Разработка ротационного вискозиметра высоких давлений для исследования свойств неньютоновских жидкостей

УДК 532.1

РАЗРАБОТКА РОТАЦИОННОГО ВИСКОЗИМЕТРА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

С.Н. Редни ков, И.Н. Султанов

CREATION OF ROTARY VISCOMETER OF HIGH PRESSURE FOR EXPLORING PROPERTIES OF NON-NEWTONIAN FLUIDS

S.N. Rednikoff, I.N. Sultanoff

Рассмотрено создание ротационного вискозиметра для наблюдения и идентификации реологических параметров неньютоновских жидкостей.

Ключевые слова: вискозиметр, высокие давления, вязкость, неньютоновские жидкости.

Creation of rotary viscometer has been considered for observation and identification of parameters of non-Newtonian fluids.

Keywords: viscometer, high pressure, viscosity, non-Newtonian fluids.

Неньютоновские жидкости широко применяются в различных технологических процессах. Сложные реологические свойства смазок, масел и других нефтепродуктов зачастую оказывают достаточно существенное воздействие на их поведение в условиях эксплуатации, а корректные физически обоснованные оценки свойств обеспечивают нормальные и надежные режимы функционирования. В основном многие эксперименты по изучению реологических свойств таких труднодоступных для исследования сред, как например, высокотемпературные и химически агрессивные жидкости, интерпретированы в предположении о ньютоновском характере их течения, следовательно, возникает противоречие в оценке величины вязкости и характере ее зависимости от термодинамических параметров. В работе [1] были изучены возможности наблюдения неньютоновских свойств на примере экспериментов с крутильным вискозиметром. Другим таким методом является вибрационный [3], в котором о реологических свойствах жидкости судят по параметрам вынужденных колебаний погруженной в эту среду пластины.

Помимо возможности работы с агрессивными средами, указанные выше нестационарные методы объединяют реализуемые в них условия, позволяющие сделать наблюдаемыми отдельные неньютоновские эффекты у жидкостей, обычно считающихся ньютоновскими, и решить задачу о реологической принадлежности среды. Так, в этих методах наблюдается характерное изменение во времени приращений напряжений и деформаций, следовательно, становится возможным обнаружить, например, упругие свойства жидких сред или свойства текучих систем с переменным отношением между напряжением и скоростью сдвига.

Для измерения вязкости применяют различные вискозиметры, которые можно классифицировать по пяти главным типам.

1. Капиллярные вискозиметры состоят из одного или нескольких резервуаров известного объёма с отходящими трубками малого круглого сечения или капиллярами и предназначены для измерения расхода фиксированного объема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре, а также при известном перепаде давлений на концах капилляра. Скорость сдвига можно измерить примерно от нуля до 106 с-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенное давление. При очень больших давлениях в капиллярном вискозиметре происходит сжатие жидкости, причем сжатием пренебрегать нельзя, возникает необходимость введения погрешности, поэтому точность измерения вязкости капиллярным вискозиметром очень мала, и данный тип редко используется.

2. Шариковые вискозиметры обычно представлены вискозиметром Гепплера, в котором используется метод падающего шарика в исследуемой среде по закону Стокса. Конструктивно данный тип представляет собою трубку, выполненную из прозрачного (или непрозрачного) материала, в которую помещается вязкая среда. Вязкость определяется по скорости прохождения па-

дающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра. Погрешность измерения изменяется в пределах 1-3 % из-за сложности определения местоположения шарика в непрозрачной вязкой среде, к тому же при высоком давлении изменяются свойства материала шарика.

3. Колебательные вискозиметры измеряют резонансную (максимальную) амплитуду колебаний датчика при постоянной возбуждающей силе или определяют частоту колебаний непогруженных и погруженных в жидкость частей вискозиметра при известном сдвиге фаз между возбуждающей силой и колебаниями системы. Амплитуда вынужденных колебаний датчика, погруженных в жидкость, зависит от вязкости среды. Такой вискозиметр сложно применять при высоких давлениях (выше 150 МПа), так как с ростом давления металл подвеса колебательных звеньев меняет свою характеристику.

4. Вискозиметры условной (относительной) вязкости представлены вискозиметром Энглера, который предназначен для измерения условной вязкости ньютоновских жидкостей или приближающихся к ним, при этом условная вязкость обычно измеряется в градусах Энглера. Число градусов Энглера определяется отношением времени истечения (в секундах) 200 см3 испытуемой жидкости при данной температуре из вискозиметра типа Энглера ко времени истечения (в секундах) 200 см3 дистиллированной воды из того же прибора при нормальной температуре (20 °С). Вискозиметр Энглера состоит из металлического (латунного) резервуара, имеющего сферическое дно с припаянной к нему латунной цилиндрической трубкой, в которую вставлена коническая платиновая трубочка с внутренним диаметром 2,6...2,8 мм, служащая для выпуска из цилиндра исследуемой жидкости (200 мл). Сам цилиндр помещен в масляную (водяную) баню. По причине того, что измерения проводятся только при атмосферном давлении, а также жестких требований к чистоте обработки внутренних поверхностей прибора, и связанной с этим погрешностью измерений, отсутствия метода точного перевода условных (относительных) единиц вязкости в абсолютные, вискозиметры условной (относительной) вязкости ограниченно используются.

5. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости течению вращающий момент на вращающемся вале. Ротационные вискозиметры или вискозиметры с коаксиальными цилиндрами представляют собой два соосных вертикальных цилиндра, один из которых приводится во вращение электромотором или падающим грузом. Между цилиндрами помещается исследуемая жидкость, которая оказывает вязкое сопротивление вращению одного цилиндра и передает движение другому цилиндру.

Ротационный вискозиметр обладает достаточно высокой точностью. Была поставлена задача спроектировать вискозиметр для работы с рабочим давлением более 200 МПа, при этом методики же оценивания свойств неньютоновских сред ротационным методом отсутствуют. К настоящему времени известны результаты, касающиеся, помимо ньютоновской, только простейших типов вязкоупругих сред, например, линейных, т. е. когда можно достаточно легко получить аналитическое выражение для реологических характеристик. В эксперименте применена насосная гидравлическая регулируемая установка УНГР-2000 закрытого типа, которая устанавливается рядом с вискозиметром и подключается к нему, а также имеются свои гидравлическая и электрическая схемы. Конструктивно в установке разделены измерительная часть и зона высокого давления.

Для более точного определения давления необходимо измерять сопротивление катушки с точностью не менее чем 0,001 Ом. Осуществить это измерение обычными приборами при сопротивлении катушки в 200 Ом невозможно.

В связи с этим, в настоящей работе использована схема, предложенная О.Г. Кацнельсоном и И.А. Ихловом [4], в которой измеряют только изменение сопротивления по давлению (рис. 1).

Рис. 1. Схема для измерения сопротивления манганинового манометра: 1 - катушка под давлением; 2 - катушка без давления; 3, 4 - катушки моста; 5 - магазин сопротивлений; 6 - зеркальный гальванометр; 7 - переменное сопротивление

В равновесном мосту неизвестным сопротивлением является катушка 1, находящаяся под давлением. Начальное сопротивление катушки точно измерено. Вторым плечом является катушка 2, имеющая такое же сопротивление (с точностью до 0,2-0,3 Ом), но не находящаяся под давлением. Обе катушки термостатированы. В мост включены катушки 3 и 4, имеющие такие же сопротивления, как и катушки 1 и 2. Их располагают рядом друг с другом, чтобы и для них температурные условия были одинаковы. Последовательно с катушкой 3 включен магазин сопротивления 5 с ценой делений 0,5; 1,2; 3 и 4 Ом. Схема замыкается переменным сопротивлением 7 из манганиновой проволоки длиной 1 м и сопротивлением около 1 Ом. Перемещение движка реохорда слева направо на 1 мм соответствует включению в плечо моста, в котором находится катушка 3, сопротивления около 0,001 Ом и выключению из плеча катушки 4 такого же сопротивления. После сборки схемы необходимо провести так называемую электрическую калибровку реохорда, т. е. определить цену его деления. Для электроизоляции при рабочих давлениях используется диэлектрический обращенный самоуплотняющийся конус.

Гидравлическая схема представлена на рис. 2.

Давление питания в вискозиметре создается при помощи гидравлического регулируемого насоса НГР-2000, имеющего две гидравлические системы: систему низкого давления, обеспечивающую подачу рабочей жидкости под давлением 0,2.. .0,5 МПа в полость насос-форсунок и систему высокого давления до 250 МПа. Поступающая из бака 1 через фильтр 2 по подводящей трубке 3 рабочая жидкость прогоняется шестеренчатым насосом 4 насосной установки 6 под давлением 0,2.. .0,5 МПа через все три насос-форсунки. Для обеспечения в процессе эксплуатации гидросистемы необходимой чистоты рабочей жидкости используются фильтры. Всасывающий фильтр 2 обеспечивает полнопоточную фильтрацию рабочей жидкости, нагнетаемой насосом в гидравлическую систему, и, прежде всего, защищает насосы от износа и повреждений. Фильтр 2 обладает грубой очисткой. Его тонкость фильтрации составляет 160 мкм. Напорный фильтр 15 используется в основном для фильтрации полного потока рабочей жидкости, создаваемого шестеренчатым насосом, и, таким образом, защищает все компоненты гидравлической системы (кроме шестеренчатого насоса). Гидравлический насос защищает напорный фильтр 15 с тонкостью фильтрации 3 мкм. Часть жидкости отсекается плунжерной парой и подается через трубку 7 и вентиль 8 к потребителю (мультипликатор 16) под высоким давлением. Остальная часть рабочей жидкости сливается в бак через коллектор низкого давления, выполненный в корпусе насоса 5, и отводящую трубку 9. Для регулирования скорости плунжера используется дроссель 11. Для измерения давления в трубке 7 используется манганиновый манометр 10, который можно применять при давлениях выше 200-300 МПа.

Для измерения вязкости применяется двигатель-генератор серии ДГ - двухфазный агрегат с полым немагнитным ротором. Сдвиг фаз между напряжениями питания обмотки возбуждения и обмотки управления двигателя должен быть осуществлен с помощью специальных схем, обеспечивающих электрический угол 90° независимо от нагрузки двигателя.

Крепление ДГ - фланцевое. Режим работы - продолжительный, реверсивный. На рис. 3 изображен двигатель-генератор серии ДГ.

Для описания процессов воспользуемся полуэмпириче-скими моделями турбулентности, основанными на определенных гипотезах, приведенными в статье [2].

В основе первой группы моделей лежит градиентная гипотеза Буссинеска, говорящая о линейной взаимосвязи турбулентных потоков с градиентами осреднённых значений характеристик среды:

ЧТ, = ^+ЖК -<(7^ -Г^гт).

а=1 Р'\ Р/

«, .1=-|'Р-МЛ+2'Р'^ <!?,), Ну).,-|л -(Ч>.

Для второй группы моделей применен метод Келлера-Фридмана, для которого характерно использование уравнений для пульсационных составляющих плотности, скорости, энтальпии, состава для вывода эволюционных дифференциальных уравнений для корреляторов случайных величин второго порядка. Общий вид такого уравнения

* Аа'в')^,п

т 3,

Рис. 3. Ротационный вискозиметр

Р-

(АХ/

'•ФУ

+А"'а(В)+В"'а(Л) Р '(е(АВ)}-

К третьей группе отнесены модели, которые основаны на замыкании уравнений Рейнольдса в рамках термодинамического подхода. Для этих моделей верны соотношения Стефана-Максвелла, описывающие поток многокомпонентной диффузии:

т-1-

П 0=1

пр'

ГТ _ и

су п

(ТЬ

и (Т) ’ р., йр

N

где 4 =х* +(4 -Мр .(2р)).^.+4.(-% +Мр-Х(2а)-^.),

Р Р а=1

и связанным с ним выражением потока тепла

д] = 7лу-Хт • (г), + * • (г) • £,&  4- + ¿{^) • 4-

а=1 ха а=1

На сегодняшний день однозначно указать преимущество той или иной модели представляется весьма затруднительным, так как все модели имеют ограниченную область применения. Лучшие результаты при исследовании означенных явлений, были получены с использованием К-Ь модели Глушко:

Р-

Р-

дЕ дЕЛ

иг-------1-м,,—

ч Эх ду J

дЬ дЬ

иг------1-м,,—

Хдх у~

д_

ду

дЕ

ду

\ Га

+щ- у

с2-

Е,

ду.

э (. Ж' Ь

У ду (ц+с3-ц()— 1 ду) -с4 4 Е

+

+Вс5-у[ЁГр-

1—

(И-г)2

-р с6 Ь

дЦ_

дх

Итак, в ходе подготовки к эксперименту рассмотрен ряд особенностей ротационного вискозиметра. Для углубленного изучения необходимо провести дальнейший анализ при различных начальных условиях.

Литература

1. Елюхина, И.В. Новые возможности крутильно-колебательного метода Швидковского Е.Г.: идентификация реологической принадлежности среды / И.В. Елюхина, Г.П. Вяткин, В.П. Бескач-ко //Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». - 2003. - Вып. 3. - № 6(22). -С. 108-115.

2. Муромцев, Н.Н. К вопросу применимости гипотез турбулентности к расчету течения жидкости в щелевых каналах при высоких давлениях / Н.Н. Муромцев, С.Н. Редников // Математическое моделирование и краевые задачи: тр. шестой Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Ч. 2: Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами. - Самара: СамГТУ, 2009. - С. 125-129.

3. Соловьев, А.Н. О вибрационном методе измерения вязкости жидкостей / А.Н. Соловьев, А.Б. Каплун // АН СССР. Теплофизика высоких температур. - 1965. - Т. 3, № 1. - С. 139-148.

4. Циклис, Д. С. Техника физико-химических исследований при высоких давлениях /Д. С. Цик-лис. - М.: Гос. науч.-техн. изд-во хим. литературы, 1951. - С. 157.

Поступила в редакцию 26 января 2011 г.

Редников Сергей Николаевич. Кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Гидравлика и гидропневмосистемы», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов — исследование вязкости углеводородов.

Sergue N. RednikofF. The candidate of engineering science, the teacher of «Hydraulic machines, hydrodrives and hydropneumoautomatics» department of the South Ural State University. The area of scientific interests - problems of measurement of viscosity of hydrocarbons.

Султанов Илья Николаевич. Инженер кафедры «Гидравлика и гидропневмосистемы», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - исследование вязкости углеводородов.

Ilia N. Sultanoff. The engineer of «Hydraulic machines, hydrodrives and hydropneumoautomatics» department of the South Ural State University. The area of scientific interests - problems of measurement of viscosity of hydrocarbons.