Исследования теплофизических и реологических свойств сливочно-растительного Спреда

Создание новых рецептур спредов на основе купажа растительных масел является перспективным направлением развития эмульсионных продуктов, с позиции улучшения их жирно-кислотного состава [1]. Выбор оптимальных параметров процесса получения сливочно-растительных спредов невозможен без знания его теплофизических и реологических свойств. Режим работы используемого оборудования также зависит от его реологических и теплофизических характеристик [2–4, 7, 8]. В процессе производства на спреды воздействуют различными видами обработки, такими как охлаждение, нагрев, перемешивание, транспортирование по трубопроводам, истечение из дозирующего устройства и нагнетание и др.

В качестве объекта исследования был выбран сливочно-растительный спред, имеющий следующий состав: масла арахисовое 10%, зародышей пшеницы 10%, льняное 20%, сливочное 59,8%; эмульгатор 0,2%.

Теплофизические свойства были исследованы на установке Соеsfеld RT-1394Н (National Instruments) (рисунок 1). Измерительное устройство состоит из двух коаксиально расположенных цилиндров 1 и 2 (рисунок 2). Внутренний цилиндр 1 изготовлен из капролона. Он состоит из трёх коаксиальных цилиндрических слоёв и установлен соосно по отношению к наружному цилиндру 2 при помощи подшипников 9.

Рисунок 1. Соеsfеld RT-1394Н (National Instruments)

Figure 1. Соеsfеld RT-1394Н (National Instruments)

Термопреобразователь сопротивления и электрический нагреватель намотаны по спирали медным и манганиновым проводом на внешней поверхности внутреннего коаксиального цилиндрического слоя. Через канал на наружной поверхности цилиндра пропущены выводы от электрического нагревателя и термического преобразователя сопротивления, подключённые к разъёму 8. От анализируемого продукта термопреобразователь сопротивления и нагреватель отделены гильзой, изготовленной из капролона 4.

Нижний торец 5 внутреннего цилиндра выполнен полусферическим. Такое конструкторское решение способствует наиболее устойчивому режиму течения вязкоупругих жидкостей в зазоре между коаксиальными цилиндрами.

Измерительная установка для исследования теплофизических свойств пищевых продуктов выполнена в соответствии со схемой, изображённой на рисунке 3.

Рисунок 2. Измерительное устройство

Figure 2. Mеаsuring device

Методика проведения исследований теплофизических характеристик включает в себя следующие действия. В полусферическое расширение внешнего цилиндра установки помещают навеску заданной массы (15 г.) исследуемого образца спреда. После чего устанавливают внутренний цилиндр и включают термостат. Приводят во вращение внешний цилиндр измерительного устройства с угловой скоростью ω = 0,1 с–1, которая даёт возможность создания в слое исследуемой жидкости заданной скорости сдвига γ = 2,5 с–1. Затем включают нагреватель измерительного устройства и выполняют регистрацию установившейся средне интегральной температуры в слое нагревателя измерительного устройства через заданный промежуток времени Δτ = 10 мин. После чего необходимо отключить привод внешнего цилиндра при достижении стационарной температуры.

Рисунок 3. Функциональная схема измерительной установки: 1 – измерительное устройство; 2 – жидкостный термостат; 3 – электродвигатель постоянного тока; 4 – усилитель мощности У-13Н; 5 – преобразователь угловой скорости; 6 – виброчастотный преобразователь; 7 – трос; 8 – рычажная система; 9 – усилитель; 10 – выпрямитель; 11 – блок питания; 12 – компьютер, оснащённый многофункциональной платой сбора данных PCI MIO-16Е-1

Figure 3. Functional sheme of measuring setup: 1 – measuring device; 2 – liquid thermostat; 3 – the direct current motor; 4 – power amplifier U–13Н; 5 – angular velocity convertor; 6 – vibration-frequency power converter; 7 – cable; 8 – lever system; 9 – amplifier; 10 – straightener; 11 – power supply; 12 – PC with data acquisition multi-function card PCI MIO-16Е-1

Если все эти операции проделаны, то можно определить теплофизические характеристики исследуемого спреда по экспериментальной информации с использованием расчётных данных, которые получают в процессе решения обратной задачи теплопроводности с применением пакета программ Lab View 7.0.

Реологические исследования сливочнорастительного спреда проводились на вибровискозиметре серии SV -10 (рисунок 4). Принцип его работы основан на использование метода камерной вибрации. Главным отличием от других ротационных вискозиметров является то, что без замены сенсорных пластин возможно непрерывно измерять динамическую вязкость в широких диапазонах.

Реологические свойства сливочно-растительных спредов трансформируются не только при изменении температуры, но и при различных скоростях градиента скорости сдвига. Среди основных реологических свойств наиболее существенное влияние на гидромеханические процессы при выработке спредов оказывают их вязкостные свойства [4, 5].

Реологические исследования сливочно-растительного спреда, а также входящих в его состав растительных масел (арахисовое, льняное и масло зародышей пшеницы), были дополнительно произведены на ротационном полусфероцилиндрическом вискозиметре РВ-8м (рисунок 5).

Рисунок 4. Вибровискозиметр SV-10

Figure 4. Vibroviscometer SV-10

Рисунок 5. Вискозиметр РВ-8м

• Figure 5.    Vibroviscometer RV-8m

Принцип определения вязкости на ротационном вискозиметре РВ-8м основан на измерении скорости вращения внутреннего цилиндра (при неподвижном внешнем) в испытуемом материале под действием определённого груза.

Теплофизические свойства спреда, полученные во время эксперимента сопоставлены графически с литературными данными для маргарина, приведёнными в [6].

Зависимость коэффициента температуропроводности сливочно-растительного спреда и маргарина, представлена на рисунке 6. На рисунке 7 представлена зависимость коэффициента теплопроводности образца сливочно-растительного спреда и маргарина от температуры. На рисунке 8 представлена зависимость удельной теплоёмкости образца спреда и маргарина от температуры.

Рисунок 6. Зависимость коэффициента температуропроводности спреда и маргарина

• Figure 6.    The dependence of spread and margarine thermal diffusivity

♦ Спред Spread □ Маргарин Margarine

Рисунок 7. Зависимость коэффициента теплопроводности спреда и маргарина от температуры

• Figure 7.    The dependence of spread and margarine thermal conductivity coefficient from temperature

Рисунок 8. Зависимость удельной теплоёмкости спреда и маргарина от температуры

• Figure 8.    The dependence of spread and margarine specific heat capacity from temperature

Во время эксперимента было получено, что с подъёмом температуры происходит увеличение таких теплофизических характеристик, как удельной теплоёмкости и коэффициента теплопроводности. Следовательно, можно сделать вывод о том, что способность сливочно-растительного спреда проводить теплоту возрастает по мере увеличения его температуры. Это обуславливается уменьшением плотности продукта. Повышение температуры единицы объёма сливочно-растительного спреда в результате притока тепла снижается с уменьшением температуры, это следует из того, что коэффициент температуропроводности образца сливочно-растительного спреда по мере роста температуры уменьшается. Это также происходит с уменьшением плотности продукта.

Полученные данные в результате исследований на вибровискозиметре были обработаны и представлены в виде графика. График зависимости динамической вязкости сливочнорастительного спреда от температуры представлен на рисунке 9.

Рисунок 9. Изменение динамической вязкости сливочнорастительного спреда в зависимости от температуры

• Figure 9.    The change of dynamic viscosity creamy-plant spread, depending from temperature

Характер изменения вязкости имеет степенную зависимость. В дальнейшем возможен выбор необходимых режимов движения и температур обработки сливочно-растительных спредов в процессе производства и транспортировки готового продукта, с учётом полученных значений динамической вязкости.

Рисунок 10. Зависимость эффективной вязкости спреда и растительных масел от скорости сдвига

• Figure 10.    Dependence of effective viscosity spread and plant oils shear rate

Данные, полученные во время эксперимента на вискозиметре РВ-8м, представлены в виде графика зависимости эффективной вязкости исследуемых продуктов от скорости сдвига при комнатной температуре 20 ºС (рисунок 10).

Заключение

Полученные данные позволяют рационально выбирать оборудование для переработки