СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD OF MEASURING VISCOSITY OF NON-NEWTONIAN LIQUIDS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости жидкостей.
Известен способ измерения вязкости жидкости, включающий определение времени истечения ее фиксированного объема через капилляр с заданным диаметром живого сечения [1].
Недостатком способа [1] является невозможность измерения вязкости неньютоновских жидкостей.
Известен способ измерения вязкости жидкости, включающий прокачку жидкости через канал известного диаметра, определение напряжения и скорости сдвига на стенке канала [2].
Недостатком способа [2] является невозможность измерения зависимости вязкости от скорости сдвига при заданной скорости движения жидкости.
-1
Наиболее близким по технической сущности известным решением является способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей, включающий их прокачку через цилиндрический канал, определение напряжения сдвига, скорости сдвига, профиля распределения скоростей потока в поперечном сечении канала и зависимости вязкости от скорости сдвига из выражения , где: η - вязкость жидкости, Па·с; τ(x) - напряжение сдвига, Па; γ'(x) - скорость сдвига, c; x - текущая координата вдоль оси канала, м [3].
Недостатком способа [3] является сложность, большая трудоемкость и длительность процесса определения напряжения сдвига, требующего достаточно дорогого аппаратурного оснащения.
Изобретение решает задачу упрощения определения вязкости неньютоновских жидкостей с созданием предпосылок для разработки экспресс-метода применительно к производственным условиям, например, при обработке и транспортировании по технологическим трубопроводам малоконсистентных древесно-волокнистых водных суспензий.
Технический результат заключается в упрощении способа определения вязкости за счет использовании в качестве входных данных широко известных реологических параметров воды, являющейся основной составляющей исследуемых суспензий.
Для обеспечения технического результата, в способе измерения вязкости неньютоновских жидкостей, включающем их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока, а также использование известных реологических параметров воды, согласно изобретению, вязкость определяется из выражения
,
где:
B
η - вязкость воды, Па·с;
c
η - вязкость суспензии, Па·с;
-1
- средняя скорость потока воды, м·c;
-1
- средняя скорость потока водной суспензии, м·c,
при этом вязкость воды принимается по справочным данным.
В отличие от известных способов [1, 2, 3], в предлагаемом решении в качестве основных входных параметров измеряются температура, время истечения сравниваемых жидкостей и их объемы. При известных диаметрах живых сечений каналов и вязкости воды, решение задачи определения выходных параметров, входящих в правую часть представленной зависимости, и определение вязкости неньютоновской жидкости существенно упрощается.
Кроме того, для создания компактного экспресс-метода измерения вязкости неньютоновских жидкостей в производственных условиях, в предлагаемом решении, по сравнению с известными способами [1, 2, 3], потребуется не дорогое и, в конструктивном отношении, более простое приборное оснащение.
Данная формула определения вязкости выведена авторами аналитическим путем и подтверждена результатами эксперимента. Экспериментальное определение вязкости было проведено в проблемной лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» СибГТУ.
В качестве исследуемых жидкостей использовались вода и древесно-волокнистые водные суспензии с концентрацией 0,5; 1,0; 1,5%.
3
Замеры производились при фиксированных параметрах: температура t=20°C; объем исследуемой жидкости V=0,008 м.
Пример 1.
1
3
Предварительно проводилось измерение времени истечения воды, что необходимо для дальнейших расчетов определения вязкости неньютоновских жидкостей. Через цилиндрический канал, диаметр поперечного сечения которого d=0,09 м, пропускалась вода. Замерялось время истечения фиксированного объема 0,008 м воды из канала скоростной видеокамерой. Для воды секундный расход и средняя скорость потока рассчитывались по известным зависимостям, вязкость бралась по справочным данным.
Пример 2.
1
3
Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей осуществляется следующим образом. Через цилиндрический канал, диаметр поперечного сечения которого d=0,09 м, пропускалась исследуемая жидкость - водная суспензия древесных волокон целлюлозы концентрации 0,5%. Замерялось время истечения фиксированного объема 0,008 м исследуемой жидкости из канала.
Замер производился скоростной видеокамерой. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости по известным зависимостям. Вязкость рассчитывалась по предлагаемой формуле.
Пример 3. Аналогично примеру 2. Концентрация водной суспензии древесных волокон целлюлозы равна 1%. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости.
Пример 4. Аналогично примеру 2. Концентрация водной суспензии древесных волокон целлюлозы равна 1,5%. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости.
По примерам 2-4 число Re находилось в пределах 3150-3780, что соответствует переходному режиму. Однако известно, что равномерно распределенные в водной суспензии волокна частично демпфируют и гасят микротурбулентность внутри потока. В связи с этим было сделано допущение, что в данных примерах имеет место ламинарный режим течения исследуемых жидкостей. После подстановки полученных результатов и известных значений вязкости воды в представленную выше зависимость были определены значения вязкости исследуемых волокнистых суспензий. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
1
Пример 5. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 1.
1
Пример 6. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 2.
1
Пример 7. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 3.
1
Пример 8. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 4.
Для примеров 5-8 замерялось время истечения фиксированных объемов исследуемых жидкостей из насадки, установленной на выходе из каналов. Для примеров 5-8 рассчитывался секундный расход и средние скорости потоков по известным зависимостям. Для примеров 6-8 расчет производился для турбулентного режима движения потока, поскольку число Re находилось в пределах 14148…16960. Для примера 5 вязкость воды принималась по известным справочным данным.
После подстановки полученных результатов и известных значений вязкости воды в представленную выше зависимость были определены значения вязкости исследуемых древесно-волокнистых водных суспензий примеров 6-8. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.
Таким образом, по сравнению с существующими способами [1, 2, 3], использование предлагаемого решения существенно упрощает процесс определения вязкости неньютоновских жидкостей. За счет этого создаются предпосылки для осуществления контроля данного параметра в производственных условиях, например, при размоле древесно-волокнистой массы, поступающей на стадию размола в виде малоконсистентных водных суспензий.
Определение значений вязкости неньютоновских жидкостей позволяет, кроме решения поставленной выше задачи, предотвратить возможности возникновения аварийных ситуаций, часто имеющих место при неконтролируемом пропуске консистентной волокнистой массы через массопровод и соединенные с ним рабочие полости технологического оборудования. Использование предлагаемого решения способствует также повышению эффективности технологических процессов.
Источники информации
1. Цветков В.Н, Эскин В.Е., Френкель С.Я. Структура макромолекул в растворах. М.: Наука, 1964.
2. Мидлман С. Течение полимеров. М.: Мир, 1971.
3. SU №1716388, МПК G01N 11/04, заяв. 30.05.1989 г., опубл. 29.02.1992 г., бюл. №8.