СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD TO DETECT 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
Известен 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, с; 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.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения вязкости неньютоновских жидкостей, включающий их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока, при этом вязкость неньютоновских жидкостей определяется из выражения , где
в
η - вязкость воды (ньютоновской жидкости, принимается по справочным данным), Па·с;
с
η - вязкость суспензии (неньютоновской жидкости), Па·с;
-1
- средняя скорость потока воды (расчетная величина), м·с;
-1
- средняя скорость потока водной суспензии (неньютоновской жидкости, расчетная величина) м·с [4].
B
Недостаток способа [4] заключается в необходимости использования реологических параметров промежуточной ньютоновской жидкости (воды) η,  и, как следствие этого, с целью их нахождения, в введении дополнительных операций в цепочку основных.
Изобретение решает задачу упрощения способа определения вязкости неньютоновских жидкостей, с созданием предпосылок для усовершенствования экспресс - метода по его осуществлению, применительно к производственным условиям, например, при обработке и транспортировании по технологическим трубопроводам малоконсистентных древесноволокнистых водных суспензий.
Технический результат заключается в упрощении способа определения вязкости малоконсистентрых неньютоновских жидкостей [4], главным образом, за счет использования в качестве входных параметров, значений мощности, затрачиваемой на секундный сдвиг, полученной с помощью измерительной техники.
Для обеспечения технического результата, в способе определения вязкости неньютоновских жидкостей, включающем их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока, согласно изобретению, вязкость определяется из выражения , где
С
η - вязкость неньютоновской жидкости, Па·с;
С
N - полезная мощность, затрачиваемая на секундный сдвиг, Па·с;
r - радиус внутренней поверхности трубы, м;
СР
r - средний радиус потока неньютоновской жидкости, м;
-1
- средняя скорость потока водной суспензии, м·с;
t - время истечения струи суспензии из насадки, с.
С
С
С
СР
В отличие от известных способов [1, 2, 3, 4], в предлагаемом решении, в качестве основных входных параметров, замеряются значения мощности N, затрачиваемой на секундный сдвиг, время истечения струи из насадки t и радиус r внутренней поверхности трубы, рассчитывается значения среднего радиуса r, средней скорости  потока в трубопроводе, концентрации С. При известных значениях данных входных параметров, задача определения вязкости η 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, 4]) потребуется недорогое и в конструктивном отношении более простое приборное оснащение. Представленная формула определения вязкости η неньютоновских жидкостей выведена авторами аналитическим путем и подтверждена результатами эксперимента. Экспериментальное определение вязкости было проведено в проблемной лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» СибГТУ.
3
В качестве исследуемых жидкостей использовались водные суспензии целюлозы с концентрацией С=0,5; 1,0; 1,5%. Замеры производились при фиксированных входных параметрах: температура t=20°C; фиксированный объем пропускаемой через насадку исследуемой жидкости V=0,008 м. Диаметр поперечного сечения канала d=0,02 м.
Пример 1. Концентрация 0,5%. Операции производились в следующей последовательности:
СР
- рассчитывались секундный расход Q, средняя скорость  и средний радиус r потока по известным зависимостям;
С
- замерялись время t истечения фиксированных объемов V исследуемых жидкостей из насадки, установленной на выходе из каналов и мощность N, затрачиваемая на секундный сдвиг.
С
Расчет вязкости η производился для ламинарного режима движения потока суспензии, поскольку результаты проверочного расчета показали, что при концентрациях С=0,5% режим течения во всех рабочих органах установки ламинарный (Re<2320).
Пример 2. Концентрация 1%. Последовательность операций осуществлялась по аналогии, установленной в примере 1.
С
Расчет вязкости η производился для турбулентного режима движения потока суспензии, поскольку результаты проверочного расчета показали, что при концентрациях С=1% число Re находилось в пределах 14148…16960.
Пример 3. Концентрация 1,5%. Последовательность операций осуществлялась по аналогии, установленной в примере 1.
С
Расчет вязкости η производился для турбулентного режима движения потока, поскольку установлено, что при концентрациях С=1,5% число Re находилось так же, как и в примере 2, в пределах 14148…16960.
После подстановки результатов расчета и замеров в представленную зависимость были определены значения вязкости исследуемых водных суспензий целлюлозы примеров 1-3. Результаты эксперимента приведены в таблице.
Таким образом, по сравнению с существующими способами [1, 2, 3, 4], использование предлагаемого решения упрощает процесс определения вязкости малоконсистентных 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 целлюлозы.
Кроме этого, можно предположить, что контроль вязкости неньютоновских жидкостей позволит предотвратить возможность 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 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.
4. RU №2441217, МПК G01N 11/04, заяв. 28.10.2010 г., опубл. 27.01.2012 г., бюл. №3.