Федеральное агентство по образованию |
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
имени »
Бийский технологический институт (филиал)
АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Методические рекомендации по выполнению лабораторной
работы для студентов специальностей 240706 «Автоматизированные
производства химических предприятий» и 260601 «Машины
и аппараты пищевых производств»
Бийск
2007
УДК 673.053.3
Светлов, течения высоковязких жидкостей: методические рекомендации по выполнению лабораторной работы для студентов специальностей 240706 «Автоматизированные производства химических предприятий» и 260601 «Машины и аппараты пищевых производств» / .
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 16 с.
Рассмотрены вопросы реологии полимеров, методы исследования и экспериментальное определение вида кривой течения полимеров с помощью капиллярного вискозиметра АКВ-2.
Методические рекомендации предназначены для студентов специальностей 240706 и 260601 всех форм обучения, изучающих специальные дисциплины.
Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры технологии химического машиностроения. Протокол № 2 от 23.11.06 г. | |
Рецензент: к. т.н., доцент зав. лаб. ИПХЭТ СО РАН | |
ã БТИ АлтГТУ, 2007 |
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время трудно представить отрасль народного хозяйства, где бы не использовали полимерные материалы и композиции на их основе. Широкое применение полимеров и полимерных материалов определяется их уникальными химическими и физико-механическими свойствами. Благодаря высокой химической стойкости полимерные материалы находят широкое применение в химическом машиностроении.
Для рационального конструирования машин и аппаратов по переработке полимерных композиций необходимы сведения о процессах, протекающих в перерабатываемом материале во время нахождения его в рабочих зонах, а также знание их влияния на энергосиловые характеристики оборудования. Существует несколько методов анализа течения полимерных материалов.
Целью данной работы является изучение метода капиллярной вискозиметрии для анализа течения высоковязких жидкостей.
1 РЕОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ
Поведение перерабатываемых материалов принято описывать так называемой кривой течения – зависимостью между напряжением сдвига s и скоростью деформации g. По характеру кривых течения различают четыре основные группы жидкостей.
К первой группе относят ньютоновские жидкости, характеризующиеся линейной зависимостью между реологическими переменными s и g (кривая 1, рисунок 1). Одной из основных характеристик жидкости является вязкость, которая характеризует силы внутреннего трения и представляет собой меру способности жидкости оказывать сопротивление ее движению под действием внешних сил. Динамический коэффициент вязкости m определяют как коэффициент производительности в реологическом уравнении
| (1) |
Ко второй группе относятся неньютоновские жидкости, у которых скорость сдвига нелинейно зависит только от приложенных сдвиговых напряжений (кривые 2 и 3, рисунок 1).
Для математического описания кривых течения неньютоновских жидкостей наиболее широко используют степенной закон:
| (2) |
Поведение полимерных материалов и композиций на их основе характеризуют эффективной вязкостью, определяя ее в соответствии с уравнением (1).
Рисунок 1 – Классификация жидкостей
Характер изменения эффективной вязкости для реальных полимерных сред имеет весьма сложный характер и предопределяется изменениями их структуры под действием приложенных нагрузок:
| (3) |
Она оказывается зависящей от скорости сдвига. Жидкости, вязкость которых зависит от режима течения, называют аномально-вязкими, а само явление – аномалией вязкостных свойств.
Аномалия вязкости объясняется релаксационными процессами, протекающими в жидкости при ее деформации, а также изменением внутренней структуры.
В уравнениях (2) и (3) величина n характеризует аномалию вязкости и носит название индекса течения. Величина К является своеобразным аналогом вязкости и называется коэффициентом консистенции. Если эффективная вязкость убывает с ростом g, что наблюдается при 
, то жидкость называют псевдопластиком (кривая 3). Рост величины 
при увеличении значения g 
наблюдают у дилатантных жидкостей (кривая 2).
К третьей группе относятся бингамовские пластики, которые при напряжениях s меньше предельного напряжения сдвига 
(предела текучести) ведут себя как твердые тела, а при 
– как ньютоновские жидкости (кривая 4), в соответствии с реологическим уравнением
| (4) |
Жидкостям четвертого класса (кривая 5), получившим название вязкопластичных, присущи некоторые свойства жидкостей второй и третьей групп.
2 МЕТОД КАПИЛЛЯРНОЙ ВИСКОЗИМЕТРИИ
Данные об изменении эффективной вязкости перерабатываемых сред в зависимости от скорости сдвига, а также о взаимосвязи реологических переменных 
используют при расчетах формующих устройств экструдеров, определении оптимальных размеров трубопроводов.
Преимущество капиллярных вискозиметров состоит в возможности измерений характеристик вязкости при больших скоростях деформации.
Метод основан на определении расхода перерабатываемой среды Q в цилиндрическом канале в зависимости от перепада давления DP и температуры среды. Для определения скорости деформации и соответствующего напряжения по измеряемым в эксперименте величинам Q и DP используют решение задачи о течении несжимаемой жидкости в круглой трубе бесконечной длины.
Для произвольной зависимости между s и g Б. Рабиновичем получено уравнение, включающее расход жидкости и перепад давления, описывающее течение в цилиндрической трубе с поперечным сечением в виде круга:
| (5) |
где 
– напряжение сдвига у стенки трубы, 
, Н/м2;
– скорость сдвига у стенки трубы, с–1;
R – радиус трубы, м;
L – длина трубы, м;
Р – давление, Па.
Используя уравнение (5), можно найти зависимость между и по экспериментальной зависимости между величинами Q и DP на единицу длины L.
Для частного случая жидкостей, подчиняющихся степенному реологическому закону (2), с учетом условия 
уравнение (5) примет вид:
| (6) |
Если графически представить зависимость 
, то получим кривую, однозначно описывающую реологические свойства исследованной жидкости при данной температуре.
3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Целью лабораторной работы является: практическое ознакомление с конструкцией и принципом действия автоматического капиллярного вискозиметра АКВ-2; определение вида кривой течения испытуемой среды.
Схема экспериментальной установки для проведения исследований представлена на рисунке 2. Она состоит из вискозиметра 1, термостата 2, емкости 3.
1 – вискозиметр АКВ-2; 2 – термостат ТС-6; 3 – емкость
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки
Принцип действия вискозиметра основан на одновременной автоматической регистрации двух непрерывно изменяющихся взаимосвязанных величин нагрузки на поток и скорости погружения штока в камеру, по которым вычисляются значения напряжения сдвига, градиента скорости и эффективной вязкости.
Вискозиметр АКВ-2 (рисунок 3) состоит из рабочего узла, термостатирующего устройства, барабана с приводом и штатива.
1 – штатив; 2 – барабан; 3 – электродвигатель; 4 – рабочий узел; 5 – опора; 6 – шток; 7 – штырь; 8 – стакан; 9 – пружина нижняя; 10 – пружина верхняя; 11 – рукоятка; 12 – винт; 13 – цилиндр; 14 – цанга; 15 – рукоятка; 16 – эксцентрик; 17 – стержень; 18 – втулка; 19 – карандаш; 20 – винт; 21 – ось; 22 – измерительная камера; 23 – капилляр; 24 – гайка; 25 – термостатирующая рубашка; 26 – гайка
Рисунок 3 – Вискозиметр АКВ-2
На штативе 1 закреплен барабан 2 с синхронным электродвигателем 3 и рабочий узел 4. На нижнем конце опоры 5 закреплен шток 6, другой конец опоры заканчивается штырем 7. Между опорой и стаканом 8 находятся цилиндрические пружины 9 и 10. При вращении рукоятки 11 винт 12 поднимается или опускается в цилиндре 13. На нижнем конце винта находится цанга 14, которая жестко соединена с ним. Поворотом рукоятки 15 на 180° поднимается вверх и опускается вниз эксцентрик 16, который с помощью подвижного стержня 17 и втулки 18 ослабляет или зажимает цангу. На опоре закреплен карандаш 19, который острием упирается в барабан и крепится винтом 20. Переключение скоростей вращения барабана осуществляется с помощью оси 21.
Измерительная камера 22 с капилляром 23 крепится к рабочему узлу с помощью гайки 24. Термостатирующая рубашка 25 крепится с помощью гайки 26, которая навинчивается на капилляр.
Термостатирование исследуемой среды осуществляется при помощи термостатирующей жидкости, которая из термостата поступает в термостатирующую рубашку для обогрева камеры с капилляром и далее отводится в термостат для нагрева.
4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Подготовку вискозиметра к исследованиям проводят следующим образом:
– вращением рукоятки 11 опускают винт 12, сжимая пружины настолько, чтобы цанга 14 захватила штырь 7;
– перевернув рукоятку 15 на 180°, опускают вниз эксцентрик 16, вследствие чего зажимается цанга. После этого вращением рукоятки 11 в обратную сторону поднимают шток 6 в крайнее верхнее положение – выше нуля;
– снимают термостатирующую рубашку 25, измерительную камеру 22 и устанавливают для измерения капилляр 23;
– измерительную камеру заполняют исследуемой жидкостью;
– присоединяют капилляр к измерительной камере при помощи гайки 24;
– обертывают барабан 2 листом бумаги, прижимают бумагу резиновыми кольцами. Подставляют под капилляр емкость для сбора испытуемой среды. Устанавливают барабан на нужную скорость. Установку производят, нажимая левой рукой ось 21 вниз, правой рукой резко вращают барабан против часовой стрелки до появления отметки на оси, соответствующей требуемой скорости. Первой риске соответствует скорость барабана 6 об/мин – 2,98·10–2м/c; второй риске 0,6 об/мин – 0,298·10–2м/с; третьей риске – 0,06 об/мин – 0,0298·10–2м/с; четвертой риске – 0,006 об/мин – 0,00298·10–2м/с;
– надевают термостатирующую рубашку на измерительную камеру, подсоединяют рубашку к термостату и закрывают ее с помощью гаек 24 и 26;
– термостат заливают водой, устанавливают контактным термометром заданную температуру и включают в сеть;
– включают в сеть вискозиметр.
Затем проводят исследование реологических свойств исследуемой среды.
Вращением рукоятки 11 стрелку прибора устанавливают на нуль. Быстро переставляют рукоятку 15 в противоположную сторону и освобождают цангу 14. При этом сжатые пружины выталкивают штырь 7 из цанги, нагружают шток 6 и создают в измерительной камере давление, под действием которого исследуемая жидкость начинает вытекать из камеры через капилляр 23.
Во время эксперимента нужно следить за движением карандаша по бумаге и в то время, когда кривая, наносимая карандашом на бумагу, станет приближаться к горизонтали, барабан переключить на меньшую скорость.
Когда шток достигнет крайнего нижнего положения, следует остановить двигатель барабана. Затем снимают рабочий узел и подготавливают вискозиметр к повторному опыту при другой температуре или с другим капилляром.
5 ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
В результате опыта получается диаграмма, характеризующая зависимость перемещения штока от времени t.
Для обработки опытных данных необходимы следующие величины:
– радиус капилляра, например R = 1,572·10–3м;
– длина капилляра L = 144,8·10–3м;
– радиус штока 
= 8,543·10–3м.
Давление в камере Р, при котором происходит истечение исследуемой жидкости в момент времени t, определяют по рисунку 4 в зависимости от линейного сжатия пружины h.
Определяют расход жидкости Q в канале по линейной скорости перемещения штока в момент времени t:
| (7) |
где W – скорость движения бумаги на барабане самописца, м/с;
a – угол наклона касательной кривой, проведенной в точке, соответствующей моменту времени t, град.
Рисунок 4 – Характеристика рабочих пружин
Напряжение сдвига на стенке капилляра определяют по формуле
| (8) |
Для упрощения и ускорения определения величины на листе бумаги, на которой производятся записи кривых, заранее проводят горизонтальные линии (рисунок 5), каждая из которых соответствует определенному значению давления Р в камере. Соответственно для каждой из этих горизонталей заранее вычисляют значения напряжений сдвига , результаты записывают в таблицу 1 и одновременно записывают логарифмы этих значений.
Угол наклона a для каждого значения Р находят при помощи прозрачного транспортира.
Рисунок 5 – Схема измерения угла касательной к кривой
На рисунке 5 изображена кривая, полученная при испытании авиационного масла для температуры 20 °С. Участки кривой 1, 2, 3 соответствуют трем скоростям вращения барабана, линии а, б, в, г, д, е соответствуют значениям давления Р.
Среднюю скорость сдвига определяют из уравнения
| (9) |
Эффективную вязкость находят как
| (10) |
Результаты расчетов заносят в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты исследований реологических свойств среды
h, мм | Р, МПа | a, град | W, м/с | Q, м3/с |
Н/м2 |
с–1 |
Па·с | lg | lg | lg |
Строят кривую эффективной вязкости 
и графическую зависимость 
в логарифмических координатах. Определяют вид испытываемой жидкости.
6 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
К проведению лабораторной работы студенты допускаются только после собеседования с преподавателем, в ходе которого студенты должны продемонстрировать знания положений инструкции по технике безопасности.
Перед началом экспериментального исследования каждый студент должен убедиться в исправности оборудования, электропроводки, заземления. При обнаружении неисправности студент обязан немедленно доложить об этом преподавателю. Работать, используя неисправное оборудование, категорически запрещается.
Основными возможными источниками опасности являются переменный электрический ток промышленной частоты с максимальным напряжением 380 В и термостатирующая жидкость с температурой до 200 °С.
Чтобы избежать поражения электрическим током, все работающие в лаборатории должны соблюдать правила электробезопасности. Запрещается подключение вискозиметра и термостата к сети без разрешения преподавателя. Студентам запрещается без участия преподавателя пользоваться общим выключателем на распределительном щите с целью подачи напряжения. Тем не менее студенты должны знать, как отключить напряжение на центральном щите в случае аварии.
Чтобы предупредить ожоги термостатирующей жидкостью, необходимо перед началом работы убедиться в целостности соединительных шлангов, герметичности оборудования.
Запрещается располагать на рабочем месте посторонние предметы, одежду.
По окончании лабораторной работы студенты должны отключить от электрической сети вискозиметр и термостат, произвести промывку капилляров вискозиметра растворителем и чистой водой, привести в порядок рабочее место, защитить отчет о выполненной лабораторной работе.
Литература
1. Мак-Келви, полимеров / -Келви. – М.: Химия, 1965. – 442 с.
2. Яхно, реологии полимеров / , . – Киев: Высшая школа, 1976. – 188 с.
3. Ригин, указания к лабораторному практикуму «Машины и аппараты химических производств» Ч. III / Алт. политехн. ин-т. им. . – Барнаул: [б. и.], 1979. – 46 с.
4. Ерохин, течения высоковязких жидкостей по результатам реологических испытаний: методические указания к лабораторной работе для студентов специальности «Автоматизированные производства химических предприятий» / , . – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 1992. – 16 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение …………………………………………………………………3
1 РЕОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ …………………………………………..3
2 МЕТОД КАПИЛЛЯРНОЙ ВИСКОЗИМЕТРИИ ……………………5
3 ЦЕЛЬ РАБОТЫ ………………………………………………………..6
4 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ …………..6
5 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ ……………………………..8
6 ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ ……………………………….9
7 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ……………………………………….12
Литература ……………………………………………………………….14
СВЕТЛОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы
для студентов специальностей 240706 «Автоматизированные производства химических предприятий» и 260601 «Машины и аппараты пищевых производств»
Редактор
Технический редактор
Подписано в печать 29.03.07. Формат 60х84 1/16.
Усл. п. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1.
Печать – ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO TR-1510».
Тираж 50 экз. Заказ 2007-20.
Издательство Алтайского государственного
технического университета.
г. Барна.
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ.
Отпечатано на ИИО БТИ АлтГТУ.
9.
