5.3 Вязкость лабораторная работа № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение коэффициентов кинематической и динамической вязкости на вискозиметре типа ВПЖ при изменении температуры опыта.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ: Под вязкостью жидкостей или газов понимают их свойства оказывать сопротивление сдвигающей внешней силе. Эту силу внутреннего трения между соприкасающимися слоями можно выразить как:

(1)

где: S – площадь трения; du/dn – градиент скорости сдвига слоев:  - коэффициент пропорциональности /внутреннего трения/ или коэффициент динамической вязкости.

Минус в формуле показывает, что сила направлена навстречу движущемуся слою. Если силу трения F_тр отнести к величине площади трения S, то получим касательное напряжение, которое можно выразить как:

(2)

Коэффициент  с физической точки зрения представляет собой силу трения, приходящуюся на единицу при градиенте скорости равном 1 м/с, т.е.

(3)

Жидкости, для которых справедливо данное выражение называются ньютоновскими. К ним относятся вода, большинство нефтепродуктов, часть нефтей и минеральные масла. Жидкости, которые имеют более сложную зависимость между касательным напряжением и градиентом сдвига называются неньютоновскими. В теории к ним относятся псевдопластичные, глинистый буровой раствор, тяжелые нефти, тиксотропно-пластичные и т.д. Для этих жидкостей справедливо следующее выражение:

(4)

где: ₀ - статическое напряжение сдвига; ^, - коэффициент структурной вязкости жидкости.

Преобразовав выражение (4) к виду:

(5)

где:  - коэффициент эффективной вязкости жидкости.

Этот коэффициент имеет важное значение в гидравлике вязко-пластичных жидкостей типа: глинистых растворов, водных растворов ПАА, КМЦ, превацела и т.д., а также аномально-вязких нефтей и различных типов эмульсий.

В инженерной практике часто вязкость ньютоновских жидкостей характеризуют коэффициентами кинематической вязкости , под которым понимают отношение динамической вязкости  к плотности жидкости :

(6)

Динамическая вязкость измеряется в системе СИ /Па^.с/, внесистемная единица – пуаз /пз/; кинематическая вязкость в системе СИ /м²/с/, внесистемная единица – стокс /ст/.

Кроме того, часто вязкость ряда нефтепродуктов и глинистых растворов определяется в условных или относительных величинах, т.е. коэффициентами условной и относительной вязкости. Условная вязкость /Е/ измеряется в градусах Энглера /град.Е/ или в секундах /для глинистых растворов/. Вязкость глинистых растворов оценивается по времени истечения 500 мл раствора из специальной воронки с калиброванной трубкой. Условная связь в градусах Энглера определяется отношением времени истечения 200 мл испытуемой жидкости ко времени истечения того же объема дистиллированной воды при температуре 20 град.С.

Отношение между градусами Энглера с пуазами выражается приближенной формулой Уббелоде:

(7)

где: Е – условная вязкость в град.Е; _ж – плотность жидкости в г/см^3.

Структурная и эффективная вязкости измеряются в тех же единицах, что и динамическая. Напряжение сдвига характеризует прочность структуры жидкости и измеряется в системе СИ в единицах давления (Па).

При оценке влияния температуры на динамическую вязкость воды и воздуха можно пользоваться следующими зависимостями:

а) для воды

(8)

б) для воздуха

(9)

где: t – температура в град.С; _в, _воз – плотность воды и воздуха, соответственно в кг/м³; _t – динамическая вязкость в Па с.

Рис.5.3.1. Установка для исследования зависимости вязкости жидкости от температуры.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА: Прибор (рис.5.3.1) состоит из вискозиметра Пинкевича (4) с грушей, лабораторного физического штатива (1), электромагнитной мешалки ЭММ с нагревателем (6), электроконтактного термометра ЭКТ (3) с термореле ТР (7) и термостатирующего стакана с дистиллированной водой /5/. Вискозиметр представляет собой U-образную трубку, в одно колено которой впаян капилляр, переходящий в расширение. На нижнем расширении в верхней и нижней его частях имеются кольцевые метки (М1) и (М2), по которым наблюдают за истечением жидкости. В верхней части другого колена имеется небольшая отводная трубка для присоединения резиновой груши, ниже которой расположено буферное расширение. Объем жидкости, вводимой в вискозиметр должен быть таким, чтобы пространство буферного расширения было заполнено на ¾ от общего объема расширения. ЭММ позволяет поддерживать постоянство температуры жидкости во всем объеме термостата. Интервал изменения температуры опыта задает преподаватель. Установка температуры производится с помощью ЭКТ, при этом нагрев термостата производится до достижения заданной температуры, после чего происходит автоматическое выключение ЭН. Замер времени истечения жидкости в /4/ при заданной температуре производить при срабатывании ТР на отключение ЭН.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Залить в вискозиметр жидкость, поместить в термостатирующий сосуд, закрепить на штативе и соединить с грушей;

2. Включить ЭММ, установить режим перемешивания при среднем положении потенциометра;

3. Установить на ЭКТ заданную температуру с помощью установочного магнитного винта, включить ТР и ЭММ с нагревателем;

4. Для заданной температуры снять отсчет времени истечения жидкости через капилляр из расширения от метки /М₁/ до /М₂/. Для этого закрыв большее колено и нажатием на грушу перевести жидкость в узкое колено немного выше кольцевой метки /М₁/. Открыть широкое колено, опустить грушу и в момент прохождения уровня жидкости через верхнюю метку /М₁/ включить секундомер. Когда уровень жидкости достигнет метки /М₂/ – остановить секундомер. Замер времени повторить 2-3 раза. В качестве итогового времени взять среднее его значение. Данные измерений занести в таблицу 5.3.1

5. Провести измерения на 3-5 режимах при разных значениях температуры.

6. Произвести необходимые расчеты. Результаты занести в таблицу 5.3.1. Используя расчетные данные построить график зависимости коэффициента динамической вязкости жидкости от температуры опыта.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Расчет коэффициента кинематической вязкости жидкости:

(10)

где: С – постоянная вискозиметра, указывается в паспорте прибора в соответствии с заводским номером и диаметром капилляра, постоянная прибора указывается в сСт/с; t – время истечения жидкости;

2. Расчет коэффициента динамической вязкости:

(11)

где: _t – плотность жидкости при заданной температуре;

(12) (13)

где С_t – коэффициент температурного расширения жидкости, для керосина – 0.00078 1/град.С, для воды – 0.000257 1/град.С, для глицерина – 0.0003 1/град.С; t – изменение температуры; V – изменение объема; _ж – плотность жидкости t₀ = 20 град.С и p₀ = 0.1022 МПа.

Таблица 5.3.1

Данные лабораторных исследований

Испытуемая жидкость…………………………………………….

Плотность в нормальных условиях……………………………..

Постоянная прибора………………..Диаметр капилляра………

№ п/п	Температура опыта, t (град.С)	Время истечения, τ (сек)	Кинематическая вязкость,  (сСт)	Плотность жидкости, ж, (кг/м3)	Динамическая вязкость,  (сПз)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Дайте определение вязкости.

2. Чем отличаются ньютоновские жидкости от вязкопластичных?

3. Как зависит вязкость от давления и температуры?

4. Какие коэффициенты вязкости вы знаете.

5. Почему при увеличении давления в пласте до давления насыщения коэффициент динамической вязкости пластовой нефти уменьшается.

6. Как влияет вязкость флюида на процесс добычи и транспортировки нефти, газа и воды.

7. Какой вязкостью характеризуются аномальные жидкости?

8. Единицы измерения вязкости в СИ, СГС и МКГСС.

9. Что характеризует статическое и динамическое напряжения сдвига?

10. Роль вязкости нефти в нефтепромысловом деле.

Рис. 5.3.2 Прибор для изучения динамики вязкости жидкостей от температуры на стеклянном вискозиметре типа ВПЖ

1 - физический штатив; 2 - лапка-держатель; 3 - электроконтактный термометр; 4 - вискозиметр стеклянный типа ВПЖ; 5 - термостатирующий сосуд; 6 - электронагреватель с магнитной мешалкой в одном корпусе; 7 – термореле.