2. Классификация приборов для исследования реологических свойств жидких сред
Совокупность объектов реологических исследований в пищевой промышленности охватывает широкий диапазон агрегатных состояний материалов, начиная от твёрдых тел и кончая маловязкими жидкостями. Это, а также разнообразие целей реологических исследований, требует применения приборов, отличающихся как по принципу действия, так и по конструкции.
Все устройства для проведения реометрических исследований согласно М. Рейнеру делятся на три класса:
1. Приборы, на которых реализуется деформация, близкая к однородной. К ним относят, например, сжимающие пластометры.
2. Приборы ламинарного сдвига, обработка данных на которых из-за неоднородного поля скоростей деформаций требует интегрирования или дифференцирования результатов опыта – ротационные и капиллярные вискозиметры.
3. Приборы, на которых реализуется ламинарное течение более сложного вида, такие как вискозиметры с падающим шариком.
Принцип действия капиллярного вискозиметра основан на подсчёте времени протекания заданного объёма материала через узкое отверстие или трубку, при заданной разнице давлений.
Идея более распространенных ротационных вискозиметров, заключается в том, что меру сопротивления сдвиговому течению можно определить, измеряя крутящий момент и угловую скорость при относительном вращении измерительных тел, например, коаксиальных (соосных) цилиндров, в зазоре между которыми находится вязкая жидкость. Их применяют как для контроля качества сырья и продукции, так и для контроля технологических процессов.
Работа № 1. Измерение вязкости ньютоновских сред на микровискозиметре фирмы хааке.
1. Цели и задачи работы
Целью лабораторной работы является повышение уровня знаний студентов в области методов контроля вязкости ньютоновских сред.
Задачами работы являются:
- закрепление теоретических представлений о реологическом поведении ньютоновских сред и методах их математического описания;
- ознакомление с устройством вискозиметров с падающим шариком, методами измерения и расчета динамической и кинематической вязкости;
- получение экспериментальных данных о зависимости динамической вязкости ньютоновских сред от температуры;
- расчет параметров уравнения Аррениуса-Эйринга, описывающего зависимость динамической вязкости ньютоновских сред от температуры.
2. Теоретические основы вискозиметрии, основанной на методе падающей сферы
|
Рис. 1.3. Принципиальная схема измерения вязкости по методу падающего шарика |
Теория базируется на наиболее простой схеме измерений: в качестве движущегося тела используется шарик, падающий вдоль оси цилиндрической трубки, заполненной исследуемой жидкостью, и измеряется скорость движения шарика. Эта схема показана на рис. 1.3, причем предполагается, что трубка установлена строго вертикально.
Строгая теория движения твердого шарика, являющаяся базовой для дальнейших уточнений, справедлива как первое приближение при следующих допущениях:
– движение полагается установившимся, то есть скорость падения шарика постоянна;
– инерционные эффекты считаются несущественными, то есть рассматривается движение при малых значениях числа Рейнольдса (Re << 1);
– предполагается, что исследуемая жидкость является ньютоновской;
– влиянием стенок на падение шарика можно пренебречь, то есть радиус шарика r принимается много меньшим, чем радиус трубки R;
– шарик движется строго вертикально.
При
движении шарика радиуса r,
изготовленного
из материала с плотностью
в жидкости с плотностью
под действием силы тяжести движущая
сила .F
равна
[Н],
(1.12)
где Fg – сила тяжести, Н; FA – сила Архимеда, Н.
Сила сопротивления движению шарика в вязкой среде, равная движущей силе, определяется по формуле Стокса. Она равна
[Н],
(1.13)
где
= h/t–
скорость установившегося падения
шарика, м/с;
– вязкость
исследуемой жидкости, Па∙с;
t
– время падения шарика от метки I
до метки II,
с; h
– расстояние
между метками, м.
Таким образом, из сравнения выражений (1.12) и (1.13) получается следующая формула для определения вязкости по измеряемой скорости падения шарика:
[Па∙с].
(1.14)
Как видно, измеряемая вязкость обратно пропорциональна установившейся скорости падения шарика и прямо пропорциональна разности плотностей шарика и жидкости. Обычно считается, что эта формула применима при Re < 0,1, причем число Рейнольдса вычисляется как
(1.14)
Одним
из используемых на практике вариантов
метода падающего шарика является
установка цилиндрической трубки под
углом
(обычно 10°) к вертикальной оси. В этом
случае формула (1.14) запишется как
.
(1.15)
Обычно приборы такого типа используют для сравнительных испытаний ньютоновских сред, отличающихся невысокой вязкостью (0,5∙10–3…1 Па∙с). В этом случае погрешность измерения вязкости может быть даже ниже, чем у приборов других классов.