Конспект лекций лабораторный практикум контрольные задания учебное пособие Кемерово 2004 удк: 532. 135 (075)
Скачать 1.46 Mb.
|
2.3.2 Капиллярные вискозиметры Вискозиметры этого типа применяются для измерения вязкостных характеристик материалов, обладающих относительно небольшой вязкостью. 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:  , (2.10)где: η – коэффициент динамической вязкости, Па·с; R – радиус капилляра, м; Δр – перепад давления на длине капилляра, Па; L – длина капилляра, м; Q – объемный расход материала через капилляр, кг/м3. Схема течения жидкости в капилляре вискозиметра представлена на рис. 2.5. Теория капиллярной вискозиметрии основывается на том, что по ток в приборе ламинарный, скольжение на стенке отсутствует, скорость сдвига в точке зависит от нагружения в той же точке.  Рис. 2.5. Схема течения в капилляре вискозиметра Попутно следует отметить, что в некоторых случаях возможно проскальзывание, что неоднократно отмечалось многими исследователями. Однако достаточно надежных способов учёта этого явления до сих пор не разработано. В опытах на капиллярных вискозиметрах получают зависимость расхода массы Q от перепада давлений Δр. Если опыты проводят на одном капилляре, то напряжение сдвига на стенке капилляра τ, Па, рассчитывают по формуле:  , (2.11)где: n – поправка, учитывающая концевые эффекты. Для исключения влияния концевых эффектов на точность измерений вязкости используется метод двух капилляров одного радиуса, но разной длины. Тогда τ определяют по формуле:  . (2.12)Скорость сдвига  , с–1, (также на стенке капилляра) рассчитывают по формуле: , (2.13)где:   .Принципиальные схемы капиллярных вискозиметров для ньютоновских и не ньютоновских продуктов показаны на рис. 2.6. Общим для всех приборов этого типа является наличие капилляра, устройства для измерения расхода или объёма жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. В качестве капилляра используют калиброванные трубки диаметром от долей до 2 – 3 мм для измерения вязкости ньютоновских и не очень вязких неньютоновских жидкостей. 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. Наиболее простые, традиционные и вместе с тем универсальные капиллярные вискозиметры Оствальда (рис. 2.6,а) и Убеллоде (рис. 2.6,б) имеют капилляр 1 и два полых шарика для жидкости 2 и 3. Движущая сила процесса истечения – перепад давлений. В вискозиметре Оствальда она обусловлена разностью высот жидкости, в вискозиметре Уббелоде – вакуумом или давлением в одном колене трубки. При измерениях приборы обычно помещают в водяную баню, для термостатирования исследуемой жидкости. Термостатирование исследуемой жидкости в приборе занимает 10 – 30 мин, что определяется её объёмом. За это время ее температура достигает температуры жидкости из термостата, т.е. создаются условия, идентичные предыдущему измерению. При кратковременном термостатировании температурные ошибки дают существенные отклонения от истинных её значений. При измерениях вискозиметрами типа Уббелоде необходимо с одной стороны создавать давление или вакуум. Для этого используют установку, состоящую из воздушного насоса, который может работать как компрессор или вакуум-насос; бутыли-моностата объёмом 8 – 10 л с пробкой; U-образного жидкостного манометра или микроманометра; сосуда, который является ловушкой жидкости, выбрасываемой из манометра, и трёхходового крана для регулирования подачи воздуха. Перед началом измерения давление во всех ёмкостях должно быть выравнено. Избыточное давление при течении жидкости по капилляру создаёт возможность турбулизации потока, поэтому проверку на ламинарность по критерию Рейнольдса следует провести особенно тщательно.  а) б) Рис. 2.6. Капиллярные вискозиметры: а) Оствальда; б) Уббелоде: 1 – шаровой сосуд для измерения объема протекающей через капилляр жидкости; 2 – капилляр; 3 – шаровой сосуд для сбора жидкости Общими условиями в методике работы на всех приборах являются компоновка стенда и строгая горизонтальная или вертикальная установка прибора; заполнение сухого тщательно промытого прибора исследуемым продуктом и его термостатирование при выбранной температуре; измерение времени истечения определённого объёма, которое обусловлено вязкостью и разностью высот или гидростатических давлений. Перед рабочими измерениями прибор тарируют по эталонной жидкости – дистиллированной воде, сахарному раствору или касторовому маслу. У абсолютных приборов, не требующих тарировки, константы определяют по размерам рабочих органов в соответствии с уравнением Пуазейля:  , (2.14)где: р – гидростатическое давление, Па; d – внутренний диаметр капилляра, м; l – длина капилляра, м; η – динамическая вязкость, Па·с; w – скорость жидкости, м/с. Следует иметь ввиду, что геометрические измерения следует проводить с чрезвычайно высокой точностью. Поэтому предпочтительнее капиллярные вискозиметры градуировать по эталонной жидкости. Вискозиметр Оствальда используют как относительный прибор. Расчётная формула имеет вид:  , (2.15)где: КT – водная константа прибора при температуре измерения, м2/с2; ρ – плотность жидкости при температуре заливки, кг/м3; t – время истечения, с. Вискозиметр Уббелоде можно использовать как относительный и абсолютный. В первом случае его градуируют по эталонной жидкости; во втором – в соответствии с уравнением Пуазейля определяют константы; их можно определить комплексно, исходя из данных предварительной градуировки и непосредственных геометрических измерений. Для вычисления вязкости используют формулу:  , (2.16)где индекс «в» относится к данным, полученным при градуировке прибора по воде или какой-либо другой жидкости. Меняя давление истечения рВ можно построить градуировочные реограммы, которые позволяют вычислить константы для рабочих измерений. Аналогичные графики строят для результатов измерений исследуемой жидкости. Существенное значение имеют графики рt = f(р), которые для каждой температуры в области действия закона Пуазейля дают горизонтальные линии. Когда начинается турбулизация и закон Пуазейля перестаёт объективно отражать процесс, линии отклоняются вверх. Если жидкость обладает аномалией вязкости, то прямые могут иметь частичное искривление или не выходить из начала координат, отсекая на оси абсцисс отрезок, пропорциональный предельному напряжению сдвига θ0. В заключение отметим условия, необходимые для достижения заданной точности измерений на капиллярных вискозиметрах:
Капиллярная вискозиметрия в силу своих особенностей имеет весьма ограниченное применение и довольно редко используется в промышленных условиях. 2.3.3 Шариковые вискозиметры 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. 2.7):
Недостатком схемы а) является то, что при опускании шара в слабоструктурированной жидкости возможно отклонение его от прямолинейного движения, т.е. проявляется так называемое «витание» шара, что может привести к искажению результатов измерений. Поэтому более широкое распространение получили вискозиметры с катящимся шаром. Схема такого примера – вискозиметра Гепплера – приведена на рис. 2.8. Шарик 2 движется в наклонной трубке 1, образуя узкую серповидную щель с ее стенкой. У структурированной жидкости при проходе через щель структурные связи разрушаются, поэтому точного воспроизведения результатов в двух последовательных замерах может и не быть. Прибор проградуирован для измерения вязкости ньютоновских жидкостей в диапазоне от 3·10–4 до 60 Па∙с. Паспортная ошибка измерений ньютоновских жидкостей не превышает 0,5% для лабораторной модели. Прибор не применим для систем, имеющих предельное напряжение сдвига. Для вычисления вязкости используют формулу, полученную на основе закона Стокса: η = К(ρШ – ρ)t, (2.17) где: К – константа прибора, м2/с2; ρШ – плотность материала шарика, кг/м3;  ρ – плотность жидкости при температуре измерения, кг/м3; t – время перемещения шарика на участке h, с. Трудность 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. 2.3.4 Конические пластометры Пенетрацией называется метод измерения структурно-механических характеристик полутвёрдых и твёрдых продуктов путём определения сопротивления продуктов проникновению в них за определенное время инденторов (конус, шар, игла, цилиндр) имеющих строго определённые размер, массу и материал. Исследование может проводиться:
На этой основе рассчитываются разные параметры, имеющие отношение к консистенции. Предельное напряжение сдвига θ0 как одна из важных реологических характеристик материала, служащая для оценки прочности его структуры, находится при помощи конического пластометра. Метод погружения конуса для характеристики структурно-механических свойств вязко-пластичных тел предложен П.А. Ребиндером и Н.А. Семененко. Идея конических пластометров заключается в том, что по величине глубины погружения конуса в материал под воздействием вертикальной силы можно определить предельное напряжение сдвига материала (рис. 2.9). Ф  ормула П.А. Ребиндера для определения предельного напряжения сдвига имеет вид: , (2.18)где: Кα – геометрическая константа конуса, зависящая от угла α при его вершине; F – величина вертикальной внедряющей силы, Н; h – глубина погружения конуса, м. Константа конуса рассчитывается по формуле, также предложенной П.А. Ребиндером:  . (2.19)Следует отметить, что расчет θ0 с использованием коэффициента Кα из формулы (2.18) не всегда дает одинаковые результаты при применении конусов с различными углами 2α при их вершине, т.е. результаты измерений не инвариантны по отношению к геометрии конусов. Рядом авторов предложены другие формулы для Кα и поправочные коэффициенты к ним, которые в определенной степени позволяют уменьшить влияние угла 2α при вершине конуса. О  дним из первых серийных приборов этой группы был конический пластометр М.П. Воларовича КП–3, схема которого представлена на рис. 2.10. Исследуемая масса помещается в сосуд 1 на подъёмный столик, вершина конуса 2 приводится в соприкосновение с поверхностью массы. Конус нагружается гирями 4, и с помощью индикатора 3 определяется глубина погружения конуса до полной его остановки.У существующих конструкций пластометров имеется ряд общих недостатков, присущих, как всем приборам в общем, так и некоторым приборам в отдельности. К этим недостаткам можно отнести следующее: недостаточная точность измерений структурно-механических свойств продуктов, вследствие ручной подачи индентора к поверхности материала, нагружение с помощью гирь и погрешности в определении глубины погружения конуса. При дальнейшем усовершенствовании конструкций пластометров перешли к способу нагружения конуса механическим способом, что облегчило проведение исследований. Глубину погружения предложено было определять с помощью датчиков индуктивности, тензодатчиков и т.п. Это повысило точность определения структурно-механических характеристик, но при этом диапазон измерений у всех конструкций остается довольно-таки узким, что не отвечает современным требования для проведения полномасштабного контроля пищевых продуктов. |
Похожие:
 | Лабораторный практикум по микробиологии Е лабораторный практикум по микробиологии: Учебное пособие. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово,... | | Учебно-методическое пособие Для студентов вузов Кемерово 2012 удк... Учеб метод пособие / авт сост. Г. П. Ковалева. Кемеровский технологический Институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2012. – 74... |
| Учебное пособие Кемерово 2004 удк: Печатается по решению Редакционно-издательского... Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271400 «Технология продуктов детского и функционального питания» всех форм... | | Учебное пособие по курсу «Управление качеством» (практикум) Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, разработано на основе государственных стандартов по специальностям... |
 | Сборник задач по высшей математике : учеб пособие / В. П. Минорский.... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | | Учебное пособие Омск-2003 удк 5(075) ббк 20я73 Л 83 Сборник заданий по курсу “Концепции современного естествознания” : Учеб пособие Омск: Изд-во Омгту, 2003. 68с |
| Екатериновская Мария Алексеевна Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | | Аннотированный список книг по нанотехнологиям Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... |
| Общество семейных консультантов и психотерпевтов Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | | Третьяков Ю, Гудилин Е. «Там, внизу, все еще много нанобума» Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... |
| Система подготовки аспирантов факультета наук о материалах мгу им. М. В. Ломоносова Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | | Конспект лекций по философии Часть 1 Античная философия Новосибирск... Савостьянов А. Н. Конспект лекций по философии / Новосиб гос ун-т. Новосибирск, 2007. Ч. Античная философия. 68 с |
| Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам | | Учебное пособие Кемерово 2004 удк 637. 5 Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении естественно научных, общепрофессиональных... |
| Список победителей и призеров заочного конкурса школьников «Шаг в... Письменный, Д. Т. Конспект лекций по высшей математике: полный курс / Д. Т. Письменный. 9-е изд. М. Айрис-пресс, 2009. 608 с ил.... | | Практикум по финансовому менеджменту. Конспект лекций с задачами... Гончарук О. В., Кныш М. И., Шопенко Д. В. Управление финансами на предприятии Учебное пособие. Спб.: Дмитрий Буланин, 2006. – 450... |
