Вискозиметрия

Принцип действия вискозиметров заключается в измерении времени истечения жидкости или падения шарика. В ротационных вискозиметрах продукт помещается между ротором и стаканом. Вследствие вращения ротора происходит сдвиг слоёв внутри исследуемого продукта. По частоте вращения ротора (градиент скорости) и силе сопротивления на единицу поверхности сдвига (напряжение) строят реограммы течения, по которым определяют реологические характеристики продуктов.

Среди множества типов вискозиметров для исследования вязкостных свойств пищевых масс в первую очередь следует рекомендовать капиллярные и ротационные вискозиметры - ввиду того, что теория обработки данных измерений на этих приборах наиболее детально разработана. Причём, если теория капиллярных вискозиметров проще, чем ротационных, и на капиллярных вискозиметрах сравнительно легко непосредственно моделировать и имитировать многие процессы формования и транспортирования пищевых масс, то при ротационной вискозиметрии требуется меньшее количество испытываемой пищевой среды, проще достичь широкого диапазона скоростей сдвига и исследовать, кроме вязкостных свойств, вязкоупругие свойства пищевого продукта - предельное напряжение сдвига, эффективную вязкость, скорость сдвига.

Идея капиллярных вискозиметров заключается в том, что, измеряя расход, перепад давлений, длину и диаметр капилляра, по которому течёт материал, можно рассчитать меру сопротивления материала сдвиговому течению, т.е. вязкость. Особенно проста эта задача для ньютоновских жидкостей, ламинарное течение которых в капилляре описывается уравнением Пуазейля.

В опытах на капиллярных вискозиметрах обычно измеряются объёмный или весовой расход протекающей среды и перепад давления при известных длине и диаметре капилляра. Задачей теории вискозиметра является определение связи между скоростями и напряжением сдвига в исследуемой среде безотносительно размеров капилляра. Напряжение сдвига в капилляре не зависит от вязкостных свойств среды. При этом скорость сдвига неодинакова в разных слоях текущей жидкости и зависит от реологического закона сдвигового течения, определение которого и является целью проведения вискозиметрии.

Движение жидкости сопровождается внешним трением её о стенки канала или трубы и внутренним трением, возникающим вследствие скольжения движущихся струек или слоёв друг о друга. Внутреннее трение является мерой вязкости - свойством жидкости, характеризующим текучесть, смазывающую способность, растекание - то есть любую способность оказывать сопротивление касательным усилиям. Напряжение сдвига на стенке капилляра:

Dp • R ^R 2 • L

где Tr - напряжение сдвига на стенке капилляра;

R - радиус капилляра;

L - расстояние между поперечными сечениями капилляра;

Dp=p2 - pi, где р1 и р2 - давление в начальном и конечном поперечном сечениях капилляра.

Связь между напряжениями сдвига без учёта перепада давления и длины капилляра запишется следующим образом:

T_R - r

Т = ——,

R

где r - радиус мысленно вырезанного цилиндрического осесимметричного участка потока, равновесие которого рассматривается.

При изотермическом ламинарном течении несжимаемой ньютоновской жидкости в горизонтальном капилляре распределение скоростей в капилляре выглядит следующим образом:

_{v =} Ap - (r² -R²) 4 - L h '

где h - коэффициент динамической вязкости.

Расход жидкости можно вычислить по следующей формуле:

_Q _Dp-p-R⁴

^Q _ 8 -L-h '

В ламинарном потоке скорость элементарно тонких слоёв неодинакова и увеличивается к центру - то есть к оси трубы. Между слоями возникают касательные напряжения, которые подчиняются закону вязкого трения Ньютона.

Вязкость зависит от температуры и обычно понижается с её повышением.

Капиллярные вискозиметры применяются для измерения вязкостных характеристик материалов, обладающих относительно небольшой вязкостью.

Dp p-R⁴

h_—------------------------ •

8 - L - Q

Общим для всех приборов этого типа является наличие капилляра, уст­ройства для измерения расхода или объёма жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. Перепад давлений является движущей силой процесса истечения через капилляр.

В качестве капилляра используют калиброванные трубки диаметром от долей до 2-3 мм для измерения вязкости ньютоновских и не очень вязких неньютоновских жидкостей (рис. 16). Получаемые результаты, как правило, инвариантны, т.е. не зависят от диаметра трубки. Для высоковязких неньютоновских жидкостей и пластично-вязких систем диаметр «капилляра» может достигать нескольких десятков миллиметров, а результаты измерений часто зависят от его диаметра, т.е. не инвариантны. В двух названных случаях диаметр капилляра, конечно, входит в теоретически полученные формулы для соответствующих моделей тел. Однако в случае движения по трубкам пластично- вязких тел модель течения может зависеть от диаметра, т.е. при разных диаметрах один и тот же продукт имеет разные модели течения, что учесть довольно сложно.

1, 3 - шарики для жидкостей; 2 - капилляр

Рисунок 16 - Капиллярные вискозиметры Оствальда (а) и Уббелоде (б)

Существует ряд условий, необходимых для достижения заданной точности измерений на капиллярных вискозиметрах:

а) обеспечивать ламинарный режим течения потока;

б) исключить влияние концевых эффектов, например, при использовании двух капилляров различной длинны;

в) проверять отсутствие эффекта пристенного проскальзывания, например, по совпадению кривых течения в консистентных переменных для капилляров различного диаметра;

г) при измерении расхода весовым способом нужно помнить, что многие пищевые материалы имеют свойство уплотнятся под давлением. Этот вопрос требует специальных исследований материала в условиях всестороннего сжатия.

Капиллярная вискозиметрия в силу своих особенностей имеет весьма ограниченное применение и довольно редко используется в промышленных условиях.

Ротационные вискозиметры широко применяются во многих отраслях пищевой промышленности. Они используются в технологических лабораториях предприятий, в научно-исследовательских организациях. Ротационные вискозиметры служат для контроля качества исходного сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также для контроля технологических процессов.

Идея ротационных вискозиметров заключается в том, что меру сопротивления сдвиговому течению можно определить, измеряя крутящий момент и угловую скорость при относительном вращении, например, коаксиальных (соосных) цилиндров, в зазоре между которыми находится вязкая жидкость.

В вискозиметрах с вращающимися цилиндрами, в особенности при малом зазоре между ними, характер течения продукта близок к простому сдвигу, что упрощает обработку опытных данных. Диапазон материалов, свойства которых контролируются на ротационных вискозиметрах, достаточно широк: сиропы, молоко, молочные консервы, творожные массы, бражки, кремы, шоколад и конфетные массы при повышенной температуре, фарши и др.

По форме измерительных поверхностей различают ротационные приборы с системами:

• коаксиальные цилиндры, сферы или полусферы;

• два конуса, две плоскопараллельные пластины, два плоских кольца или два конических кольца;

• цилиндр - диск;

• цилиндр - полусфера;

• конус - диск;

• цилиндр - конус;

• цилиндр - конус - диск.

Некоторые из них представлены на рис. 17.

а) коаксиальные цилиндры; б) две полусферы; в) два конуса; г) две плоскопараллельные пластины; д) два плоских кольца

Рисунок 17 - Схемы измерительных поверхностей ротационных вискозиметров

Форма воспринимающего органа (ротора) зависит от вида исследуемого материала (ньютоновский или неньютоновский) и диапазона измеряемых значений вязкости. Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили вискозиметры с коаксиально-цилиндрическими измерительными поверхностями.

Известны два основных варианта прибора с коаксиальными цилиндрами. Первый из них заключается в следующем: испытуемое вещество помещается в наружный цилиндр, приводимый во вращательное равномерное движение, т.е. при постоянной скорости сдвига g' = const, а крутящий момент на внутреннем цилиндре, переданный через испытуемый материал, замеряется по закручиванию упругого элемента, на котором подвешен этот цилиндр (вискозиметр Реотест, Куэтта, Мак-Майкеля и др.).

При втором варианте прибора: внешний цилиндр неподвижен, а внутренний цилиндр крепится на оси, установленной на шарикоподшипниках и приводится во вращение под действием постоянного крутящего момента (М = const). Замеряется

угловая скорость цилиндра w, зависящая от вязкости жидкости (вискозиметр М. П. Воларовича).

Таким образом, в приборах реализуются, соответственно, два метода исследования:

а) метод постоянства скорости деформации g = const;

б) метод постоянства крутящего момента М = const.

Очень эффективно сочетание обеих методов при реологических исследованиях.

Сочетание методов целесообразно осуществлять так, чтобы вязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методом М = const, а процессы разрушения и режим установившегося течения - методом g = const.

Методика расчёта реологических характеристик имеет специфические особенности для каждой из двух основных областей состояния структуры продукта.

В области неразрушенной структуры определяют модули упругости, наибольшую вязкость и характер развития деформаций. Измерения начинают после тиксотропного восстановления структуры. Величины деформаций отсчитывают по показаниям прибора. Опыт проводят при усилиях, меньших, чем предельное напряжение сдвига, с интервалом записи деформаций 10 - 20 с.

При переходе к области лавинного разрушения структуры по кривой течения определяют статическое и динамическое предельное напряжение сдвига, пластическую вязкость и зависимость эффективной вязкости г]эф от градиента скорости g или напряжения сдвига 0. Обсчёт результатов проводят по равновесной кривой течения, проходящей через все точки. Вращение ротора вызывает появление внутренних напряжений в продукте, который находится ме­жду ротором и стаканом. Эти касательные напряжения пропорциональны сдвигающим усилиям, поэтому графическую и математическую обработку опытов можно проводить в консистентных переменных £'(0), или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта.

Наиболее распространенным ротационным вискозиметром, работающим с использованием метода g = const, является вискозиметр «Reotest» (Германия) и его модификации.

При кажущейся простоте в ротационной вискозиметрии существует ряд проблем. Это, прежде всего, различные эффекты, снижающие точность измерений, а именно:

1. Турбулизация потока: одним из условий точности измерений в ро­тационных приборах является ламинарность деформируемого потока, которая характеризуется числом Рейнольдса (Rе), которое представляет собой безразмерный критерий, превышение которого вызывает турбулизацию потока.

2. Тепловые эффекты: сам принцип ротационной вискозиметрии подразумевает совершение работы над материалом, находящимся в зазоре прибора. Это приводит к выделению тепла и изменению температуры измеряемой среды, что в свою очередь вызывает изменение вязкости. Решению этой проблемы посвящено большое количество работ, суть которых сводится к введению поправочных коэффициентов.

3. Эффект Вейссенберга: при течении упругих жидкостей в условиях простого сдвига возникают не только касательные, но и нормальные напряжения, ортогональные напряжению сдвига. Упругая жидкость, деформационное состояние которой характеризуется осевой симметрией, стягивается нормальными напряжениями, противодействующими силам тяжести и центробежным силам и выдавливается из зазора вискозиметра.

4. Явление эластической турбулентности: наблюдается при движении упругих жидкостей. При течении упругих жидкостей в капиллярах с высокими скоростями было обнаружено, что струя жидкости начинает деформироваться и на ней появляются различные возмущения. А при очень высоких скоростях деформации струя материала иногда даже распадается на отдельные зерна. Несмотря на то, что явление было обнаружено в капиллярных вискозиметрах, оно может наблюдаться и при работе ротационного вискозиметра. При этом могут наблюдаться спонтанные колебания измеряемого параметра.

5. Концевые эффекты: при работе ротационных вискозиметров крутящий момент передается на измерительный элемент не только через боковые (рабочие) поверхности, но и от днищ цилиндров. Поскольку математическое описание полей напряжений и скоростей сдвига, возникающих в зазорах, образованных днищами цилиндров, очень сложно, то расчетные формулы для ротационных приборов выводятся без учета влияния концевых эффектов, что вносит определенные погрешности в измерения.

Шариковые вискозиметры относятся к неоднородным методам исследования и широко используются при работе с однородными ньютоновскими или слабоструктурированными (неньюнотовскими) жидкостями. Вязкость определяется по времени прохождения шаром измерительного участка определенной длины. Приборы конструируются по двум основным схемам (рис. 18):

а) шар, свободно падающий в вертикальном цилиндре;

б) шар, катящийся в наклонном цилиндре.

Рисунок 18 - Принципиальные схемы шариковых вискозиметров

Недостатком схемы со свободно падающим в вертикальном цилиндре шаром является то, что при опускании шара в слабоструктурированной жидкости возможно отклонение его от прямолинейного движения, т. е. проявляется «витание», что может привести к искажению результатов измерений.

У структурированной жидкости при движении шарика разрушаются структурные связи, поэтому точного воспроизведения результатов в двух последовательных замерах может не быть. Для ньютоновских жидкостей в условиях лабораторного эксперимента ошибка измерений составляет 0,5 %. Для систем с предельным напряжением сдвига прибор не применим.

Для вычисления вязкости используют формулу, полученную на основе закона Стокса:

^{h К - (р}шара Р материала ^{) - t,}

где К - константа прибора, м²/с²;

Р- плотности материала шарика и жидкости при температуре измерения, кг/м³;

t - время перемещения шарика на участке, с

Неудобство использования шариковых вискозиметров для реологических исследований структурированных жидкостей заключается в том, что для получения кривой течения необходимо проведение серии измерений с использованием шаров различного диаметра, а при исследовании тиксотропных жидкостей возможны большие погрешности из-за неравномерности скорости шара по длине измерительного участка.

Одной из трудностей применения шариковых вискозиметров является то, что при воздействии падающего шара на продукт реологические свойства последнего меняются, вследствие чего результат каждого последующего наблюдения отличается от предыдущего. При строгом выполнении требований ГОСТа об окончании измерения судят по достижению разницы между двумя последующими результатами наблюдений не более 1с. Например, для сгущенного молока это достигается после проведения 10 - 15 наблюдений, что говорит о продолжительности испытания.

В силу указанных недостатков шариковые вискозиметры не нашли широкого применения в пищевой промышленности.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 1263; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!