І Стадник - Вплив адгезії тіста на процес замішування - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 664.643.1

Стадник І., Лісовенко О.

ВПЛИВ АДГЕЗІЇ ТІСТА НА ПРОЦЕС ЗАМІШУВАННЯ

Представлено удосконалення технології замішування при сприянні високоефективного впливу адгезії на процес тістоутворення в тістомісильній камері нової машини дискретної дії. Обгрунтовано площу контакту адгезиву та складові, що формують роботу на подолання адгезії і деформації тіста при визначенні критеріїв, які впливають на процес тістоутворення, відповідно до кожного певного періоду стадії замішування.

Ключові слова: тістоутворення, адгезія, адгезив, субстрат, формуючий канал, деформація, напруження.

Актуальність дослідження. Удосконалення технології замішування тіста і створення високоефективного обладнання - актуальне наукове завдання. Розробка і розрахунок нових процесів і обладнання вимагають глибокого і всебічного вивчення найбільш значних фізико-механічних властивостей напівфабрикатів хлібопекарської промисловості. Значна адгезійна властивість тіста суттєво ускладнює технологічний процес і викликає додаткові затрати енергії. Цьому напрямку приділяється недостатньо уваги, тому фізична природа адгезії до цих пір не повністю досліджена.

Мета дослідження - пошук нових шляхів зниження адгезії можливий тільки після вивчення фізичної природи цього явища.

Результати дослідження. Адгезія виникає в результаті адсорбції молекул тіста на поверхні робочого органу в найтоншому (до 20 нм) поверхневому шарі. Одночасно ці молекули зв'язані з основним об'ємом замішуваного тіста [ 1 ] . Тому на першій і частково другій стадіях замішування, при відносному переміщенні тіста і місильного барабану, молекули тіста, які адсорбувалися на поверхні, обертаються разом із місильним барабана. Якщо сили міжмолекулярного з'єднання в тісті стають слабышими, ніж сили адсорбції, то розрив маси тіста проходить на деякому віддаленні від поверхні місильного барабана. Такі явища проходять в період тістоутворення і при процесі пластикації тіста. Вони залежать від реологічних властивостей тіста на момент процесу замішування, ступеня шероховатості, товщини шару тіста. Дослідження впливу фізичних і реологічних властивостей тіста на процес замішування в конструктивних особливостях нової машини з метою покращення якості хлібобулочних виробів - завдання актуальне.

Серед компонентів тіста найбільшу енергію адсорбції до металів має вода. Якщо її видалити з поверхні тістової заготовки, то адгезія повинна зменшитися. При цьому інтенсивність випаровування поверхневої вологи повинна бути дуже велика, щоб виникаюча тонка шкоринка тіста перешкоджала видаленню вологи з об'єму тістової заготовки. Подібні умови можна отримати тільки при дуже великих швидкостях - витікання тіста під тиском через отвір профільного каналу тістомісильної камери.

Тісто має пружні, в'язкі і пластичні властивості [ 1 ] , тобто належить до пружно-в'язко-пластичних тіл. Адгезія подібних тіл, як і когезія частинок, рідин і плівок [ 2 ], залежить від площі контакту між тістом (адгезивом) і шероховатою металевою поверхнею, із якою воно контактує.

Мета даної роботи. Дослідження процесу заповнення тістом виямок шероховатої поверхні місильного барабана та вплив її на інтенсивність проходження процесу замішування.

Відомо, що адгезію визначають шляхом відриву тіста від поверхні, вимірюючи зусилля відриву. По цьому зусиллю розраховують адгезійну стійкість. Тому адгезійна стійкість ^(рівна відношенню зусиль відриву взірця Рвід до площі номінального контакту Бнк) залежить від розмірів поверхні і адгезиву, умов контакту і відриву тіста. Робота, яка витрачаеться на зміну контакту замішуваного тіста з поверхнею місильної камери та місильного барабана на подолання адгезії і деформації тіста Адеф, буде:

Авід= Аасі + АдефвідСІХ=РасіСІХ + Рдеф dx, (1)

де      Fad , Рдеф - зусилля адгезії і деформації;

Х - висота підняття тіста над поверхнею при відриві шматка тіста (рис. 1);

Рвід - зусилля відриву шматка тіста від поверхонь пластифікатора і місильного барабана.

Рис. 1. Схема відокремлення замішуваного тіста 1-місильний барабан; 2-пластифікатор; 3-адгезив (тіста); 4-місильна камера (субстрат)

Розглянемо складові, що формують роботу відриву:

Fad - J dfad = J fjldl = fag . bl2. (2)

0 0

Деформація тіста визначається:

Рдеф = T0—bl (3)

де       Veid - швидкість відриву тіста від поверхні місильного барабану під дією зовнішніх сил;

т0 - дотичні напруження, які визначаються :   т = п х j

П - пластична в'язкість тіста;

j - градієнт швидкості зсуву;

b - ширина місильного органу (барабана);

l - довжина участка місильного органу, 2кШ . Робота, яка визначається зусиллям відриву, затрачується на подолання адгезії   Гад і деформації тіста, при виході через прямокутну формуючу поверхню між місильним барабаном і пластифікатором

Г"від -г"ад + Г"деф (4)

Площа номінального контакту

Бнк= 2лЯ£ (5) із врахуванням відношень (2) і (3) - (5) зусилля відриву буде у вигляді:

V.

h

Відношення (6) справедливе для контакту з ідеально гладкою поверхнею місильної камери і пластифікатора. На основі рівняння (2) , (6) визначаємо вплив на адгезійну стійкість ряду факторів,

які піддаються експериментальному визначенню на нашій тістомісильній машині (т, h,T0,Veid)

Проаналізуємо вплив швидкості на процес відриву шматка тіста від поверхонь машини.

При \/від—>0 , Гвід^Бнк Іад для гладкої поверхні і Гвід—► аБнк Іад для місильного барабана. а -коефіцієнт формування площі контакту.

За допомогою даних умов можна визначити дійсну адгезію за результатами адгезіометрії при незначних швидкостях відриву тіста, коли Увід—0. Ці умови повністю відповідають процесам, що відбуваються на третій стадії замішування. Крім цього, нам відома фактична площа контакту фаз. Мінімальна фактична площа контакту Бнк, утворена контактом тіста з поверхнею пластифікатора, де а=1. Максимальна площа контакту дорывнюэ площі поверхні місильного барабана (субстрату) Бс.(рис. 2)

Бнк<Бфк<Бс

Номінальну площу контакту легко визначити за геометрізю адгезиву або субстрату. Площа субстрату із урахуванням рельєфної поверхні (залежить від частоти і виду її обробки ) нам відома. Тому, в загальному вигляді рельєф поверхні із стороною а можна записати двійним рядом Фур'є:

mRY

cos- ,

a a

Z - значення висоти нерівностей;

Z

> a   Sin

(7)

m,n=1

де

amn - коефіцієнти Фур'є;

x,y - декартові координати; m,n - номери гармонік. Сили адгезії в цих випадках дуже малі. Вираз (7) характеризує профіль будь-якої поверхні. Вибираемо на поверхні елемент площею

ds :

ds

\

1+f *

\ dx

+

1 +

dy

dxdy

Знаючи форму профілю, тобто dz/dx і dz/dy , можна шляхом інтегрування визначити Sc із урахуванням рельєфу поверхні. Оскільки рельєф поверхні місильного барабана є конусом із кутом Y=60° при вершині, то в будь-якому довільно вибраному перерезі рельєф має вигляд рівностороннього трикутника (рис. 3). Тоді довжина утвореної профілем поверхні у 2 рази збільшить довжину середньої лінії профілю. Відповідно, площа поверхні субстрата буде в 2 рази більша номінальної площі контакту.

2

Рис. 2. Визначення фактичної площі контакту місильного барабана і тіста : 1 - субстрат; 2 - поверхня субстрату; 3 - адгезив (тісто).

В реальних умовах тісто не повністю контактує із поверхнею місильного барабану. Згідно з роботою [5] повнота заповнення шорсткої поверхні пропорційна тиску і часу контакту тіста із місильним органом і ділянкою пластифікатора, а також його в'язкості :

hd ~ (pktk hY2.

Відомо, які відбуваються процеси в місильній камері при замішуванні. Цей процесс супроводжується великими деформаціями, яким сприяє профіль поверхні місильного барабана. Особлива увага при дослідженні процессу пластикації тіста зосереджується на створенні тиску пластифікатором. Тому ми будемо розглядати нестабільний процесс заповнення тістом виїмок поверхні місильного барабана.

Можна припустити, що тісто контактує із шероховатою поверхнею при контактному тиску Pk. Шероховатість місильного барабана характеризується середньоквадратним значенням нерівностей Rz. При цьому каверна на поверхні місильного барабана заповнена тістом (рис.3) Якщо розміри макромолекул тіста значно менші виїмок поверхні, то на течію тіста в машині розповсюджується закон механіки суцільних середовищ і проходить двовимірний течійний рух. В даному випадку сили інерції відповідно малі, а сили гідростатичного тиску, в'язкого тертя і капілярнівзаємно врівноважені. В таких умовах для одержання основних критеріїв подібності даної течії достатньо розглянути одновимірне рівняння руху тіста. При ізотермічній течії, коли значення температури тіста і місильного барабана однакові, (це видно із дослідів) рівняння руху має вигляд:

Q = -* - - ^ (8)

дх   р ду

де      р - тиск; x,y - декартові координати; т у - дотичне напруження; р - густина тіста.

Рис. 3. Заповнення каверни на поверхні субстрату 1 адгезивом 2

На вільній поверхні тіста виконуються умови безперервності нормальних і відсутність дотичних напружень.

Позначимо радіус кривизни  адгезиву на поверхні субстрата (рис.3) А, тоді умова безперервності нормальних напружень за формулою Лапласа має вигляд:

Тх =       , (9)

де      SAB - поверхневий натяг на границі адгезив - поверхня.

Реологічні властивості тіста в зоні малих швидкостей деформації, а саме при проходженні крізь пластифікатор, характеризується рівнянням Шведова-Бінгама

r = Tosin j = 4™ j , (10)

де      Т0 - умовна границя текучості; г\т - пластична в'язкість; j - градієнт швидкості деформації. Дотичне напруження в напрямку xx визначаємо відповідно:

dv

Тхх = 2B — , (11)

дх

де      В=т/А+ т]іш ; А - другий інваріант тензора швидкостей деформації, одержаний для одновимірної течії із відношення:

dv

A = — (12) дх .

Враховуючи (10)-(12) рівняння (8) і граничні умови (9), можна записати у вигляді:

dp    д ,        dv.

+ — (тп+т]„—) = 0 ; (13)

дх   ду дх

2{т0+Лт (14) дх А

Замінивши   диференціали   характерними   значеннями   (p « pk; у ; х ;^^ ;), одержимо безрозмірні компоненти:

N =^Ask; n2 =bL; n3 =^. (15)

А пш ^1 пш ^1 пш

Критерій N характеризує відношення сил поверхневого натягу і в'язкого тертя; N2 аналог критерію Сен-Венана для умов нестаціонарного руху ( течії); N3 - враховує вплив тиску контакту і в'язкого тертя. Таким чином, повнота доповнення виямок місильного барабана Бфк змінюється від

Sнк до Sc в залежності від відношення параметрів критеріїв N-, N2, N3. Дані критерії, як і ряд

інших, впливають на процес тістоутворення відповідно до кожного певного періоду відповідної стадії замішування. Із критеріальних рівнянь видно, що велике значення має пластична в'язкість тіста. На перших хвилинах замішування контакти інгредієнтів з поверхнею машини проходять по основному принципу повільної пластичної деформації. При збільшенні тривалості контакту з присутнім тиском контактування, адгезійна пружність зростає, в основному, за рахунок пластичної течії і визначається величиною пластичної в'язкості.

Висновок. Для забезпечення постійної площі фактичного контакту, що сприяє кращій адгезії і, відповідно, проходженню інтенсивного процесу замішування,  необхідною умовою є постійність

критеріїв (15). Це означає, що фактична площа контакту Slpк змінюється від Sнк до Sс в

залежності від відношення параметрів. Тому для додержання вимог шкала пластифікатора встановлюється на відповідній глибині для створення формуючого каналу, що відповідає теоретичним і практичним розрахункам.

В таких умовах проходить інтенсивний заміс тіста за рахунок великих напружень деформацій. Дані умови повинні тривати певний період - перша і друга стадії замішування. На третій - тісто пластикується і автоматично вивантажується із камери машини, тому вплив адгезії має бути мінімальний.

Змінити сили адгезійних зв'язків можна лишень у випадку, якщо товщина шару тіста буде достатньо малою і при відділенні від поверхні місильного барабана має бути чистою.

Література

1. Зімон А.Д. "Адгезія харчових мас" М. 1985

2. Николаев Б.А. "Структурно - механическии свойства мучного теста " М. Пищевая промишленость 1976 . 246 с.

Стадник И., Лисовенко А. Влияние адгезии теста на процесс замешивания

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

І Стадник - Вплив адгезії тіста на процес замішування

І Стадник - Процеси першої стадії замішування на новій тістомісильній машині