CC BY
43
Aгpономия
рез двое, трое и даже пять суток от начала опыта наблюдается заметное перераспределение и передвижение влаги вглубь. Только после пяти суток наступило равновесное распределение влаги (НВ) в профиле тяжелосуглинистого выщелоченного чернозема: оно составило в среднем 28,3% для слоя 050 см, для слоя 0-100 см 28,0% массы почвы (таблица 1).
Журавлева Г.В. [10] определила, что в среднесуглинистых выщелоченных черноземах величина НВ устанавливается также на пятые сутки после полива. В дальнейшем, как видно по рисунку
1, влажность изменяется в профиле почвы мало, только во втором полуметре происходит ее медленное перераспределение под влиянием гравитационных сил, градиентов влажности и температур разных участков почвы.
Влажность почвы, установившаяся через 10 суток после полива и не изменившаяся в течение десяти последующих суток (20 дней от полива), можно считать почвенно-гидрологической константой - истинной наименьшей влаго-емкостью (ИНВ) исследуемого чернозема. Величина ИНВ в исследованных почвах практически равна НВ (таблица 1).
По предложению А.А. Роде [3,4], ИНВ
- это равновесное состояние влажности почвы, когда влага удерживается в
Таблица 1
Bодоyдepживающая способность чернозема выщелоченного тяжелосуглини сто го
Почвенно- гидрологические константы Слой почвы,см W, % % от HB Запасы влаги, мм
HB 0-50 28,3 100 171
0-100 28,0 100 362
MHB 0-50 27,6 97,5 165
0-100 27,8 99,3 358
почве длительное время без стекания вниз под влиянием гравитационных сил.
Прочное удержание капиллярно-подвешенной влаги, как НВ, так и ИНВ, в исследованных черноземах происходит за счет сил капиллярной природы - разности давлений верхней и нижней пленки в почвенном капилляре. В этой почве значительную роль, возможно, играет сорбированная (связанная) почвенными частицами влага, которая в местах стыка почвенных частиц может развивать значительное давление, способное удерживать свободную воду, расположенную в расширенном участке поры.
Почвенно-гидрологическая константа ИНВ - это важнейший показатель водоудерживающей способности почвы, определяющий возможность запасать и удерживать влагу в почвенном профиле как в богарных, так и в орошаемых условиях. Незначительные колеба-
ния в сторону уменьшения или увеличения запасов влаги против средней величины обусловлены наличием в почвенно-грунтовой толще градиентов влажности и температур, способствующих передвижению влаги в парообразной форме и, возможно, очень медленному термокапиллярному ее движению.
Выводы
Знание показателей водоудерживающей способности почвы позволяет научно обоснованно определять элементы технологии нормированного орошения сельскохозяйственных культур и, таким образом, предупреждать негативное влияние орошения на свойства почвы. Так, верхним пределом увлажнения чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого является экспериментально определенный для каждой почвы показатель НВ.
Литература
1. Лебедев A^. Почвенные и грунтовые воды. - М. - Л.: Изд-во AH СССР, 1936. - 316 с.
2. Большаков A^. О формах движения воды в почвах степного типа II Почвоведение. - 1946. - № 7. - С. 402-411.
3. Роде A.A. Основы учения о почвенной влаге. Т.1. - М.: Гидрометиздат, 1965. - 663 с.
4. Роде A.A. О наименьшей влагоемкости (HB) почв I A.Pодe II Почвоведение. - 1966. - № 12. - С. 43-53.
5. Роде A.A. Основы учения о почвенной влаге. Т.2. - М.: Гидрометиздат, 1969. - 598 с.
6. Горшенин К.П. Почвы южной части Сибири (от Урала до Байкала). - М.: Изд-во AH СССР, 1955. ? 592 с.
7. Панфилов B.n., Чащина Н.И. Наименьшая влагоемкость супесчаных каштановых почв I Физика почв Западной Сибири. -Новосибирск: Наука, 1971. - С. 61-78.
8. Слесарев KB., Кудряшова С.Я. О поведении влаги в черноземах южных тяжелосуглинистых I Черноземы: свойства и особенности орошения. - Новосибирск: Наука, 1988. - С. 232-236.
9. Панфилов B.n., Сенькова ЛА Особенности поведения влаги в черноземах южных легкосуглинистых и ее доступность растениям I Черноземы: свойства и особенности орошения. - Новосибирск: Наука, 1988. - С. 167-181.
10. Журавлева Г.Н. Bодно-физичeскиe константы выщелоченного чернозема Aлтайского края II Почвоведение. - 1970. - №3.
- С. 149-155.
11. Horton G. H., Hawkins R.H. Flow path of rain from the soil surface to the water table. IISoil Sci. - № 6. - 1965.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УВЛАЖНЕННОЙ КРОШКИ ОЗИМОЙ РЖИ
Е.В. СЛАВНОВ, доктор технических наук,
А.И. СУДАКОВ,
Н.В. ШАКИРОВ,
Институт механики сплошных сред УрО РАН
Ключевые слова: физико-механические свойства пищевых продуктов, вязкость жидкостей, дисперсная среда, озимая рожь.
Способы измерения физико-механических характеристик пищевых продуктов во многом аналогичны способам измерения других вязких и
Для технологической оценки и нахождения вязкости различных материалов широко применяется капиллярная вискозиметрия [ 2,5 ].
дисперсных сред [1,2,3,4,5]. Важность измерений вязкости различных жидкостей породило множество экспериментальных методов ее определения.
Physicomechanical properties of foodstuff, viscosity of liquids, the disperse environment, winter rye.
Агрономия
Методы исследования и материалы
Озимая рожь потому выбрана как предмет исследования, что является, с точки зрения экструзионной переработки, технологически сложным продуктом. В то же время, нами был проведен сравнительный анализ образцов зерна озимой ржи на содержание свободной глюкозы и аминоа-зота низкомолекулярных соединений до и после экструзионной обработки. Анализ показал, что экструзия не приводит к какому-либо заметному изменению их содержания в продуктах, но способствует значительному возрастанию атакуемости полисахаридов и белков пищеварительными ферментами и тем самым приводит к выраженному повышению питательных характеристик экструдата [6,7,8] Так, содержание свободной глюкозы после ферментолиза экструдированного зерна, по сравнению с исходным зерном, возрастает в 3,54 раза, а аминоазота низкомолекулярных соединений - в 1,8-2 раза. Кроме того, в производственно-хозяйственном эксперименте, проведенном на базе ООО «Ашатли-Агро» (Пермский край), получены положительные результаты: впервые установлено, что озимая рожь после экструзионной переработки может полностью заменить кормовые добавки к рациону коров с улучшением их здоровья, повышением продуктивности, увеличением количества и повышением качества продукции. Увеличение доли посевного клина озимой ржи в районах Урала будет способствовать уменьшению интенсивности нагрузки на хозяйства во время весеннего периода. Для рационального проектирования экструзионных
установок важно знать реологические свойства сырья.
В настоящей работе реологические свойства увлажненной крошки озимой ржи определялись на капиллярном вискозиметре постоянных расходов. Метод заключается в измерении давлений на входе в капиллярную трубку при заданном секундном объемном расходе протекающей через него жидкости. Для повышения точности эксперимента опыты проводятся при различных диаметрах и длинах капиллярных трубок. С этой целью на основе испытательной машины УМЭ-10ТМ была создана специальная установка. Она состоит из помещенной в термостатическую рубашку цилиндрической камеры с поршнем, набора сменных капиллярных трубок, соединенных с коническим каналом на выходе из цилиндрической камеры (контейнера) и электронной системы поддержания заданной температуры. Термостабилизация камеры обеспечивается электрическим нагревателем, снабженным термопарой и электронным
прибором КСП-4 с блоком реле и регулятором мощности нагрева. Контейнер, наполненный дробленой рожью, с капилляром и термостатической рубашкой помещается между захватами испытательной машины, которая обеспечивает движение поршня в широком диапазоне скоростей и измерение усилий на поршне при его движении. В эксперименте использовали капилляры диаметром 2,5 мм, 4 мм и 6 мм с длиной каналов 40 мм, 50 мм и 70 мм. Для оценки возможного скольжения крошки ржи по стенке канала капилляры диаметром 6 мм были изготовлены с гладкими и рифлеными внутренними стенками.
Предварительно перед опытом дробленая рожь доводится до необходимой влажности. После помещения в рабочую камеру материал под-прессовывается и выдерживается при заданной температуре. Время полного прогрева испытуемого материала определялось предварительным экспериментом с регистрацией температуры в центре камеры. После проведения подготовительных работ материал продавливается через капилляр с заданными скоростями движения поршня и регистрацией усилий на поршне. На каждой скорости движения производится выдержка до получения устойчивых показаний усилий. По замеренным расходам и соответствующим им усилиям выдавливания рассчитываются эффективные скорости сдвига и напряжения на стенке капилляров [2,5]. По известным напряжениям и скоростям сдвига строится кривая течения исследуемой порции увлажненной крошки озимой ржи.
В эксперименте влажность дробленой ржи составляла 20%. Предварительные испытания на шнековой установке показали, что при содержании влаги 20-25% процесс экструзионной переработки крошки озимой ржи идет стабильно и с пониженными затратами мощности.
Результаты исследования и их обсуждения
Результаты продавливания через капилляр каждой порции ржи заносились в таблицу, содержащую исходные данные (влажность, температуру, длину и радиус канала, тип капилляра) и замеры режимов (скорость движения поршня и усилие на поршне). Данные таблицы вводились в компьютер и по известным формулам вычислялись секундный объемный расход (О м3 с1), давление (Р н м-2). Предварительно обработанные полные данные эксперимента в терминах секундный объемный расход и давление приведены в таблице 1. В ячейках таблицы представлены величины давления на входе в конус, сопрягаемый с капилляром. Верхняя строка таблицы представляет значения объемных секундных расходов.
В левом крайнем столбце приведены значения температур. Отдельные фрагменты по высоте таблицы представлены типом капилляра, его диаметром и длиной.
По данным таблицы 1 определялись касательное напряжение на
стенке трубы (т = ^'^) и эффектив-
ная скорость сдвига Гэф.
40 пЕ 3
Ис-
пользуя данные табл.1, находилась истинная скорость сдвига на стенке
^ + с11п^)
(1)
> эф ,-у
Г к =-ф (3- ,1
4 а 1п Тк
а затем строилась кривая течения в двойных логарифмических координатах.
Вычисления, проведенные для различных длин и радиусов капилляров, показали, что тангенс угла наклона кривых «давление - расход» в логарифмических координатах слабо изменяется и поэтому в расчетах скорости сдвига на стенке вместо формулы (1) в дальнейшем использовали соотношение
У Е
--ъ4ф (з+-).
4 п
(2)
Таким образом, измеренные при одном диаметре капилляра и различных длинах расходы позволяют построить в логарифмических координатах зависимость «касательные напряжения - скорость сдвига» для участков капилляра (расчетных капилляров).
Например, при фиксированных температуре и объемном расходе можно найти разности между значениями зарегистрированных в эксперименте давлений: значений давления для самого длинного капилляра (А) и конуса (К), для самого длинного (А) и самого короткого капилляров (С), самого длинного (А) и среднего по длине (В) и т.д. Таких значений в данном случае будет шесть (расчетные капилляры А-К, В-К, С-К. А-В, АС, В-С) для каждых конкретных сочетаний расхода, температуры, диа-
логарифм скорости сдвигаа
Рис.1. Усредненные кривые течения для расчетных капилляров А-В, АС, В-С диаметров 6 мм; 4 мм; 2,5 мм; 6 мм рифленый. Бит-кривая течения, построенная по всем расчетным капиллярам. Температура материала 1000С.
Ф4
2,5
Агрономия
Таблица 1
Данные эксперимента по определению реологии ржи.
Т?С \ Ом 3с-1 | 1.34E-06 | 6.70E-07 | 1.34E-07 | 6.70E-08 | 1.34E-08 | 6.70E-09
Капилляр гла дкий: Ф =2,5 мм; L=50 мм;
75 5.49E+07 5.02E+07 3.29E+07 2.73E+07 1.71E+07 1.34E+07
100 4.88E+07 3.90E+07 3.29E+07 2.74E+07 1.64E+07 1.41E+07
120 2.53E+07 2.32E+07 1.65E+07 1.51E+07 1.19E+07 1.07E+07
Капилляр гла дкий: Ф =2,5 мм; L=40 мм;
75 4.88E+07 1.85E+07 3.05E+07 2.37E+07 1.65E+07 1.52E+07
100 4.82E+07 4.15E+07 3.05E+07 2.56E+07 1.69E+07 1.46E+07
120 2.10E+07 4.63E+07 1.27E+07 1.12E+07 8.78E+06 7.92E+06
Капилляр гла дкий: Ф =2,5 мм; L=25 мм;
75 3.66E+07 3.29E+07 2.44E+07 2.07E+07 1.34E+07 9.63E+06
100 3.54E+07 2.99E+07 2.07E+07 1.77E+07 1.19E+07 1.02E+07
120 1.43E+07 1.27E+07 9.88E+06 8.90E+06 6.95E+06 5.97E+06
Капилляр гладкий: Ф =4 мм; L=50 мм;
75 3.17E+07 2.80E+07 1.77E+07 1.40E+07 1.06E+07 -
100 1.71E+07 1.46E+07 9.75E+06 8.17E+06 5.36E+06 4.27E+06
120 1.44E+07 1.32E+07 1.00E+07 9.14E+06 7.1 9E+06 6.40E+06
Капилляр гладкий: Ф =4 мм; L=40 мм;
75 2.61 E+07 2.07E+07 1.27E+07 1.04E+07 7.07E+06 -
100 1.83E+07 1.65E+07 1.01E+07 8.78E+06 6.1 0E+06 3.78E+06
120 1.39E+07 1.24E+07 9.27E+06 8.29E+06 6.64E+06 5.49E+06
Капилляр гладкий: Ф =4 мм; L=25 мм;
75 1.95E+07 1.65E+07 1.10E+07 9.14E+06 6.1 0E+06 -
100 1.58E+07 1.46E+07 9.27E+06 7.07E+06 4.75E+06 4.27E+06
120 1.30E+07 1.27E+07 1.00E+07 8.66E+06 6.58E+06 5.36E+06
Капилляр гладкий: Ф =6 мм; L=50 мм;
75 1.87E+07 1.42E+07 9.1 4E+06 8.05E+06 5.73E+06 -
100 1.34E+07 1.22E+07 9.88E+06 7.44E+06 5.00E+06 4.02E+06
120 1.24E+07 1.15E+07 9.45E+06 7.19E+06 5.85E+06 5.36E+06
Капилляр гладкий: Ф =6 мм; L=40 мм;
75 1.46E+07 1.28E+07 7.92E+06 7.07E+06 5.36E+06 -
100 1.16E+07 1.02E+07 7.68E+06 6.83E+06 4.51E+06 3.78E+06
120 1.10E+07 1.05E+07 6.40E+06 5.73E+06 4.27E+06 3.84E+06
Капилляр гладкий: Ф =6 мм; L=25 мм;
75 1.22E+07 9.39E+06 5.85E+06 5.49E+06 5.00E+06 -
100 1.01E+07 9.75E+06 7.1 9E+06 6.22E+06 4.51E+06 3.90E+06
120 9.14E+06 8.41 E+06 6.22E+06 5.49E+06 4.27E+06 3.96E+06
Капилляр рифлённый: Ф =5,5 мм; L=50 мм;
75 - 2.19E+07 1.40E+07 1.16E+07 7.92E+06 -
100 2.01 E+07 1.83E+07 1.19E+07 1.01 E+07 7.07E+06 6.10E+06
120 1.44E+07 1.31E+07 1.01E+07 9.08E+06 6.64E+06 5.67E+06
Капилляр рифлённый: Ф =5,5 мм; L=40 мм;
75 - 1.71E+07 1.15E+07 9.75E+06 6.34E+06 -
100 1.27E+07 1.02E+07 8.53E+06 7.31 E+06 5.36E+06 4.39E+06
120 1.40E+07 1.28E+07 1.12E+07 8.66E+06 6.95E+06 6.46E+06
Капилляр рифлённый: Ф =5,5 мм; L=25 мм;
75 - 1.22E+07 7.92E+06 6.71 E+06 4.88E+06 -
100 1.46E+07 1.34E+07 9.27E+06 7.80E+06 5.73E+06 5.24E+06
120 9.14E+06 9.94E+06 8.66E+06 7.62E+06 6.1 6E+06 5.73E+06
Конус 60°;
75 6.71 E+06 5.97E+06 4.88E+06 4.63E+06 3.90E+06 3.29E+06
100 7.19E+06 7.07E+06 5.49E+06 5.00E+06 3.90E+06 3.54E+06
120 6.22E+06 6.46E+06 6.1 0E+06 5.85E+06 5.24E+06 5.12E+06
метра капилляра и типа капилляра.
Такая обработка данных эксперимента позволяет исключить потери на входе и получить наиболее полную информацию о свойствах исследуемого материала.
Казалось бы, что зависимости для капилляров А-В, А-С и В-С при различных диаметрах должны дать наиболее близкие значения с наименьшим разбросом. Однако, если определить кривую течения для каждого диаметра при заданной температуре, имеющую наименьшее среднеквадратичное отклонение от экспериментальных значений, и сравнить эти кривые, то обнаружится, что они существенно отличаются друг от друга.
На рис.1. представлены эти кривые течения в двойных логарифмических координатах для температуры 1000С. Из рисунка видно, что наклоны кривых для разных диаметров капилляров отличаются. При этом, чем меньше диаметр, тем меньше наклон. Отсюда можно сделать вывод, что при течении в гладких капиллярах имеет место проскальзывание материала по стенке (стержневое течение) и оно тем интенсивнее, чем меньше диаметр капилляра.
Подобная картина наблюдается и для других температур. Различный уровень кривых течения по величине касательных напряжений, скорее всего, свидетельствует о том, что величина касательных напряжений на стенке канала при скольжении зависит от уровня давления. В дальнейшем этот результат можно было бы использовать для нахождения зависимости касательных напряжений на стенке от давления. Полученные данные скорее характеризуют силовые условия на границе «материал -гладкая стенка», чем свойства самого материала. При математическом моделировании процесса экструзии в условиях проскальзывания такая характеристика, безусловно, необходима. Следует отметить, что приведенная на этом рисунке кривая течения
_________логарифм скорости сдвига_______
Рис.2.Экспериментальные точки для капилляров А-К, В-К, С-К, Ар-К и кривая течения, построенная по всем расчетным капиллярам. Т=1200С. (Касательные напряжения - н/м2, скорость
сдвига - с-1).
по всем расчетным капиллярам имеет такой же наклон как кривая течения для рифленого капилляра.
Предлагается обработать экспериментальные кривые следующим образом. Найти для каждой температуры кривые течения, имеющие ми-
Рис.3. Экспериментальные точки расчетных капилляров А-К, В-К, С-К, Ар-К и кривая течения, построенная по всем капиллярам. Т=1000С.
нимальное среднеквадратичное отклонение от всех шести расчетных капилляров. Результаты графически представлены на рис.2 - рис.4 (Ар-К
- данные, полученные на рифленых капиллярах).
На графиках приведены экспериментальные точки кривых течения для капилляров всех диаметров с гладкими и рифлеными стенками с вычетом перепада давления на конической части канала при температуре материала 120, 100 и 750С. На каждом графике представлена кривая течения материала (обозначенная «sum»), имеющая минимальное среднеквадратичное отклонение от всех расчетных капилляров при заданной температуре. Из представленных экспериментальных данных видно, что наиболее близко к «суммарной» кривой течения лежат точки, полученные на рифленых капиллярах. Кривые приводятся в одних масштабах по обеим осям.
логарифм скорости сдвига Ф 2.5 —Ф-4 —Л—Ф-6
Ф-6р "Ж"$ит-7б_______
Рис.4. Экспериментальные точки расчетных капилляров А-К, В-К, С-К, Ар-К и кривая течения, построенная по всем капиллярам. Т=750С. (Касательные напряжения - н/м2, скорость сдвига - с-1).
Результирующие кривые течения для различных температур были аппроксимированы степенным законом т = к у п, параметры которого «К» и
«п» представлены в табл.2, а сами кривые в логарифмических координатах имеют вид, приведенный на рис.5.
Таблица 2
Значения показателя нелинейности и логарифма показателя консистенции
т п ьд
гр.С (К)
120 0.318 4.39
100 0.313 4.67
75 0.316 4.82
Проведенные исследования говорят о том, что увлажненная дробленая рожь обладает сложными реологическими свойствами. Увлажненная крошка ржи представляет двухкомпонентную композицию, изменяющую влажность при нагреве выше 950С,
имеющую переменную плотность, зависящую от давления. При выдавливании дробленой ржи заданной влажности и температуры из одного и того же капилляра в режиме постоянного расхода наблюдались отклонения в показаниях датчика силы. Было замечено, что показания датчика силы при фиксированном расходе зависят от последовательности прикладываемых нагрузок (т.е. от того, как велось деформирование: процесс выдавливания порции ржи начинался с малых расходов или с больших в сторону их уменьшения). Наблюдаемый разброс можно, скорее всего, объяснить сжимаемостью крошки и случайным фракционным составом испытываемых порций. С целью снижения разброса экспериментальных данных использовалась предварительная подпрес-совка. Для характеристики свойств нелинейных жидкостей важное значение имеет величина начальной вязкости. При реальных измерениях вязкости эта область достаточно малых напряжений и скоростей сдвига, при которых вязкость постоянна и равна ее предельному значению - начальной вязкости. Однако во многих практических случаях область постоянной наибольшей вязкости экспериментально трудно достижима. В этом случае может быть использована экстраполяция зависимости
т = Т(у) к значению у ^ о ■
Агрономия
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования говорят о том, что увлажненная дробленая рожь обладает сложными реологическими свойствами. При всех исследуемых температурах установлено, что кривые течения, полученные на гладких капиллярах разного диаметра, существенно отличаются не только по уровню, но и по наклону, что говорит о нарушении условий прилипания и наличии эффекта скольжения материала по стенке канала (стержневого течения). Полученные в этом случае зависимости касательных напряжений от скорости сдвига характеризуют силовые условия на границе «материал-стенка» и могут быть использованы при моделировании процесса экструзии в условиях скольжения. Наиболее правильно определять вискозиметрические свойства исследуемого материала на основании экспериментальных данных
Рис.5. Результирующие кривые течения, аппроксимированные степенным законом.
для рифленых капилляров. Для увлажненной крошки ржи в рамках описания свойств степенным законом найдены значения параметров для температур 120, 100 и 750С.
логарифм скорости сдвига (1/с)
Литература
1. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерения вязкости и физико-механических характеристик материалов. - М.: Машиностроение, 1968. - 272 с.
2. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. - М.: Химия, 1979. - 304 с.
3. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 216с.
4. Николаев Б.А. Измерение структурно-механических свойств пищевых продуктов. - М.: Экономика, 1964. - 224с.
5. Чанг Дей Хан. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979. - 368с.
6. Пестов В.М., Бабушкин В.А., Славнов Е.В., Судаков А.И. и др. Экструзионная установка для переработки крахмалосодержащих продуктов//Комбикорма. - 2006. - №3. - С. 31-32.
7. Славнов Е.В., Коробов В.П., Ситников В.А. Технология переработки зерна озимой ржи, повышающая его пищевую ценность и экологическую чистоту // Тезисы докладов,VI международной конференции «Проблемы загрязнения окружающей среды», ИЭГМ. - Пермь, 2005. - С.46.
8. Славнов Е.В., Ситников В.А., Коробов В.П., Морозков Н.А. Влияние экструзионной обработки на белково-углеводные компоненты зерна озимой ржи // Межвузовский сборник научных трудов «Пермский аграрный вестник». Вып.11. -Пермь, 2004. - С. 421-423.
