Астрыбвтузу - 60 лет: достижения и перспективы

Программное обеспечение расчетов реодинамических свойств фариювых изделий (Канд. техн. наук Проселков В.Г., НПО "Спектр", Коган В.В., Астрыбвтуз) (УДК 664.951.5.004.12)

Для научно обоснованных расчетов рабочих органов пищевых машин и аппаратов необходимо знать реологические свойства пищевого сырья и характер его движения в процессе обработки. Реологические характеристики продуктов неодинаковы в различных технологических процессах и имеют тенденцию изменяться под воздействием многочисленных внешних факторов. С целью изучения этих характеристик существуют специальные приборы для измерения реологических параметров при различных режимах работы. Таким образом, для оценки качественной характеристики продукта необходимо определить реологические свойства и параметры приборов, характерные для рассматриваемого процесса.

Реологические или структурно-механические свойства характеризуют состояние объема продукта при воздействии на него сдвиговых касательных напряжений (Рогов и Горбатов, 1974). Предельное напряжение сдвига (Θ₀) характеризует касательное напряжение, численно равное сопротивлению внутренних слоев материала в момент их сдвига относительно друг друга. Величина Во объективно характеризует консистенцию и качественные показатели рыбного фарша и готовых изделий из него. Определение Θ₀ позволяет избежать субъективности органолептического метода (Горбатов, 1979).

Для характеристики вида структуры вязкопластичных продуктов, обладающих пределом текучести, используется уравнение Шведова-Бингама

где Θ - напряжение сдвига, Па; В^*₀ - вязкость при единичнрм значении градиента скорости, Па·с;- градиент скорости, с^-1; n - индекс течения, характеризующий угол наклона линии течения в логарифмических шкалах.

Вязкое течение неньютоновских тел протекает при любых, сколь угодно малых напряжениях сдвига. Зависимость эффективной вязкости (η_эф) от скорости сдвига - одно из основных характеристик структурно-механических свойств дисперсных систем. Эффективная вязкость характеризует равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке, при этом изменение эффективной вязкости соответствует степенной зависимости

где - относительный градиент скорости m - темп разрушения структуры

Реологические характеристики определяли ротационным вискозиметром РВ-8. Для измерения вязко-пластичных продуктов, к которым можно отнести рыбный фарш, вискозиметр оснащается ротором с шагом рифления 3 мм. Диаметр ротора должен быть подобран таким образом, чтобы величина кольцевого зазора между стаканом и ротором была в пределах 5-6 мм (Проселков, Самусенко, 1983). Перед началом измерений рабочий объем стакана заполняют навеской исследуемого рыбного фарша массой 0,06 кг, после чего его закрепляют на приборе и термо-статируют. На чашки вискозиметра устанавливают грузы одинаковой массы и освобождают тормоз. С помощью ручного секундомера определяют время поворота стрелки прибора на 3-20°. Затем начинают изменять с определенным шагом массу грузов. При этом каждый раз изменяется частота вращения ротора. Опыты проводят несколько раз с постоянным увеличением и уменьшением грузов. В процессе измерения периодически проводят проверку температуры в термостате, которая должна поддерживаться на постоянном уровне. После окончания измерений определяют высоту слоя фарша в стакане по следу его контакта на цилиндрической части поверхности ротора.

Для расчета реологических характеристик определяют константы прибора К, К, К₁, К₂ (Косой, 1983), которые зависят от геометрических размеров рабочих органов вискозиметра и глубины погружения ротора в продукт (h). Затем определяют действительную массу грузов и частоту вращения ротора

где n - частота вращения ротора, рад; τ = φ/360; τ - продолжительность вращения ротора, с.

Далее определяют градиент скорости

где R_B - радиус рифленого ротора, м; R_H - радиус стакана, м.

Для каждого значения частоты вращения ротора вычисляют эффективную вязкость

где М - действительная масса грузов, вращающих ротор, кг.

В логарифмических шкалах строят график η_эф=f(γ), который подчиняется степенной зависимости. Пользуясь этим графиком,определяют значения В^*₀, m.

Для нахождения Θ₀ рассчитывают напряжение сдвига для каждого измерения по формуле.

В координатах N(Θ) для каждой серии измерений строят кривую течения. Для случая, когда сдвиг не распространяется на всю толщину кольца, пластическую вязкость вычисляют по уравнению Волоровича (Рогов, Горбатов, 1974)

Задаваясь значениями Θ₀ которые выбирают по графику N = f(Θ), рассчитывают η по уравнению (8). Выбирают такое значение сдвигающей нагрузки, при котором коэффициент вариации пластической вязкости будет наименьшим. Полученной величине η соответствует задаваемое значение Θ₀.

Для облегчения расчетов реологических параметров исследуемых образцов рыбных фаршей по приведенной методике разработана программа для ЭВМ Роботрон 1715 на языке БЭЙСИК, алгоритм которой представлен на рисунке. Программа работает следующим образом. В блоки с 1-го по 4-й вводят исходные данные, параметры рассчитывают по формулам (4, 5, 6, 7). Наиболее важная часть программы - определение коэффициентов m, В, В^*₀ в блоках 5-8. Для этого используют подпрограмму, в которой задействованы методы наименьших квадратов, метод Гаусса и автоматический выбор степени полинома. Задаваясь значениями Θ₀ по данным расчета из блока 4 и шагом приближения, определяют η и коэффициент вариации в процентах в блоках 10 и 11. При выполнении условия данные выводятся на печать. Если условие не выполняется, то расчет повторяют с новым значением Θ₀.

В качестве примера приведен расчет реологических параметров фарша из сома с влажностью 0,730 кг/кг и жирностью 0,021 кг/кг при температуре 293 К. При решении задачи на ЭВМ необходимо задать следующие параметры: радиусы шкива R=0,02235 м, стакана R_H=0,019 м, ротора R_В=0,013 м, глубина погружения ротора h=0,075 м, ускорение свободного падения g=9,81 м/с². Затем вводят количество произведенных замеров, массу грузов на чашках (М) и время поворота ротора (τ) для каждого замера, углы поворота ротора (φ).

После этого машина ведет расчет и выводит на дисплей значения следующих параметров: частоту вращения ротора (N) , окружную скорость (со), градиент скорости (γ), эффективную вязкость (η_эф) и напряжение сдвига (Θ). Затем машина строит график зависимости N=f(Θ). С помощью особой подпрограммы, в которой использованы метод наименьших квадратов и метод Гаусса, осуществляется расчет реологических коэффициентов В, В^*₀, m. Для нашего примера эти значения равны В=7,8 Па·с, В^*₀=1402 Па·с, m=0,917. Далее с учетом графика зависимости N= =f(Θ) задается ориентировочное значение предельного напряжения сдвига и вводится шаг приближения. Машина ведет расчет и выводит на экран значения Θ, N и пластической вязкости η, а также вычисляет коэффициент вариации в процентах. В таблице представлены значения расчетных параметров при наименьшем коэффициенте вариации. Этим значениям соответствуют величины η=1278 Па·с, Θ₀=830 Па. Расчет заканчивается, когда будет выполнено условие блока 11. На дисплей выводятся значения полученных реологических параметров.

Таким образом, использование программы намного ускоряет расчет всех реологических параметров. Погрешность программного расчета их величин меньше, чем при ручном расчете. Предложенная программа может быть использована в расчетах основных реологических свойств рыбного фарша.