Лабораторная работа №3 определение вязкости сырья при помощи капиллярного вискозиметра

Цель работы: ознакомиться с методами капиллярной вискозиметрии при определении структурно-механических характеристик условно-ньютоновских и жидкообразных продуктов.

Общие положения

Определение структурно-механических характеристик жидких (условно-ньютоновских) и жидкообразных продуктов методами капиллярной вискозимет­рии

Течение условно – ньютоновских жидкостей с достаточной точностью описывается уравнением для истинно-вязких жидкостей, подчиняющихся закону И. Ньютона. Жидкообразные продукты практически не имеют предельного напряжения сдвига, и относятся к псевдопластичным жидкостям. Вязкостные характеристики жидкообразных продуктов измеряют преимущественно капиллярными вискози­метрами.

Наиболее распространены капиллярные вискозиметры Оствальда и Убеллоде. Эти вискозиметры представляют собой U-образные, установленные вертикально трубки, в одно колено которых впаян капилляр. У вискозиметра Оствальда определенное количество жидкости из левого резервуара перетекает в правый за счет гидростатического давления. В вискозиметре Убеллоде для истечения жидкости необходимо в одном колене создать давление или вакуум, что предопределяет его использование для исследования жидкообразных продуктов.

Вискозиметры Энглера применяют для определения коэффициентов кинематической и динамической вязкости продуктов, условно относящихся к ньютоновским жидкостям, и сопоставительного текстурного анализа жидкообразных продуктов в ши­роком диапазоне изменения их температур. В лабораторной практике технохимического контроля качества некоторых продуктов перерабатывающей промышленности также используется ка­пиллярный вискозиметр Энглера.

Кроме того, измерение вязкости с помощью вискозиметра Энглера позволяет охарактеризовать реологические свойства клеевых и желатиновых растворов, которые зависят от молекулярной массы, формы молекул продуктов деструкции коллагена и степени их гидратации. Эти факторы влияют на процесс гелеобразования при охлаждении водных растворов желатина, прочность и темпе­ратуру плавления студней. Кроме названных имеются различные модификации капиллярных вискозиметров.

Теория капиллярной вискозиметрии основана на том допущении, что поток в приборе ламинарный, скольжение на стенке отсутствует, скорость сдвига в точке зависит от нагружения в той же точке. Методика измерения с помощью капил­лярных вискозиметров принципиально одинакова для любых конструкций при­боров.

При движении жидкости по капиллярам играет роль внутреннее трение, т. е. силы, возникающие между слоями жидкости, движущимися с различными скоростями. Если в движущейся жидкости, обладающей внутренним трением, отдельные ее слои имеют различные скорости, то между соседними слоями возникают силы взаимодействия — на слой, движущийся быстрее, действует некоторая сила, замедляющая его движение, на слой, движущийся медленнее, — такая же сила, ускоряющая его движение. Величина силы взаимодействия между слоями, направленной вдоль границы их соприкосновения, оказывается пропорциональной величине поверхности S двух соприкасающихся слоев и быстроте изменения скорости жидкости при переходе от слоя к слою — так на­зываемому градиенту скорости. Для пояснения понятия «градиент скорости» положим, что два параллельных слоя движущейся жидкости находятся один от другого на расстоянии х, а их скорости равны соответственно V₁ и V₂. Градиент скорости N выразится формулой:

N = (V₁ - V₂) / X (1)

Обусловленная внутренним трением сила f, действующая между двумя со­седними слоями, поверхность соприкосновения которых S, определится при градиенте скорости N формулой:

f = μ · S · N (2)

Множитель пропорциональности μ называется коэффициентом внутрен­него трения, коэффициентом вязкости или просто вязкостью жидкости. Вели­чина μ дает силу трения между соседними слоями, рассчитанную на единицу площади их соприкосновения при градиенте скорости, равном единице.

При течении жидкости по трубке, стенки которой смачиваются ею, можно считать, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенкам, прили­пает к ним и остается неподвижным, а более удаленные от стенок слои скользят вдоль соседних слоев, и скорость движения жидкости возрастает по мере уда­ления от стенок. С наибольшей скоростью жидкость движется в точках, лежа­щих на оси трубки.

В случае протекания жидкости по узкой цилиндрической трубке объем вытекающей жидкости выражается формулой Пуайзеля:

V = π p r ⁴ t / 8 μ 1, (3)

где V - объем вытекшей жидкости, р - разность давлений на концах трубки,

l - длина трубки, r - ее радиус, t - время, μ - коэффициент вязкости.

Коэффициент динамической вязкости в системе СИ измеряется в Па·с.

Определение коэффициента вязкости данной жидкости производят путем его сравнения с известным коэффициентом вязкости другой жидкости. Для этого надо определить время вытекания t₁ и t₂ через одну и ту же капилляр­ную трубку строго одинакового объема двух жидкостей с коэффициентами вяз­кости μ₁ (известным) и μ₂ (подлежащим определению), вытекание жидкостей происходит при разностях давлений на концах капиллярной трубки, соответст­венно равных p₁ и р₂. Обозначая длину трубки через 1, а радиус ее через r, можно получить по формуле (3) для одного и того же объема вытекавших через эту трубку жидкостей выражения:

V = π p₁ r ⁴ t₁ / 8 μ₁1= π p₂ r ⁴ t₂ / 8 μ ₂1 (4)

Приравнивая, друг к другу правые части полученных выражений, получаем после простых преобразований и сокращений:

μ₁ / μ _{2 =} p₂ t₂ / p₁ t₁ (5)

Зная коэффициент μ₁ внутреннего трения одной жидкости, легко найти по этой формуле коэффициент внутреннего трения другой жидкости, если известны отношения р₂ / p₁ и t₂ / t₁. Коэффициент вязкости жидкости сильно зависит от температуры, и поэтому необходимо указывать температуру, при которой oн был получен.

В качестве жидкости с известным коэффициентом вязкости берут воду. Значения коэффициента вязкости воды при различных температурах приведены в таблице 2.

Таблица 2 Коэффициент вязкости воды в МПа·с

0С	μ	0С	μ	0С	μ
0 5 10 11 12 13 14 15 16 17	1,79 1,52 1,32 1,27 1,24 1,20 1,17 1,14 1,11 1,08	18 19 20 21 22 23 24 25 26 27	1,06 1,03 1,005 0,98 0,96 0,94 0,91 0,89 0,87 0,85	28 29 30 40 50 60 70 80 90 100	0,84 0,82 0,80 0,66 0,55 0,47 0,41 0,36 0,32 0,28

Жидкообразные продукты не имеют предельного напряжения сдвига, их течение начинается при сколь угодно малых напряжениях сдвига. Обычно, за ис­ключением истинно вязких жидкостей, эти продукты имеют слабую структурную сетку и обладают аномалией течения. Один и тот же продукт в зависимости от интенсивности механического воздействия, массовой доли сухих веществ или температуры часто может переходить из одной группы в другую, например жидкообразные в твердообразные. Реологические свойства жидкообразных продуктов используются при расчете машин и аппаратов, а также в комплексе с другими по­казателями при оценке процессов, связанных с переработкой сырья и оценкой качества продуктов.