими. Жидкости, для которых этот закон не выполняется, называются неньютоновскими или аномально-вязкими. Примерами ньютоновских жидкостей могут служить сахарные сиропы, молоко, пиво, фруктовые соки (без мякоти), растительные масла, топленые животные жиры и некоторые сорта мёда, примерами неньютоновских жидкостей – мороженое, агар, пектиновый гель.

Приборы, применяющиеся для определения вязкости жидкости, называются вискозиметрами. Для измерения вязкости жидкообразных систем (мясной бульон, животный жир при температуре выше плавления, молоко, водо-белково-солевые растворы) преимущественно применяют капиллярные и шариковые вискозиметры. Более универсальными являются капиллярные вискозиметры, так как дают возможность исследовать аномалию вязкости при различных давлениях истечения. Они применяются для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкообразных систем, не имеющих статического предельного напряжения сдвига, то есть обладающих текучестью при любых напряжениях сдвига.

Теория капиллярных вискозиметров теоретически обоснована; основана на гипотезе сплошности и непрерывности жидкости и использует следующие допущения и ограничения: скорость жидкости на стенке принимается равной нулю; продукт считается не сжимаемым; реологические характеристики неизменны по длине и не зависят от времени, то есть на течение не оказывают влияния процессы тиксотропии, реопексии и релаксации.

Главным требованием, предъявляемым к капиллярным вискозиметрам, является отсутствие турбулизации потока, то есть режим движения должен быть ламинарным или структурным. Режим движения характеризуется критерием Рейнольдса, который не должен превышать 150, а длительность истечения жидкости через капилляр не должна быть меньше 100 сек. В теории капиллярной вискозиметрии рассматривается только равномерное (силы инерции равны нулю) прямолинейное (центробежные силы равны нулю) движение жидкости в горизонтальной трубке (силы тяжести проектируются на ось, совпадающую с направлением движения и равны нулю) [1,2].

Капиллярные вискозиметры можно условно разделить на три группы: стекло капиллярные, цилиндр - поршень и приборы истечения (рисунок 1). К первой группе приборов относятся простейшие вискозиметры, представляющие собой U- образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр [5].

 

 

а - Уббелоде; б - Оствальда; в - Оствальда-Фенске; г - Канон-Фенске

Рисунок 1 - Капиллярные стеклянные вискозиметры

 

Схематически капиллярный вискозиметр (рисунок 2) представляет собой резервуар, из которого по калиброванному капилляру происходит истечение жидкости при переменном напоре.

 

Рисунок 2 - Схема устройства капиллярного вискозиметра

 

Расход жидкости через капилляр вискозиметра можно определить по формуле Пуазейля [3]:

 

                                         (3)

 

где Q - расход жидкости, равный объему резервуара, [м³];

R -радиус капилляра, [м];

L - длина капилляра, [м];

t - время истечения жидкости из капилляра, равное времени опорожнения резервуара, [с];

D Р - разность давлений по концам капилляра, [н/м²].

Приближенно можно принять, что течение в капилляре происходит при некотором постоянном перепаде давлений, равном

 

                                        (4)

 

где   - средний напор над устьем капилляра, [м];

r -  плотность жидкости, [кг/м³];

g - удельный вес жидкости, [н/м³];

- ускорение свободного падения 9,81 [м/с²].

Подставив значение перепада давления (4) в уравнение (3), получим следующее выражение для формулы Пуазейля:

 

                             (5)

 

из которого кинематическая вязкость определяется как

 

                                               (6)

 

Так как величины H ₁, H ₂, R _,, L, Q - - постоянны для данного вискозиметра, то можно обозначить:

 

                                                 (7)

 

гдеС - размерная константа, называемая постоянной вискозиметра, [м²/ceк²].

Учитывая (7), формулу (6) можно записать как

                                                 (8)

 

Формула (8) используется при определении кинематической вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра. При выводе формулы (8) сделано допущение о постоянстве перепада давления при течении жидкости в капилляре и не учтены потери давления на входе жидкости в капилляр (так называемый входовой эффект), поэтому значение постоянной вискозиметра определяют не расчетным путем по формуле (7), а экспериментально. Для экспериментального определения постоянной вискозиметра пользуются эталонной жидкостью, кинематическая вязкость которой  известна. Замеряя время истечения эталонной жидкости из резервуара вискозиметра, определяют постоянную вискозиметра как

 

                                                (9)

 

Найденная таким образом на заводе-изготовителе постоянная вискозиметра заносится в его паспорт, прилагаемый к прибору.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Методика выполнения работы

1. Согласно паспорту, перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно промыт и высушен. Вискозиметр вначале промывают бензином, а затем петролейным эфиром. После растворителя промывают водой и заливают не менее чем на 5-6 час хромовой смесью. После этого вискозиметр промывают дистиллированной водой и сушат. Для более быстрой сушки вискозиметр можно промыть ацетоном.

2. Далее следует тщательно промыть вискозиметр жидкостью, вязкость которой измеряется, и залить свежую порцию этой жидкости в вискозиметр до уровня между метками a и b.

3. Поместить вискозиметр и термометр в сосуд 16. В целях предотвращения поломки, вискозиметр укрепить так, чтобы он касался поворотом 1 дна сосуда. Присоединить к вискозиметру грушу.

4. Заполнить сосуд 16 термостатирующей жидкостью, уровень жидкости в сосуде должен быть несколько ниже метки.

5. Помешивать палочкой в течение 15 минут термостатирующую жидкость в сосуде 16. В течение этого времени температура исследуемой жидкости, залитой в вискозиметр, и температура стенок капилляра станут равны температуре термостатирующей жидкости.

6. Средним пальцем левой руки плотно закрыть отверстие в колене вискозиметра 9 и накачивать грушей воздух до тех пор, пока жидкость, поднимаясь по капилляру, не заполнит верхнее расширение 7 в колене 8. После этого, не отнимая среднего пальца от колена 9, закрывают указательным пальцем той же руки колено 8, а затем открывают колено 9. Подождав когда полностью стечет жидкость из колена 9, отнимают указательный палец от колена 8, и жидкость начинает вытекать из расширений 7 и 6. При достижении уровнем жидкости метки С включить секундомер, а при достижении метки d остановить его. Сделать не менее 5-8 замеров времени истечения жидкости из резервуара 6.

7. По окончании работы вылить из вискозиметра жидкость и тщательно промыть его водой, вылить термостатирующую жидкость из сосуда 16.

8. Определить с помощью ареометра или пикнометра плотность исследуемой жидкости при комнатной температуре. Если исследуемой жидкостью является вода, то плотность ее можно взять из справочных таблиц.

5.2 Обработка опытных данных и составление отчета

Вычислить среднеарифметическое значение времени истечения:

 

                                                 (10)

 

где n -количество замеров времени истечения жидкости;

t - время i -го замера времени, [с].

Вычислить кинематическую вязкость жидкости:

 

                                       (11)

 

Значение постоянной С необходимо взять из паспорта вискозиметра. Вычислить динамическую вязкость жидкости

 

                                        (12)

 

При изменении температуры, жидкости в пределах 5град, плотность ее мало изменяется, поэтому в вышеприведённую формулу подставляется плотность жидкости, найденная при комнатной температуре. Если, исследуемой жидкостью является вода, то ее плотность можно определить при температуре термостатирующей жидкости по справочным таблицам.

 

Таблица 1 - Опытные и расчетные данные

№ п/п	Время истечения t, [с]	Среднее значение времени истечения t ср, [с]	Кинем. вязкость v (м2/с)	Плотность r (кг/м3)	Динамич. вязкость µ (н с/м2)	Температура термостат. ж-ти t (С°)

Провести анализ точности предложенной методики определения вязкости жидкообразных продуктов.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать цель работы, содержание, схему и описание экспериментальной установки, таблицу опытных данных и рассчитанных величин, расчет кинематической и динамической вязкостей жидкообразного продукта.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ МАЛОВЯЗКИХ

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

 

 

 

Волгоград 2012

УДК 664 (075)

 

Рецензент:

факультет Химико-технологический ВолгГТУ,

зав. Кафедрой “ТВВМ”, д-р хим. наук, профессор А.В. Навроцкий

 

Печатается по разрешению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

 

 

Определение вязкости маловязких пищевых продуктов: метод. указания /Сост. Ю.Н. Богданова / ВолгГТУ.- Волгоград, 2012.-16с.

 

ISBN 5–230

 

 

В методических указаниях исследуется вязкость маловязких пищевых продуктов. Излагается методика определения динамической и кинематической вязкости. Приводится описание экспериментальной установки.

 

 

ã Волгоградский государственный технический университет, 2012

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить вязкость пищевых маловязких пищевых продуктов и приобрести навыки работы с промышленным капиллярным вискозиметром марки ВПЖ.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1) С помощью промышленного капиллярного вискозиметра определить вязкость пищевых продуктов.

2) Провести анализ полученных экспериментальных данных и точности предложенной методики определения вязкости маловязких пищевых продуктов.

 

ТЕ0РЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Наиболее полное представление о качестве сырья, продукта дают свойства определяемые их структурой. Под структурой понимают внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными ее элементами (частицами), которые определяются химическим составом, биохимическими показателями, дисперсностью частиц, агрегатным состоянием, температурой и рядом технологических факторов [1].

В инженерной реологии поведение материала в условиях напряженного состояния описывается структурно-механическими свойствами, которые по виду приложения усилия или напряжения к продукту делят на три группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений. Компрессионные свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме, между двумя пластинами или при каком-либо другом способе растяжения - сжатия образца продукта. Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия или липкость) и касательных (внешнее трение) напряжений.

Среди них сдвиговые свойства наиболее полно отражают внутреннюю сущность материала при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений, поэтому их принято считать основными. С их помощью рассчитывают течение продуктов по трубам, в рабочих органах машин и аппаратов, определяют необходимые условия для перемещения продукта. Кроме того, они позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки, то есть дают возможность обосновать оптимальные технологические и механические условия процесса. К сдвиговым свойствам продуктов относят предельное напряжение сдвига, вязкость, период релаксации и другие [2].

Для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов применяются приборы, позволяющие определить силу сопротивления внутри материала при относительном смещении его слоев. Приборы для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов по принципу действия делятся на следующие группы: капиллярные, ротационные, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и другие.

Среди пищевых продуктов особую группу составляют продукты, которые принято называть жидкостями или жидкообразными. В движущейся жидкости наблюдается скольжение слоев. При этом между ними возникает трение, в результате чего в жидкости проявляется действующая по поверхностям скольжения сила внутреннего трения. Сила внутреннего трения оказывает сопротивление движению жидкости и уравновешивается со стороны соседних слоев касательными силами, приводящими к возникновению в жидкости касательных напряжений. Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению, сопровождающееся возникновением в ней при движении касательных напряжений, называется вязкостью [1,2].

Если представить поток состоящим из отдельных бесконечно тонких слоев толщиной dy, то скорости разных слоев будут изменяться по некоторому закону от нуля у стенки, к которой жидкость прилипает, до максимума в центре потока. Пусть скорость соседних слоев будет   и . Отношение  называется градиентом скорости сдвига.

Согласно гипотезе Ньютона и Петрова (закон Ньютона-Петрова), касательные напряжения при движении жидкости пропорциональны градиенту скорости сдвига:

 

                                             (1)

 

где  - касательные напряжения в жидкости [н/м²];

 - градиент скорости сдвига, [1/с];

µ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или просто динамической вязкостью, [н.с/м²].

При выполнении технических расчетов, в гидравлике обычно пользуются коэффициентом кинематической вязкости, представляющим собой отношение [3]:

 

                                      (2)

 

где r - плотность жидкости [кг/м³];

v - коэффициент кинематической вязкости или просто кинематическая вязкость [м²/с].

Коэффициенты динамической и кинематической вязкости служат мерой количественной оценки вязкостных свойств жидкости. Приведенные выше размерности коэффициентов вязкости даны в системе СИ, однако часто их выражают в системе СГС[4]:

динамическая вязкость µ [дин с/см²],

кинематическая v [см²/с].

В технике за единицу динамической вязкости принят пуаз, [пз], а за единицу кинематической вязкости - стокс, [ст]. Для характеристики маловязких жидкостей иногда пользуются сотыми долями этих единиц – сантипуазом [спз] и сантистоксом [сст].

 

1[пз]=1[дин с/ см²]=10^-1[н с/м²]=10²[спз]

1[ст]=1[см²/с]=10^-4[м²/с]=10²[сст]

Жидкости, для которых выполняется закон Ньютона-Петрова, называются ньютоновскими или вязкими. Жидкости, для которых этот закон не выполняется, называются неньютоновскими или аномально-вязкими. Примерами ньютоновских жидкостей могут служить сахарные сиропы, молоко, пиво, фруктовые соки (без мякоти), растительные масла, топленые животные жиры и некоторые сорта мёда, примерами неньютоновских жидкостей – мороженое, агар, пектиновый гель.

Приборы, применяющиеся для определения вязкости жидкости, называются вискозиметрами. Для измерения вязкости жидкообразных систем (мясной бульон, животный жир при температуре выше плавления, молоко, водо-белково-солевые растворы) преимущественно применяют капиллярные и шариковые вискозиметры. Более универсальными являются капиллярные вискозиметры, так как дают возможность исследовать аномалию вязкости при различных давлениях истечения. Они применяются для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкообразных систем, не имеющих статического предельного напряжения сдвига, то есть обладающих текучестью при любых напряжениях сдвига.

Теория капиллярных вискозиметров теоретически обоснована; основана на гипотезе сплошности и непрерывности жидкости и использует следующие допущения и ограничения: скорость жидкости на стенке принимается равной нулю; продукт считается не сжимаемым; реологические характеристики неизменны по длине и не зависят от времени, то есть на течение не оказывают влияния процессы тиксотропии, реопексии и релаксации.

Главным требованием, предъявляемым к капиллярным вискозиметрам, является отсутствие турбулизации потока, то есть режим движения должен быть ламинарным или структурным. Режим движения характеризуется критерием Рейнольдса, который не должен превышать 150, а длительность истечения жидкости через капилляр не должна быть меньше 100 сек. В теории капиллярной вискозиметрии рассматривается только равномерное (силы инерции равны нулю) прямолинейное (центробежные силы равны нулю) движение жидкости в горизонтальной трубке (силы тяжести проектируются на ось, совпадающую с направлением движения и равны нулю) [1,2].

Капиллярные вискозиметры можно условно разделить на три группы: стекло капиллярные, цилиндр - поршень и приборы истечения (рисунок 1). К первой группе приборов относятся простейшие вискозиметры, представляющие собой U- образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр [5].

 

 

а - Уббелоде; б - Оствальда; в - Оствальда-Фенске; г - Канон-Фенске

Рисунок 1 - Капиллярные стеклянные вискозиметры

 

Схематически капиллярный вискозиметр (рисунок 2) представляет собой резервуар, из которого по калиброванному капилляру происходит истечение жидкости при переменном напоре.

 

Рисунок 2 - Схема устройства капиллярного вискозиметра

 

Расход жидкости через капилляр вискозиметра можно определить по формуле Пуазейля [3]:

 

                                         (3)

 

где Q - расход жидкости, равный объему резервуара, [м³];

R -радиус капилляра, [м];

L - длина капилляра, [м];

t - время истечения жидкости из капилляра, равное времени опорожнения резервуара, [с];

D Р - разность давлений по концам капилляра, [н/м²].

Приближенно можно принять, что течение в капилляре происходит при некотором постоянном перепаде давлений, равном

 

                                        (4)

 

где   - средний напор над устьем капилляра, [м];

r -  плотность жидкости, [кг/м³];

g - удельный вес жидкости, [н/м³];

- ускорение свободного падения 9,81 [м/с²].

Подставив значение перепада давления (4) в уравнение (3), получим следующее выражение для формулы Пуазейля:

 

                             (5)

 

из которого кинематическая вязкость определяется как

 

                                               (6)

 

Так как величины H ₁, H ₂, R _,, L, Q - - постоянны для данного вискозиметра, то можно обозначить:

 

                                                 (7)

 

гдеС - размерная константа, называемая постоянной вискозиметра, [м²/ceк²].

Учитывая (7), формулу (6) можно записать как

                                                 (8)

 

Формула (8) используется при определении кинематической вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра. При выводе формулы (8) сделано допущение о постоянстве перепада давления при течении жидкости в капилляре и не учтены потери давления на входе жидкости в капилляр (так называемый входовой эффект), поэтому значение постоянной вискозиметра определяют не расчетным путем по формуле (7), а экспериментально. Для экспериментального определения постоянной вискозиметра пользуются эталонной жидкостью, кинематическая вязкость которой  известна. Замеряя время истечения эталонной жидкости из резервуара вискозиметра, определяют постоянную вискозиметра как

 

                                                (9)

 

Найденная таким образом на заводе-изготовителе постоянная вискозиметра заносится в его паспорт, прилагаемый к прибору.