Вязкость, методы измерении, промышленное применение вискозиметров

Министерство образования и  науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение  высшего профессионального образования

 

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет  информационных технологий, механики и оптики»

 

 

 

 

 

 

Отчет о проделанной работе №1

Вязкость, методы измерении, промышленное применение вискозиметров

 

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель: к.т.н. О.В.

Студент: Д.А. Группа: 03 Факультет: Кафедра:

 

 

1. Обзор методов измерения вязкости.

Абсолютная  и кинематическая вязкость

При воздействии на жидкость внешних  сил она сопротивляется потоку благодаря  внутреннему трению. Вязкость - мера этого внутреннего трения.

Кинематическая вязкость - мера потока имеющей сопротивление жидкости под влиянием силы тяжести. Когда  две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком, вязкой жидкости требуется больше времени для  протекания через капилляр. Если одной  жидкости требуется для вытекания 200 секунд,а другой - 400 секунд, вторая жидкость в два раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.

Абсолютная  вязкость, иногда называемая динамической или простой вязкость, является произведением  кинематической вязкости и плотности  жидкости:

Абсолютная  вязкость = Кинематическая вязкость * Плотность.

Размерность кинематической вязкости - L2/T, где L - длина, и T - время. Обычно используется сантистокс (cSt). ЕДИНИЦА СИ кинематической вязкости - mm2/s, что равно 1 cSt. Абсолютная вязкость выражается в сантипуазах (сПуаз). ЕДИНИЦА СИ абсолютной вязкости - миллипаскаль-секунда (mPa-s), где 1 сПуаз = 1 mPa-s.

Другие общепринятые, но устаревшие единицы кинематической вязкости - Универсальные Секунды Сейболта (SUS) и Фурановые Секунды Сейболта (SFS). Эти единицы могут быть преобразованы в сантистоксы согласно инструкциям, приведенным в ASTM D 2161.

 

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Зависимость, в которой вязкость является константой независимо от напряжения или скорости сдвига, называется законом  вязкости Ньютона. Закону вязкости Ньютона  подчиняются большинство обычных растворителей, минеральные основные масла, синтетические основные масла, полностью синтетические однокомпонентные масла. Они называются ньютоновскими жидкостями.

Неньютоновские - жидкости могут быть определены как те, для которых  вязкость не константа, а изменяется в зависимости от скорости сдвига или напряжения сдвига, при котором  измеряется. Большинство современных  моторных масел - обладают свойством  мультивязкости, и изготовлены с применением высокомолекулярных полимеров, называемыми модификаторами вязкости. Вязкость таких масел уменьшается с увеличением в скорости сдвига. Они называются «жидкостями, разжижающимися при сдвиге» (shear-thinning)становящимися тоньше сдвигом" жидкостями(газами). Примерами других неньютоновских жидкостей являются краска для потолков, притирочная паста и «резиновый» цемент.

Рис. 1 Кривые течения для различных жидкостей: 1 – ньютоновские; 2 – бингамовские пластичные; 3 – псевдопластичные; 4 – дилатантные

Методы  измерения вязкости

Рис. 2 Основные методы измерения вязкости: а - капиллярный, б - ротационный, в - с падающим шариком, г – вибрационный.

Вискозиметры можно классифицировать по трем главным типам:

1. Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированного объема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвига можно измерить примерно от нуля до 106 с-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенное давление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы:

Стеклянный  капиллярный вискозиметр (ASTM D 445) —  Жидкость проходит через отверстие  устанавливаемого - диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость сдвига - меньше чем 10 с-1. Кинематическая вязкость всех автомобильных масел измеряется капиллярными вискозиметрами.

Капиллярный вискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) —Фиксированный объем жидкости выдавливается через  стеклянный капилляр диаметра под действием  приложенного давления газа. Скорость сдвига может быть изменена до 106 с-1. Эта методика обычно используется, чтобы моделировать вязкость моторных масел в рабочих коренных подшипниках. Эта вязкость называется, вязкостью  при высокой температуре и  высоком сдвиге (HTHS) и измеряется при 150 oC и 106 с-1. HTHS вязкость измеряется также имитатором конического подшипника, ASTM D 4683 (см. ниже).

2. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости течению вращающий момент на вращающемся вале. К ротационным вискозиметрам относятся имитатор холодной прокрутки двигателя (CCS), миниротационный вискозиметр (MRV), вискозиметр Брукфильда и имитатор конического подшипника (TBS). Скорость сдвига может быть изменена за счет изменения габаритов ротора, зазора между ротором и стенкой статора и частоты вращения.

Имитатор  холодной прокрутки (ASTM D 5293) — CCS измеряет кажущуюся вязкость в диапазоне  от 500 до 200000 сПуаз. Скорость сдвига располагается между 104 и 105 c-1. Нормальный диапазон рабочей температуры - от 0 до -40 oC. CCS показал превосходную корреляцию с пуском двигателя при низких температурах. Классификация вязкости SAE J300 определяет низкотемпературную вязкостную эффективность моторных масел пределами по CCS и MRV.

Минироторный вискозиметр (ASTM D 4684) — тест MRV, который связан с механизмом прокачиваемости масла, является измерением при низкой скорости сдвига. Главная особенность метода - медленная скорость охлаждения образца. Образец подготавливается так, чтобы иметь определенную тепловую предысторию, которая включает нагревание, медленно охлаждение, и циклы пропитки. MRV измеряет кажущееся остаточное напряжение, которое, если большее чем пороговое значение, указывает на потенциальную проблему отказа прокачивания, связанную с проникновением воздуха. Выше некоторой вязкости (в настоящее время определенной как 60000 сПуаз по SAE J 300), масло может быть вызвать отказ прокачиваемости по механизму, называемому "эффект ограниченного потока". Масло SAE 10W, например, должно иметь максимальную вязкость 60000 сПуаз при -30^oC без остаточного напряжения. С помощью этого метода измеряют также кажущуюся вязкость при скоростях сдвига от 1 до 50 c-1.  
Вискозиметр Брукфильда — определяет вязкость в широких пределах (от 1 до 105 Пуаз) при низкой скорости сдвига (до 102 c-1).

ASTM D 2983 используется прежде всего для определения низкотемпературной вязкости автомобильных трансмиссионных масел, масел для автоматических трансмиссий гидравлических и тракторных масел. Температура - испытаний находится в диапазоне от -5 до -40^oC.

ASTM D 5133, метод сканирования Брукфильда, измеряет вязкость образца по Брукфильду, при охлаждении с постоянной скоростью 1^oC/час. Подобно MRV, метод ASTM D 5133 предназначен для определения прокачиваемости масла при низких температурах. С помощью этого испытания определяется точка структурообразования, определенная как температура, при которой образец достигает вязкости 30,000 сПуаз. Определяется также индекс(показатель) структурообразования как самая большая скорость увеличения вязкости от -5oC к самой низкой испытательной температуре. Этот метод находит применение для моторных масел, и требуется согласно ILSAC GF-2.

Имитатор  конического подшипника (ASTM D 4683) —  эта методика также позволяет  измерять вязкость моторных масел при  высокой температуре и высокой  скорости сдвига (см. Капиллярный Вискозиметр высокого давления). Очень высокие скорости сдвига получаются за счет чрезвычайно малого зазора между ротором и стенкой статора.

3. Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:

,

где V –  скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; r – радиус шарика; g – ускорение свободного падения; d – плотность материала шарика; ро - плотность жидкости.

Необходимо отметить, что уравнение  справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается  некое эмпирическое соотношение:  .

Как и  в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется  ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

.

На основе метода создано множество моделей  высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных  стекол и солей.

4. Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра,при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).

Введём несколько  обозначений: ω – частота колебаний, τ – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S - площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы . Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим η и d.

Частотно-фазовый  вариант вибрационного метода вискозиметрии  используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз

.

Для измерения  вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:

.

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:

.

Градуировка вискозиметра производится по известным  жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2).

5. Разнообразные приборы используют множество других принципов; например: ультразвуковой метод вискозиметрии, чашечные, пневматические.

Индекс вязкости

Индекс вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее степень изменения  в вязкости масла в пределах данного  диапазона температур. Высокий ИВ означает относительно небольшое изменение вязкости с температурой, а низкий ИВ означает большое изменение вязкости с температурой. Большинство минеральных основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла (multigrage) часто превышает 110.

Для определения индекса вязкости требуется определить кинематическую вязкость при 40oC и 100oC. После этого  ИВ определяют из таблиц по ASTM D 2270 или ASTM D 39B. Так как ИВ определяется из вязкости при 40oC и 100oC, он не связан с низкотемпературной или HTHS вязкостью. Эти значения получают с помощью CCS, MRV, низкотемпературного вискозиметра Брукфильда и вискозиметров высокой скорости сдвига.

SAE не использует ИВ, для классификации  моторных масел начиная с 1967, потому что этот термин технически  устарел. Однако, методика Американского нефтяного института API 1509 описывает систему классификации основных масел, используя ИВ как один из нескольких параметров, чтобы обеспечить принципы взаимозаменяемости масел и универсализацию шкалы вязкости.

Основные типы модификаторов вязкости

Химическая структура и размер молекул - наиболее важные элементы молекулярной архитектуры модификаторов вязкости. Имеется множество типов модификаторов  вязкости, выбор зависит от специфических  обстоятельств.

Все выпускаемые сегодня модификаторы вязкости, состоят из алифатических  углеродных цепочек. Главные структурные  различия находятся в боковых  группах, которые отличаются и химически, и по размеру. Эти изменения в  химической структуре обеспечивают различные свойства модификаторов  вязкости типа масел, такие как способность  к загустеванию, зависимость вязкости от температуры, окислительная стабильность и характеристики экономии топлива.

Полиизобутилен (PIB или полибутен) — преобладающие модификаторы вязкости в конце 1950-ых, с тех пор PIB модификаторы были заменены модификаторами других типов, потому что они обычно не обеспечивают удовлетворительную работу при низких температурах и работу дизельных двигателей. Однако, низкмолекулярные PIB все еще широко используется в автомобильных трансмиссионных маслах.