Способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей

Авторы патента:

G01N11/04 - через ограниченный участок прохождения, например через трубу или отверстие

Владельцы патента RU 2441217:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" ("СибГТУ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости жидкостей. Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей, включающий их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока на основании измеренных данных, отличающийся тем, что вязкость неньютоновских жидкостей определяется из выражения ,где: η^В - вязкость воды (ньютоновской жидкости), Па·с; η^с - вязкость суспензии (неньютоновской жидкости), Па·с; - средняя скорость потока воды (ньютоновской жидкости), на основании проведенных измерений, м·с^-1; - средняя скорость потока водной суспензии (неньютоновской жидкости), на основании проведенных измерений, м·с^-1. При этом вязкость воды (ньютоновской жидкости) принимается по справочным данным.

Техническим результатом изобретения является упрощение способа определения вязкости за счет использования в качестве входных данных широко известных реологических параметров воды, являющейся основной составляющей исследуемых суспензий.

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.

Наиболее близким по технической сущности известным решением является 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, c^-1; 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.

Изобретение решает задачу упрощения определения вязкости неньютоновских жидкостей с созданием предпосылок для разработки экспресс-метода применительно к производственным условиям, например, при обработке и транспортировании по технологическим трубопроводам малоконсистентных древесно-волокнистых водных суспензий.

Технический результат заключается в упрощении способа определения вязкости за счет использовании в качестве входных данных широко известных реологических параметров воды, являющейся основной составляющей исследуемых суспензий.

Для обеспечения технического результата, в способе измерения вязкости неньютоновских жидкостей, включающем их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока, а также использование известных реологических параметров воды, согласно изобретению, вязкость определяется из выражения

где:

η^B - вязкость воды, Па·с;

η^c - вязкость суспензии, Па·с;

- средняя скорость потока воды, м·c^-1;

- средняя скорость потока водной суспензии, м·c^-1,

при этом вязкость воды принимается по справочным данным.

В отличие от известных способов [1, 2, 3], в предлагаемом решении в качестве основных входных параметров измеряются температура, время истечения сравниваемых жидкостей и их объемы. При известных диаметрах живых сечений каналов и вязкости воды, решение задачи определения выходных параметров, входящих в правую часть представленной зависимости, и определение вязкости 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], потребуется не дорогое и, в конструктивном отношении, более простое приборное оснащение.

Данная формула определения вязкости выведена авторами аналитическим путем и подтверждена результатами эксперимента. Экспериментальное определение вязкости было проведено в проблемной лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» СибГТУ.

В качестве исследуемых жидкостей использовались вода и древесно-волокнистые водные суспензии с концентрацией 0,5; 1,0; 1,5%.

Замеры производились при фиксированных параметрах: температура t=20°C; объем исследуемой жидкости V=0,008 м³.

Пример 1.

Предварительно проводилось измерение времени истечения воды, что необходимо для дальнейших расчетов определения вязкости неньютоновских жидкостей. Через цилиндрический канал, диаметр поперечного сечения которого d₁=0,09 м, пропускалась вода. Замерялось время истечения фиксированного объема 0,008 м³ воды из канала скоростной видеокамерой. Для воды секундный расход и средняя скорость потока рассчитывались по известным зависимостям, вязкость бралась по справочным данным.

Пример 2.

Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей осуществляется следующим образом. Через цилиндрический канал, диаметр поперечного сечения которого d₁=0,09 м, пропускалась исследуемая жидкость - водная суспензия древесных волокон целлюлозы концентрации 0,5%. Замерялось время истечения фиксированного объема 0,008 м³ исследуемой жидкости из канала.

Замер производился скоростной видеокамерой. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости по известным зависимостям. Вязкость рассчитывалась по предлагаемой формуле.

Пример 3. Аналогично примеру 2. Концентрация водной суспензии древесных волокон целлюлозы равна 1%. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости.

Пример 4. Аналогично примеру 2. Концентрация водной суспензии древесных волокон целлюлозы равна 1,5%. Рассчитывался секундный расход и средняя скорость потока исследуемой жидкости.

По примерам 2-4 число Re находилось в пределах 3150-3780, что соответствует переходному режиму. Однако известно, что равномерно распределенные в водной суспензии волокна частично демпфируют и гасят микротурбулентность внутри потока. В связи с этим было сделано допущение, что в данных примерах имеет место ламинарный режим течения исследуемых жидкостей. После подстановки полученных результатов и известных значений вязкости воды в представленную выше зависимость были определены значения вязкости исследуемых волокнистых суспензий. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Пример 5. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d₁=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 1.

Пример 6. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d₁=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 2.

Пример 7. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d₁=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 3.

Пример 8. Диаметр поперечного сечения канала, через который пропускалась исследуемая жидкость: d₁=0,02 м. Способ осуществлялся аналогично примеру 4.

Для примеров 5-8 замерялось время истечения фиксированных объемов исследуемых жидкостей из насадки, установленной на выходе из каналов. Для примеров 5-8 рассчитывался секундный расход и средние скорости потоков по известным зависимостям. Для примеров 6-8 расчет производился для турбулентного режима движения потока, поскольку число Re находилось в пределах 14148…16960. Для примера 5 вязкость воды принималась по известным справочным данным.

После подстановки полученных результатов и известных значений вязкости воды в представленную выше зависимость были определены значения вязкости исследуемых древесно-волокнистых водных суспензий примеров 6-8. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Таким образом, по сравнению с существующими способами [1, 2, 3], использование предлагаемого решения существенно упрощает процесс определения вязкости 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.

Определение значений вязкости неньютоновских жидкостей позволяет, кроме решения поставленной выше задачи, предотвратить возможности 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 также 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.

Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей, включающий их прокачку через канал, расчет секундного расхода и средней скорости потока на основании измеренных данных, отличающийся тем, что вязкость неньютоновских жидкостей определяется из выражения

где η^в - вязкость воды (ньютоновской жидкости), Па·с;
η^с - вязкость суспензии (неньютоновской жидкости), Па·с;
- средняя скорость потока воды (ньютоновской жидкости) на основании проведенных измерений, м·с^-1;
- средняя скорость потока водной суспензии (неньютоновской жидкости) на основании проведенных измерений, м·с^-1,
при этом вязкость воды (ньютоновской жидкости) принимается по справочным данным.

Способ определения возраста разливов нефти на открытых поверхностях // 2404422

Изобретение относится к охране природных ресурсов и может быть использовано при мониторинге природных сред в нефтедобывающих районах. .

Устройство для измерения вязкости жидкости // 2370751

Изобретение относится к области исследования вязкостных свойств жидких сред. .

Способ определения относительной кинематической вязкости биологической жидкости // 2337347

Изобретение относится к медицине, а именно к биохимии, и может быть использовано для определения реологических характеристик биологических жидкостей (моча, кровь, лимфа и др.).

Способ измерения вязкости жидких кристаллов и устройство для его осуществления // 2279662

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости неньютоновских жидкостей. .

Способ определения степени активации жидкости // 2272276

Изобретение относится к измерению целенаправленных изменений физико-химических свойств воды и водных растворов, подвергнутых энергоинформационному воздействию. .

Капиллярный вискозиметр // 2258212

Вискозиметр с двумя восходящими трубками и одним капилляром (варианты) и способ измерения вязкости жидкостей (варианты) // 2256164

Грунтонос // 2174597

Изобретение относится к инженерно-строительным изысканиям, в частности к устройствам для отбора монолитов глинистых грунтов, в т.ч. .

Способ определения степени неоднородности полимера в аппарате с мешалкой // 2122197

Изобретение относится к области химических технологий полимеров и может быть использовано при производстве химических волокон и пластмасс. .

Способ измерения анизотропных коэффициентов вязкости жидких кристаллов и устройство для его осуществления // 2510010

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости анизотропных жидкостей, т.е. жидкостей, которые имеют разные величины вязкости в зависимости от геометрии измерений и скорости сдвигового потока. К таким жидкостям относятся, например, жидкие кристаллы (ЖК). Способ измерения анизотропных коэффициентов вязкости жидких кристаллов, включает процедуру перекачки измеряемого вещества из одной емкости в другую под действием избыточного давления через плоский капилляр, на стенки которого нанесены прозрачные электроды и ориентирующие слои из светочувствительного материала, способного задать молекулам ЖК последовательно 3 различные ориентации относительно направления потока при экспозиции светочувствительного материала актиничным линейно поляризованным светом с тремя направлениями плоскости поляризации (ПП). Четвертая ориентация ЖК, необходимая для измерения четвертого коэффициента вязкости, создается приложением электрического напряжения. При создании в одной из емкостей избыточного давления возникает медленно спадающий по экспоненте поток ЖК. Производят измерение скорости снижения высоты мениска ЖК от времени при различных ориентациях, строят экспоненциальную кривую, находят характеристическое время течения при одной из ориентаций ЖК и по нему вычисляют один из коэффициентов вязкости. Для измерений других коэффициентов вязкости светочувствительные слои экспонируют светом с другими направлениями ПП без удаления ЖК из капилляра. Вновь создается избыточное давление, строят новые кривые спада, находят новые характеристические времена и вычисляют остальные коэффициенты вязкости. Техническим результатом является повышение точности измерений и снижение расхода измеряемого вещества. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Инерционный способ измерения вязкости // 2517819

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от скорости сдвига, давления и температуры. Способ измерения вязкости включает прокачку испытуемой среды через канал круглой формы поперечного сечения и определение параметров движения среды, а именно касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала, по которым определяют вязкость среды. При этом канал имеет замкнутую форму тора, а прокачка испытуемой среды происходит под действием сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора. Техническим результатом является повышение точности определения вязкости сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от скорости сдвига, давления и температуры в широком диапазоне перечисленных параметров. 3 табл.

Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей // 2548948

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости жидкостей. Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей включает прокачку их через канал, а вязкость определяется из выражения , где: ηС - вязкость неньютоновской жидкости, Па·с; NС - полезная мощность, затрачиваемая на секундный сдвиг, Вт; r - радиус внутренней поверхности трубы, м; rСР - средний радиус потока неньютоновской жидкости, м; - средняя скорость потока водной суспензии, м·с-1; t - время истечения струи суспензии из насадки, с. Техническим результатом является упрощение способа определения вязкости неньютоновских жидкостей, главным образом, за счет использования в качестве входных параметров, значений мощности, затрачиваемой на секундный сдвиг, полученной с помощью измерительной техники.

Турбулентный реометр и способ определения эффективности противотурбулентных присадок (птп), реализуемый посредством турбулентного реометра // 2577797

Изобретение относится к области реологии разбавленных растворов полимеров, а также поверхностно-активных веществ (ПАВ), и может быть использовано для определения эффективности противотурбулентных присадок (ПТП), используемых при перекачке углеводородных жидкостей по трубопроводам. Турбулентный реометр содержит установленные на штативе расходную емкость с шаровым краном и трубкой Мариотта, трубку малого внутреннего диаметра для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, электромагнитный клапан с реле времени для задания отрезка времени открытия клапана, приемную емкость и технические весы для измерения массы жидкости в приемной емкости. Способ определения эффективности ПТП заключается в том, что в расходную емкость через шаровый кран заливают маловязкую углеводородную жидкость, закрывают шаровый кран для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости, задают посредством реле отрезок времени и запускают открытие электромагнитного клапана. После автоматического срабатывания реле времени закрывается электромагнитный клапан, после чего взвешивают на технических весах наполненную приемную емкость. После этого вводят в жидкость ПТП в определенной концентрации, выполняют вышеперечисленные действия и вычисляют снижение гидродинамического сопротивления после введения ПТП. Вышеперечисленные действия выполняют для ряда значений концентраций ПТП в жидкости и затем оценивают эффективность ПТП, получая зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления от значения концентрации ПТП. Техническим результатом является упрощение конструкции турбулентного реометра и повышение надежности результатов измерений эффективности ПТП. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 ил.

Инерционный способ измерения вязкости // 2589753

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры. Инерционный способ измерения вязкости включает прокачку испытуемой среды через канал формы тор под действием изменяющихся во времени сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора, и определение параметров движения среды, а именно касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала. При этом в процессе инерционного движения среды измеряют только момент результирующей силы трения, по значениям которого в каждый момент времени определяют величину касательного напряжения, затем численным решением уравнения движения сплошной среды определяют сдвиговую скорость деформации и вязкость. Техническим результатом является повышение точности при минимальном количестве измеряемых параметров определять вязкость сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры в широком диапазоне перечисленных параметров. 2 табл.

Вискозиметр и способы его использования // 2646943

Изобретение относится к области промысловой геологии и может быть использовано в процессе добычи углеводородов из подземных геологических формаций. В данном документе описан способ измерения вязкости неньютоновской жидкости для поточного измерения и управления процессом. Процесс включает примешивание добавок к базовому флюиду для формирования неньютоновской жидкости. Неньютоновская жидкость подается в устройство для поточного измерения вязкости для получения результатов измерения реологических параметров. Затем введение добавок к базовому флюиду корректируется с учетом измеренных реологических параметров. Также раскрыта система, предназначенная для достижения указанных целей. Технический результат – повышение результативности корректировки процесса добычи углеводородов из подземных геологических формаций. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.