Wojciech Ratajczak Politechnika Poznaska Zakład Maszyn i Urzdze Przemysłu Spoywczego

Transkrypt

1 Wojciech Ratajczak Politechnika Poznaska Zakład Maszyn i Urzdze Przemysłu Spoywczego Napreniowa klasyfikacja oddziaływa mechanicznych na produkt spoywczy Streszczenie: W artykule dokonano analizy oddziaływa mechanicznych na produkty spoywcze w procesach technologicznych ich przetwarzania. Na podstawie tej analizy przedstawiono wytyczne do budowy systemu klasyfikacji operacji jednostkowych według kryterium wywoływanych napre. Odpowiedni dobór stanów napre w obrabianych produktach umoliwia kształtowanie zmian ich właciwoci fizykomechanicznych. Słowa kluczowe: oddziaływanie, produkty spoywcze, system, naprenia Wprowadzenie Rónorodno surowców wykorzystywanych w przemyle spoywczym powoduje konieczno stosowania w procesach technologicznych wielu operacji i procesów jednostkowych o rónych formach oddziaływania na produkty spoywcze i rónych sposobach doprowadzania energii. Najczstsze sposoby oddziaływania na produkt to: mechaniczny i hydromechaniczny cieplny elektryczny chemiczny biochemiczny magnetyczny promienisty Oddziaływania te, prowadzone z dopasowan do potrzeb intensywnoci, zmieniaj właciwoci surowców, półproduktów i produktów [Uriev 1985]. W prezentowanym opracowaniu rozpatrzono, odgrywajce wan rol w przetwarzaniu ywnoci, oddziaływania mechaniczne, realizowane przez urzdzenia, do których doprowadza si energi z zewntrz. Znajomo zjawisk zachodzcych w produktach spoywczych pod wpływem tych oddziaływa jest istotna przy projektowaniu maszyn i urzdze do ich przetwarzania. Znaczcy wpływ na te zjawiska maj parametry geometryczno-dynamiczne maszyn realizujcych operacje przetwarzania oraz właciwoci fizykomechaniczne produktów spoywczych. Na podstawie analizy pimiennictwa stwierdzono brak opracowania, które w sposób usystematyzowany, prezentowałyby te zagadnienia. Dostpne s jednostkowe prace dotyczce pojedynczych produktów, zwykle przy okazji prezentowania parametrów reologicznych produktów spoywczych. Uznano, zatem za potrzebne, podjcie próby analizy tej problematyki w celu rozeznania moliwoci syntezy dotychczasowego dorobku w tym zakresie i poznania obszarów które wymagaj uzupełnienia. 295

2 Skutki oddziaływa mechanicznych Oddziaływania mechaniczne s zasadnicze, dla wywoływania zmian właciwoci fizykomechanicznych przetwarzanych produktów, w wielu procesach technologicznych przemysłu spoywczego. Wykorzystuje si je w rónych fazach tych procesów, zarówno na etapie przygotowania do przetwarzania, podczas właciwej fazy przetwarzania, jak równie podczas konfekcjonowania i pakowania. Efektem oddziaływa mechanicznych, wyraajcych si w bezporednim przekazywaniu energii mechanicznej przez elementy robocze maszyn i urzdze realizujcych operacje jednostkowe, moe by zaistnienie jednej lub równoczenie wicej, sporód przedstawionych niej sytuacji: a) przemieszczenie produktu, b) odkształcenie produktu spryste, plastyczne, płynicie, złoone, c) zniszczenie wizów lub struktury i podział na mniejsze czci rozdrabnianie, d) tworzenie nowych wizów i struktury oraz łczenie w wiksze czci aglomeracja, e) zmiana kształtu produktu, W prezentowanym opracowaniu wnikliwiej analizowano te oddziaływania mechaniczne, których skutkiem s odkształcenia, zniszczenie wizów lub struktury i podział na mniejsze czci. Spostrzeenia z tej analizy wykorzystano jako przesłanki do zaproponowania sposobu klasyfikacji oddziaływa mechanicznych we wszystkich, wczeniej wskazanych, sytuacjach, za wyjtkiem przemieszczania. Oddziaływania mechaniczne mog by przypadkowe, wywołujce niekiedy niepodane efekty, najczciej jednak s celowe, zwizane z zaplanowanymi operacjami mechanicznymi i hydromechanicznymi, zwyczajowo klasyfikowanymi jako jedna grupa. Prawdopodobnie wynika to z faktu, e w obu przypadkach wystpuje oddziaływanie siłami mechanicznymi: w operacjach mechanicznych - bezporednie, za w operacjach hydromechanicznych - porednie. Przy analizie tych operacji naley zatem uwzgldnia prawa dotyczce ciał stałych oraz prawa dotyczce cieczy. Skutki oddziaływa mechanicznych mona rozpatrywa dwuetapowo. W etapie pierwszym, wewntrz ciała stanowicego obiekt obróbki indukowane s siły wewntrzne, wywołujce, w kadym jego punkcie odpowiedni stan napre. Warto naprenia, w danym punkcie zaley od wartoci działajcej siły zewntrznej oraz orientacji analizowanego przekroju. Poniewa przez punkt mona przeprowadzi dowoln ilo przekrojów rónie zorientowanych, to ogół wektorów napre odzwierciedla stan naprenia w tym punkcie [Jakubowicz i Orło 1968]. Zgodnie z przyjtym w wytrzymałoci materiałów nazewnictwem siły wewntrzne mog powodowa: rozciganie, ciskanie, cinanie, zginanie lub skrcanie. Zalenie od kierunku oddziaływania wzgldem rozpatrywanego przekroju, powstajce naprenia okrela si jako: normalne i styczne. Naprenia normalne, s to siły jednostkowe o kierunku działania prostopadłym do rozpatrywanego przekroju. S przewaajce podczas ciskania, rozcigania i 296

3 zginania. Naprenia styczne wystpuj wówczas, gdy działajca siła ley w płaszczynie rozpatrywanego przekroju. Wystpuj zwykle przy cinaniu i skrcaniu. Wytworzony przez siły wewntrzne stan napre zaley od, zaistniałej w danym punkcie lub wyodrbnionej czci przestrzeni, relacji pomidzy napreniami normalnymi oraz stycznymi i moe by prosty lub złoony. Na rozkład napre istotnie wpływa sposób obcienia, np. obcienie cigłe, czciowe lub punktowe. Jednake zgodnie z zasad de Saint Venanta, przy statycznie równowanych, chocia rónie przyłoonych obcieniach, w pewnej odległoci od obszaru działania siły, w całym przekroju powstaj jednakowe stany naprenia. Drugi etap, to wywołanie przez zaistniały stan napre odpowiadajcych mu odkształce (tj. przemieszczenie si elementów ciała wzgldem siebie) lub zmiana struktury. Odkształcenia mog mie charakter postaciowy lub objtociowy i powsta natychmiast po wywołaniu napre albo dopiero po przekroczeniu ich wartoci, charakterystycznej dla analizowanego materiału. W wytrzymałoci materiałów konstrukcyjnych siły wewntrzne rozpatruje si przy załoeniu cigłoci materialnej ciała, co prowadzi do przyjcia cigłego rozłoenia sił wewntrznych na powierzchni. W praktyce jednoznaczne okrelenie rozkładu sił na powierzchni przekroju, a w konsekwencji, w całej bryle stanowi zadanie statycznie niewyznaczalne i jego rozwizanie wymaga uwzgldnienia odkształce. Przy analizie zwizków pomidzy napreniem i odkształceniem produktów spoywczych, naley uwzgldnia fakt, e ich struktura, w wikszoci przypadków, znacznie odbiega od struktury materiałów stanowicych przedmiot zainteresowania tradycyjnej wytrzymałoci materiałów. Do analizy stanów naprenia i odkształcenia niektórych produktów spoywczych przydatne s zasady mechaniki odkształce rodków porowatych wypełnionych ciecz. Zalenoci ilociowe okrela si przyjmujc modele, których struktura zbudowana jest ze sztywnego porowatego szkieletu oraz cieczy wypełniajcej ten szkielet. Wolne przestrzenie porów, które w kociach tkankach organizmów ywych oraz płodach rolnych stanowi 8 30% objtoci całego ciała porowatego [Kubik 1995], w obliczeniach rozpatruje si jako wypełnione ciecz. Aktualny stan wiedzy, pozwalajcy opisa dynamik takich układów, umoliwia oddzielne okrelenie stałych materiałowych charakteryzujcych właciwoci mechaniczne pustego szkieletu i samego płynu [Cieszko i Dudziak 1995]. Pozwala zatem, na zastosowanie sprawdzonych teorii w nowym obszarze. Przedstawiony dwuetapowy sposób rozpatrywania skutków oddziaływa mechanicznych wskazuje, e moliwe jest uzyskanie oczekiwanych zmian w strukturze i właciwociach obrabianego produktu przez wywołanie odpowiedniego stanu naprenia. Naley w tym celu, znajc właciwoci produktu, dobra parametry geometryczno-dynamiczne elementu roboczego obejmujce: geometri elementu roboczego kształt i wymiary, parametry kinematyczne ruchu rodzaj, tor i prdko, mas elementu roboczego, czas oddziaływania na produkt. 297

4 Klasyfikacja oddziaływa mechanicznych W opisach operacji rozdrabniania, prezentowanych w dostpnym pimiennictwie oddziaływania mechaniczne klasyfikuje si według ich wtórnych skutków, wyróniajc: zgniatanie, rozrywanie, cinanie, łamanie, rozłupywanie, udar, cieranie i rozcieranie. Taki sposób klasyfikacji jest jednak niewystarczajcy do planowania optymalnych parametrów geometryczno-dynamicznych elementu roboczego. Nie umoliwia, bowiem, jednoznacznej identyfikacji wymaganych kierunków działania sił zewntrznych, ich skutków pierwotnych w postaci stanu naprenia, a zwłaszcza okrelenia wzajemnych relacji pomidzy rodzajami napre. Mona jednak, w poszczególnych grupach tej klasyfikacji, zidentyfikowa dominujce naprenia, co stanowi punkt wyjcia do zbudowania nowego systemu klasyfikacji [Jasik i inni 1979]. Gdy obrabiany produkt ma posta ciała stałego identyfikacja ta jest nastpujca: - zgniatanie pod wpływem siły ciskajcej ciało deformuje si w całej objtoci, a jego rozpad nastpuje w płaszczyznach przypadkowych, w których naprenia wewntrzne przekrocz granic wytrzymałoci na ciskanie, - rozrywanie - siły rozcigajce po przekroczeniu wartoci wytrzymałoci produktu na rozrywanie powoduj jego podział, - cinanie - podział ciała nastpuje wzdłu powierzchni równoległej do linii działania dwóch przeciwnie skierowanych i przesunitych wzgldem siebie o niewielk odległo sił; wystpuj w tym przypadku naprenia cinajce, - łamanie - naprenia wywołane s momentami zginajcymi lub odpowiednio przyłoonymi siłami poprzecznymi; w obrabianym produkcie wywoływane s równoczenie naprenia ciskajce i rozcigajce - wklsła strona produktu jest ciskana, a wypukła rozcigana. - rozłupywanie - rozłupywanie nastpuje w wyniku działania klinowego elementu roboczego w taki sposób, e lokalnie wywoływane jest spitrzenie napre ciskajcych; rozpad ciała nastpuje w płaszczyznach najwikszych napre, - udar - udar moe by skutkiem swobodnego lub ograniczonego ruchu ciała; w obu przypadkach działaj w sposób gwałtowny siły wywołujce naprenia ciskajce, - cieranie i rozcieranie - cieranie zachodzi pod wpływem sił tarcia na styku powierzchni produktu obrabianego i powierzchni roboczych elementu roboczego przy niewielkiej sile ciskajcej w stosunku do siły cinajcej; rozcieranie natomiast zachodzi pod wpływem niewielkiej siły cinajcej w stosunku do siły ciskajcej. Kiedy produkt obrabiany jest w stanie ciekłym naprenia powodujce zniszczenia struktury mona równie okreli wykorzystujc elementy przedstawionego wyej zbioru. Aby rozdrobni czstki cieczy wykorzystuje si jedn z dwóch metod: intensywne mieszanie, przeciskanie wstpnie utworzonej mieszaniny przez szczeliny. 298

5 W operacji rozdrabniania np. dwóch wzajemnie nie mieszajcych si cieczy przy tworzeniu emulsji, konieczne jest dostarczenie energii na pokonanie sił napicia midzyfazowego oraz na utrzymanie fazy rozproszonej w stanie zawieszenia. Realizowane jest to przez cinanie w strefie kontaktu z mieszadłem, które dzieli ciecz na coraz mniejsze porcje. Podczas przeciskania zawiesiny przez wsk szczelin (homogenizacja) uzyskuje si emulsj pokonujc siły napicia powierzchniowego oraz siły tarcia zwizane z lepkoci cieczy. Równie w tym przypadku sił sprawcz jest cinanie. W cieczach wywoływane s naprenia normalne, które okrela si jako cinienie oraz naprenia styczne wystpujce tylko podczas ruchu wzgldnego cieczy. Naprenia styczne stanowi w istocie siły tarcia wewntrznego, za w czasie ruchu czsteczek wystpuj siły lepkoci. Przyłoone do elementu lepkiego płynu, znajdujcego si midzy płaszczyznami, siły powoduj wzajemne przesuwanie si jego warstw. Zalenie od charakteru płynu: newtonowskiego lub nienewtonowskiego, modele matematyczne opisujce zalenoci midzy napreniami stycznymi, a szybkoci odkształcania maj rón posta. Zagadnienia te stanowi temat innych prac autora dotyczcych modeli reologicznych [Ratajczak i Ossowski 2000 i 2004]. Przeprowadzone powyej rozwaania pozwalaj okreli w sposób jednoznaczny relacje przyczynowo-skutkowe pomidzy napreniami, a odkształceniami, z których wynika, e bezporednim ródłem zmian w produkcie pod wpływem oddziaływa mechanicznych s wywoływane przez nie stany napre. Z kolei stany napre, po przekroczeniu charakterystycznych dla poszczególnych produktów wartoci granicznych, kształtuj odpowiadajce im stany odkształce, a przy dalszym zwikszaniu wartoci napre prowadzi to do zniszczenia wiza i zmian strukturalnych lub podziału produktu. Relacje pomidzy działajc sił, stanem napre i kocowymi skutkami w poszczególnych operacjach jednostkowych, zestawiono w tabeli

6 Tabela 1 Zestawienie rodzaju napre podczas wybranych operacji mechanicznych w przemyle spoywczym Table 1. Tabulation of types of stresses during the selected mechanical operations in food industry L.p Kierunek działania siły Wywoływane rodzaje naprenia Skutki przekroczenia wartoci granicznej Operacja jednostkowa 1. normalny ciskajce zgniatanie rozdrabnianie 2. normalny rozcigajce rozrywanie rozdrabnianie 3. styczny cinajce cinanie rozdrabnianie 4. normalny ciskajce i łamanie rozdrabnianie rozcigajce 5. normalny ciskajce rozłupywanie rozdrabnianie 6. normalny ciskajce udar rozdrabnianie 7. normalny styczny ciskajce i cinajce cieranie i rozcieranie rozdrabnianie 8. styczny normalny cinajce i ciskajce cinanie ciskanie mieszanie cieczy 9. styczny cinajce cinanie homogenizacja 10. styczny cinajce cinanie transport cieczy 11. normalny styczny ciskajce i cinajce ciskanie i cinanie wyciskanie cieczy 12. normalny ciskajce ciskanie filtracja 13. styczny cinajce cinanie separacja cieczy w wirówce 14. styczny cinajce cinanie miesienie ciasta 15. normalny ciskajce cinanie dzielenie ciasta 16. normalny styczny ciskajce cinanie ciskanie cinanie dozowanie cieczy Zwizki pomidzy poszczególnymi wielkociami przedstawione w tabeli stanowi podstaw do zbudowania systemu klasyfikacji oddziaływa mechanicznych według kryterium wywoływanych napre. System ten umoliwia klasyfikacj wszystkich oddziaływa mechanicznych, których celem jest odkształcenie produktu lub jego zmiany strukturalne. Pozwala ponadto identyfikowa w jakich operacjach wykorzystywany jest prosty, a w jakich złoony stan napre oraz prognozowa skutki oddziaływa mechanicznych na produkty spoywcze. Naley jednak zaznaczy, e w prezentowanym opracowaniu rozpatruje si oddziaływania podane z pominiciem przypadkowych, których analiz przewiduje si zaprezentowa w odrbnym opracowaniu. Podsumowanie Potrzebne i moliwe jest stworzenie systemu klasyfikacji oddziaływa mechanicznych w operacjach jednostkowych procesów technologicznych 300

7 przemysłu spoywczego, według kryterium napre wywoływanych w obrabianym produkcie. Znajomo relacji pomidzy sposobem obcienia, a wywołanym stanem napre pozwala sformułowa wytyczne do zaplanowania parametrów geometrycznych i dynamicznych elementów roboczych tak, aby uzyska wymagany stan napre. Wywołujc odpowiednie stany napre w obrabianych produktach mona w sposób planowy kształtowa zmiany ich właciwoci w celu osignicia podanych cech konsumpcyjnych lub technologicznych. Wymagana jest do tego znajomo wartoci parametrów reologicznych produktów odpowiadajcych tym podanym cechom okrelonych np. podczas bada organoleptycznych lub instrumentalnych midzyoperacyjnych. Istnieje potrzeba bada eksperymentalnych parametrów wytrzymałociowych i reologicznych produktów spoywczych aby moliwe było okrelenie napre granicznych, przekroczenie których zmienia właciwoci produktu. Naprenia w obrabianych produktach istotnie zale od ich struktury i właciwoci fizykomechanicznych. Bibliografia Uriev N.B., Talejsnik M.A., 1985, Piscevyje dispersnyje sistemy, Moskwa Jakubowicz A., Orło Z., 1968, Wytrzymało materiałów, WNT, Warszawa Kubik J., 1995, Podstawowe problemy mechaniki materiałów poroprzepuszczalnych, [W]: Orodki porowate w technice, medycynie i ochronie rodowiska, Wysza Szkoła Pedagogiczna, Zielona Góra Cieszko M., Dudziak W., 1995, Dynamika nasyconych płynem orodków porowatych o zredukowanych własnociach sprystych, [W]: Orodki porowate w technice, medycynie i ochronie rodowiska, Wysza Szkoła Pedagogiczna, Zielona Góra Jasik K, Chwiej M., 1979, wierczyski A., Inynieria przemysłu spoywczego, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna Ratajczak W., Ossowski G., 2004, Reologia produktów spoywczych i jej zwizek z projektowaniem maszyn, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznaskiej, Pozna Ratajczak W., Ossowski G., 2000, Właciwoci reologiczne miazgi z warzyw korzeniowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Opole 301

8 Wilczyski A.P., 1984, Mechanika polimerów w praktyce konstrukcyjnej, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa Classification of mechanical stresses in food products Summary The mechanical influence between the machine elements and food products in technological processes their processing have been analysed in this article. On basis of this analysis were elaborated The guideline to construction of system of operations classification according to criterion of stresses on basis of this analysis were elaborated The suitable selection of states of stresses in worked products makes possible the formation the changes their physical proprieties. Key words : influence, food products, system, stresses 302