液体农业物料的流变特性.ppt

第三章 液体农业物料的流动特性,主 要 内 容,第一节 液体农业物料的流动特性 第二节 液体农业物料流动性质的测定,第一节 液体农业物料的流动特性,一、牛顿流体及其粘度 二、准粘性流体和表观粘度 三、塑性流体和准塑性流体 四、 触变性和胶变性流体,基本概念：液体农业物料是指在重力作用下会产生流动并且不能保持其形状的物料，当然有些物料与其自身温度的关系密不可分，在某些温度情况下是液体，而在其它情况下可能就是固体。,在设计和选择各种液体农业物料如蜂蜜、苹果酱、牛奶等加工和输送设备时必须首先了解这些物料的流动性质。各种液体农业物料可呈现出截然不同的流动特性。同一种液体农业物料在不同的加工过程中如加热、冷却和浓缩等，其流动特性会发生很大变化。在设计这些加工工艺时我们必须考虑流动特性的变化。本章主要讨论各种液体农业物料和食品的流动特性及其测定方法。,第一节 液体农业物料的流动特性,流动曲线 各种液体的流动特性可用流动曲线表示, 流动曲线是表示液体所受剪切应力和剪切速率之间的函数关系。它一般以纵坐标表示剪切应力，横坐标表示剪切速率所绘制成的关系曲线。,粘性流动 塑性流动,在给定温度和剪切速率时，物料的剪切 应力为常数，它不随时间而变化。,在给定温度和剪切速率时，物料的剪切应力不是常数，它随时间而变化,牛顿流体 非牛顿流体,一、牛顿流体及其粘度,:粘度或粘性系数,粘度单位为PaS，粘度数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力。,所有气体都是牛顿流体。实验发现，纯液体及简单的溶液大多是牛顿液体。,一、牛顿流体及其粘度,一、牛顿流体及其粘度,由于牛顿流体的流动曲线是通过座标原点的直线，因此在任一剪切速率下求得的 (即粘度 )均为恒定值。如前所述，牛顿流体可通过求任意剪切速率下的剪切应力而求粘度。反之，若已知粘度值，则可知该直线与横座标的夹角(tg)，因此该流体的流动性就充分得到了说明。,一、牛顿流体及其粘度,一、牛顿流体及其粘度,粘度与温度的关系 液体的粘度是随温度而变的。在粘度测定中要注意保持一定的温度，面且必须准确地求得测定粘度时的温度，其温度变化应控制在0.1范围内。液体的粘度是随温度增加而变小，并可用以下经验公式表示:,T: 绝对温度，A和B是液体的常数。一般而言，温度每改变1，粘度约改变2%。有些物质的粘度变化较大的，如当温度从20变为21时， 蓖麻油粘度约变化8%，沥青约变化30%。甘油在25时粘度为0.95PaS，而在20时为1.49PaS。气体的粘度是随温度升高而增大。,二、准粘性流体和表观粘度,基本概念:如果液体的剪切应力和剪切速率的关系是通过坐标原点的一条曲线时，则这种液体称为准粘性流体。,K-稠度指数，该值越高，表示流体越稠 n-流动特性指数 n1:胀流性流体 K、n的值均由实验确定,二、准粘性流体和表观粘度,假塑性液体是一种经常遇到的非牛顿流体。蛋黄酱、血液、某些蜂蜜、番茄酱、果酱及其高分子物质溶液都是假塑性流体。一般，高分子溶液浓度越高或高分子物质分子越大，则假塑性越显著。浓淀粉溶液、某些蜂蜜等为胀流性流体。表3-3为一些物料稠度指数K和流动特性指数n的值。,二、准粘性流体和表观粘度,在非牛顿流体场合，剪切应力和剪切速率之比 是随剪切速率(或剪切应力)而变的。虽然可以通过测定对应于某一剪切速率下的剪切应力而求此比值，但此值与牛顿流体粘度意义不同。如图33所示，测定对应于 ， 这些剪切速率下的剪切应力，用与牛顿流体的场合相同的方法求粘度时，则得 、 、 。,表观粘度,由图可见，在较低剪切速率下测定表现粘度时假塑性流体表现粘度值最大，而在较高剪切速率下测定表观粘度时胀流性流体表观粘度值最大。因此，在测定非牛顿流体时，虽然可测定剪切速率下的剪切应力而求，但这不过是求得某一剪切速率下的表观粘度，而且只用这个值是不能判别其它剪切速率下的流动性。对于这样的流体必须在一个较大范围内测定表现粘度才能确定流体的流动性质。,三、塑性流体和准塑性流体,塑性流动的流体只有当受到的剪切应力超过流体的屈服应力时，流体才会产生流动。因此，它的流动曲线是不通过座标原点的。如果流体开始流动以后，剪切应力和剪切速率为直线关系时，我们把这种流体称为塑性流体或宾汉姆流体，如图3-5所示。象干酪和巧克力酱等接近这种性质。,塑性流体的流动曲线可用宾汉姆关系式表示:,:塑性粘度,:屈服应力,三、塑性流体和准塑性流体,如果流体开始流动以后，剪切应力和剪切速率的关系是一条曲线时，则这种流体称作准塑性或非宾汉姆流体，如图36所示。同样的，根据曲线形状不同又可分为假塑性的准塑性流体和胀流性的准塑性流体。,:屈服应力,:稠度指数,:流动特性指数,食品中苹果酱、番茄泥，奶油等具有这种流动性质。,三、塑性流体和准塑性流体,四、触变性和胶变性流体,触变性流体的基本概念：有的流体在搅拌过程中其表观粘度逐渐变小。例如，给予某液体一定的剪切速率，测定对应于该剪切速率下的剪切应力而求粘度时，这种流体的剪切应力逐渐变小很难得到一定的值，如下图所示。在时间为零时剪切应力最大，随时间延长而逐渐减小，并稳定在某一定值。剪切速率愈大(即搅拌愈剧烈)，剪切应力变化愈大。一旦在某个时间停止搅拌剪切应力就又回到搅拌开始时的初始值。流体的这种性质称作触变性，显示这种性质的流体称做触变性流体。,四、触变性和胶变性流体,下图给出了这种流体的流动曲线。此图表示了剪切速率从零逐渐增大的上升流动曲线以及剪切速率逐渐减小的下降流动曲线。,磨碎玉米粉与少量水拌和而成的较稠液态饲料呈现胶变性，而磨碎玉米粉和中等水分拌和而成的较稀液态饲料则呈现出触变性。另外，番茄酱、牛奶等也显示出触变性。,四、触变性和胶变性流体,胶变性流体的基本概念：与前述相反，有的流体在搅拌过程中其表现粘度逐渐增大，如下图b所示。这种流体在时间为零时剪切应力最小，随时间延长而逐渐增大，并稳定在某一定值。同样的，一旦在某一时间停止搅拌，剪切应力又回到搅拌开始时的初始值。流体的这种性质称胶变性，具有这种性质的流体称作胶变性流体。它的流动曲线如下图a。,第二节 液体农业物料流动性质的测定,在液体农业物料加工中经常需要测定所加工物料的流动特性，其目的往往是为了用于质量控制、了解物料的结构以及加工工程方面的应用。流体流动性质测定方法很多，本节主要介绍细管法、旋转法的测定原理。 液体的粘度是用粘度计测量的。由于粘度是剪应力与剪切速率之比，所以如果测得了不同剪切速率时的剪应力，即可求得粘度。粘度计就是据此原理设计的。需要说明的是，若剪切应力和剪切速率是非线性关系，这样测得的是表观粘度。,在细管粘度计内流体受外力作用而通过细管，其粘度可根据流量、外加压力和细管几何尺寸确定。在一定外加压力下，流体粘度愈高则流体在单位时间内流量愈小，只要比较其流量大小即可比较其粘度大小。,一、细管法流动特性测定原理,牛顿或非牛顿流体在半径为R、长为L的细管中层流，如图314所示。图中虚线表示一个假想的圆柱形流体柱，在管子两端的压力差P作用下流动。如果流动是稳定的，管壁和端部影响忽略不计，则阻碍流体流动的粘性力等于在流动方向引起圆柱移动的力。根据这个关系可得出以下方程式：,或,一、细管法流动特性测定原理,一、细管法流动特性测定原理,上式就是毛细管粘度计的工作方程式，根据上式不难证明：如果液体为牛顿流体，则有下述关系式：,根据体积流量公式，设流体在管中平均流速 ，D为管子直径，管壁处剪切速率 ，则求牛顿流体粘度时，只要在不同压力P作用下，求得相应的流量q。并以 为纵坐标， 为横坐标，则所得测定点连线应为通过坐标原点的一条直线，直线斜率即为粘度。,一、细管法流动特性测定原理,对于准粘性流体：,由该式可知，如果把试验数据整理为 和 的关系，则会得到一条直线，直线的斜率为n，由截距可求得 。如果得到的不是直线，那么n是曲线切线的斜率，已知 后，可由下式求得表观粘度，,一、细管法流动特性测定原理,对于塑性流体，有下述关系式：,如果在较大的压力差范围内测得不同压力差 时的流量 ，则可得一条直线，直线的斜率是 ，截距为 。,一、细管法流动特性测定原理,根据 也可求得流体在管道中的速度分布方程式:,对于牛顿流体:,对于准粘性流体:,二、旋转粘度计法,在这种仪器中，有一个浸在被测液体中的旋转体，它以匀速旋转。当流动为稳