Haèng soá nhôùt keá coù theå xaùc ñònh baèng caùch thay caùc giaù trò cuûa thoâng soá nhôùt keá hoaëc baèng caùch ño thôøi gian chaûy cuûa moät chaát loûng ñaõ bieát ñoä nhôùt, khi ñoù:[r]
(1)Bài ĐỘ NHỚT THỰC PHẨM
2.1 Mục đích thí nghiệm
Tìm hiểu đặc tính nhớt chất lỏng Newton chất lỏng phi Newton
Xác định độ nhớt số chất lỏng thực phẩm nhớt kế mao quản máy đo độ nhớt trục quay
2.2 Cơ sở lý thuyết
2.2.1 Khái niệm độ nhớt
Lưu chất khơng có khả chịu lực cắt, có lực tác dụng, chảy xuất lực ma sát bên Hình (2.1) mơ tả cách định tính biến thiên dịng chảy bên thành rắn Vận tốc phần tử lưu chất tiếp xúc với thành rắn Càng xa thành rắn, vận tốc phần tử lưu chất tăng Ta chia lưu chất thành lớp chuyển động song song Ứng suất ma sát (lực ma sát đơn vị diện tích) lớp chuyển động tương đối chúng phụ thuộc vào gradient vận tốc (du/dy hay J) lớp Sự phụ thuộc mô tả định luật Newton:
W = P dy du
(2.1) Trong P độ nhớt động lực học (độ nhớt), W ứng suất cắt
Hình 2.1: Mơ tả biến thiên dịng chảy u y
u
du u u + du
(2)Chất lỏng phân loại thành nhóm:
- Chất lỏng Newton: chất lỏng mà đường biểu diễn mối quan hệ ứng suất cắt W vận tốc cắt du/dy đường thẳng qua gốc tọa độ Những chất lỏng tuân theo định luật Newton độ nhớt:
W = P dy du
với P = const (2.2)
Ví dụ: nước, dung dịch lỗng, dung môi hữu cơ, sữa, nước trái cây, dầu thực phẩm…
- Chất lỏng phi Newton: chất lỏng không tuân theo định luật Newton độ nhớt Mối quan hệ ứng suất cắt tốc độ cắt đường thẳng không qua gốc tọa độ Để mô tả lưu chất phi Newton người ta dùng phương trình sau:
W = m.Jn + Wy (2.3)
Trong n: số đặc tính dịng chảy m: số độ đặc
Sự phụ thuộc ứng suất cắt gradient vận tốc số lưu chất mô tả hình 2.2:
W
Hình 2.2: Sự phụ thuộc ứng suất cắt gradient vận tốc
Bên cạnh độ nhớt động lực học, người ta sử dụng khái niệm độ nhớt động học
Q định nghĩa:
Q = U P
, với U: khối lượng riêng lưu chất (2.4) du/dy
Lѭu chҩt Bingham plastic
(3)Đơn vị đo lường độ nhớt: cP = 10-3 Pa.s = 10-3 kg/m.s
stoke = cm2/s
2.3 Các phương pháp đo độ nhớt
2.3.1 Đo độ nhớt nhớt kế mao quản
Nguyên lý: cho chất lỏng chảy qua mao quản, chất lỏng có độ nhớt cao chảy chậm Vì ta dựa vào tính chất để xác định độ nhớt chất lỏng
Đối với dòng chảy tầng ổn định chất lỏng Newton ống mao dẫn, phương trình cổ điển Hagen Poiseuille đưa tảng cho việc đo lường độ nhớt Q= L R P P S ' (2.5) đó, Q: lưu lượng thể tích, m3/s
'P : tổn thất áp suất dọc theo ống mao dẫn, Pa R: đường kính ống mao dẫn, m
L: chiều dài ống mao dẫn, m P: độ nhớt chất lỏng, Pa.s
Ngoài ra, tổn thất áp suất 'P= U.g.h (2.6) Với U: khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3
h: chiều cao cột thủy tónh, m
h= L.cosD , với D góc tạo ống mao dẫn với phương thẳng đứng g: gia tốc trọng trường, m/s2
Thay phương trình (2.6) vào phương trình (2.5) ta được: Q L h g R S Q U P (2.7)
Trong Q: độ nhớt động học chất lỏng, m2/s
Gọi V thể tích chất lỏng chảy ống mao dẫn thời gian t , ta có
Q=
(4)Phương trình (2.7) viết lại sau: Q = (S cosD
V g R
)t = ( V L h g R S
)t (2.8)
Khi cho chất lỏng chảy từ điểm C đến E , thể tích V chiều cao cột áp thủy tĩnh h cố định, biểu thức dấu ngoặc trở thành số Phương trình (2.8) viết đơn giản sau:
Q = b.t (2.9)
Trong b = [S cosD V g R ] = [ V L h g R S
] số nhớt kế
HHình 2.3: Cấu tạo nhớt kế mao quản Ostwald
Hằng số nhớt kế xác định cách thay giá trị thông số nhớt kế cách đo thời gian chảy chất lỏng biết độ nhớt, đó:
b= Qknown /tknown
Khi biết số nhớt kế, ta xác định độ nhớt động học Q chất lỏng cần kiểm tra cách đo thời gian t sử dụng phương trình (2.9) Từ xác định độ nhớt động lực học P
Có nhiều loại nhớt kế mao quản với hình dạng khác Trong thí nghiệm sử dụng nhớt kế Ostwald có cấu tạo hình 2.3
A C E
(5)2.3.2 Đo độ nhớt máy đo độ nhớt trục quay:
Nguyên lý: độ nhớt chất lỏng đo cách cho trục xylanh quay tốc độ chọn trước moment quay cần thiết để thắng lực cản độ nhớt chất lỏng cần đo Phương pháp cho phép ta xác định liên tục mối quan hệ ứng suất cắt tốc độ cắt
Với chất lỏng Newton (P thay đổi theo số vịng quay), độ nhớt tính
sau: P =
n n
i i ¦
1 P
, n: số lần đo (2.10)
Với chất lỏng phi Newton, ta tìm số m, n phương trình sau: log (P ) = nlog(1/n) + log(m) + (n-1)log(4SN) (2.11) với: N: tốc độ quay xylanh (vòng/s)
P : độ nhớt chất lỏng tương ứng với tốc độ quay N (Pa.s) Khi thay đổi P ta tìm hồi quy tuyến tính log(P ) log(4SN) để xác định m n
(6)Nước cam ép: đo độ Brix nước cam
0
Bx T (0C) V (ml) m (g) U (kg/m3) t1 (s) t2 (s) t3 (s) t (s)
20
Hằng số nhớt kế: b = ? Bảng số liệu (nhóm B):
C% T (0C) V (ml) m (g) U (kg/m3) t1 (s) t2 (s) t3 (s) t (s)
0 20
40 20 50 20 Hằng số nhớt kế: b = ? Bảng kết quả:
C% t (s) Q (m2/s) P (Pa.s) P (cP)
0 10 20 30 40 50 Nước
cam
Vẽ đồ thị mối liên hệ nồng độ dung dịch đường & độ nhớt động lực học (C, P) dựa theo bảng kết
2.5.2 Đo độ nhớt máy Brookfield Mẫu:
(7)N (rpm hay vòng/phút) P (cP)
¾ Đối với mẫu dung dịch đường: lấy giá trị trung bình độ nhớt vịng quay
¾ Đối với mẫu puree cà chua, nước cam ép: Vẽ giản đồ ( llog(4SN), logP )
Xác định phương trình hồi quy tuyến tính đồ thị, từ xác định hệ số mm,n ứng với dung dịch mẫu
2.6 Thảo luận
2.6.1 Đo độ nhớt nhớt kế mao dẫn
Nhận xét đồ thị khoảng: dung dịch loãng dung dịch đặc
So sánh kết đo độ nhớt dung dịch đường 40% nước cam ép phương pháp Giải thích
Nêu ưu, nhược điểm nhớt kế mao quản 2.6.2 Đo độ nhớt máy Brookfield
So sánh kết đo độ nhớt puree cà chua ẩm độ khác Giải thích Nêu ưu, nhược điểm máy đo độ nhớt trục quay
2.7 Yêu cầu viết báo cáo:
Bài báo cáo trình bày theo mục sau: + Tóm tắt lý thuyết
+ Phương pháp tiến hành thí nghiệm
+ Báo cáo kết & xử lý số liệu thí nghiệm + Thảo luận