Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры широко применяются во многих отраслях пищевой промышленности в технологических лабораториях предприятий, в научно-исследовательских организациях. 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. Схема ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами изображена на рис. 5, где для определенности внутренний цилиндр неподвижен, а наружный вращается с угловой скоростью ω.

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.

Рис. 5. Схема течения в ротационном вискозиметре

с коаксиальными цилиндрами

При коэффициент динамической вязкости определяется по формуле Маргулеса:

, (9)

где: R_В – радиус внутреннего цилиндра, м;

R_Н – радиус внутреннего цилиндра, м;

М – крутящий момент, приложенный к внешнему цилиндру, об/мин;

ω – угловая скорость наружного цилиндра, рад^–1;

L – высота слоя между цилиндрами, м.

При расчетная формула вискозиметра имеет вид:

, (10)

где: α – геометрический симплекс.

. (11)

Между формулами (9 и 11) существует следующая связь:

. (12)

По форме измерительных поверхностей различают ротационные приборы с системами (рис. 6): 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. Форма воспринимающего органа (ротора) зависит от вида исследуемого материала (ньютоновской или неньютоновской) и диапазона измеряемых значений вязкости.

Известны два основных варианта прибора с коаксиальными цилиндрами. Первый из них заключается в следующем: подвижный цилиндр (ротор) приводится во вращение под действием постоянного крутящего момента ( ). Замеряется угловая скорость цилиндра ω, зависящая от вязкости жидкости (вискозиметр РВ – 8).

При втором варианте прибора: испытуемое вещество помещается в наружный цилиндр, приводимый во вращательное равномерное движение, т.е. при постоянной скорости сдвига ( ), а крутящий момент, переданный через испытуемый материал, замеряется по закручиванию упругого элемента, на котором подвешен этот цилиндр (вискозиметр Куэтта, Мак-Майкеля и др.).

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

а) метод постоянства крутящего момента М = const (рис. 6);

б) метод постоянства скорости деформации = const (рис. 7).

К основным недостаткам вискозиметров первой группы можно отнести недостаточную точность измерений реологических свойств за счет неточности фиксации частоты вращения ротора и определения высоты соприкосновения продукта с ротором вискозиметра. Работа на этих вискозиметрах трудоемка и требует большого внимания от работника.

К достоинствам вискозиметров второй группы относятся: возможность регулирования частоты вращения ротора в широком диапазоне и автоматическая запись показаний крутящего момента; наличие электромеханического привода; постоянная высота продукта в измерительной части прибора; небольшие относительные ошибки измерения ± 3 %. К недостаткам этих приборов относятся: возможность образования воздушной полости при одевании стакана на ротор; проскальзывание гладкого ротора по продукту при больших скоростях сдвига для грубодисперсных систем.

Очень эффективно сочетание обоих 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 = const.

Методика расчета 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 τ_с и динамическое θ₀ предельное напряжения сдвига, пластическую вязкость η_пл и зависимость эффективной вязкости η_эф от градиента скорости или напряжения сдвига τ. Обсчет 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 (τ), или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта.

Наиболее распространенным ротационным вискозиметром, работающим с использованием метода = const, является вискозиметр «Reotest» (Германия) и его модификации. Помимо основного набора цилиндрических измерительных элементов, этот прибор снабжен устройством типа конус – плоскость, предназначенным для измерения вязкости при повышенных скоростях сдвига для средне- и высоковязких продуктов. Угол между плоскостью и образующей конуса составляет 0,3^о. Прибор позволяет измерять скорость сдвига от 0,56 до 4860 с^–1, напряжение сдвига τ – от 40 до 2,2 · 10⁵ Па. Величина измеряемой вязкости η находится в пределах от 8 до 40 · 10⁷ МПа·с.

Вискозиметр «Reotest – 2» представлен на рис. 8. Внутри станины 1 прибора установлен синхронный электродвигатель, соединенный с 12-ступенчатой коробкой передач, которая позволяет изменять частоту вращения внутреннего цилиндра 4 от 0 до 1500 с^–1. Крутящий момент от коробки передач передается ведущему валу и далее через спиральную пружину 2 – ведомому валу 3, соединенному с внутренним цилиндром 4 муфтой. Наружный цилиндр 5 крепится к корпусу вискозиметра специальным зажимом. В приборе имеется термостатирующий сосуд. Величина крутящего момента отсчитывается по шкале прибора, а скорость сдвига – по указателю 8. Измеритель моментов торсионного типа с омическими датчиками работает на принципе превращения механических усилий в электрические импульсы. Показания прибора 8 прямо пропорциональны крутящему моменту, а также напряжению сдвига и вязкости исследуемого материала. Скорость вращения синхронного электродвигателя и, следовательно, внутреннего цилиндра 4, зависит от частоты тока в сети. Отклонения от нормальной частоты 50 Гц фиксируется и учитывается специальным расчетным коэффициентом.

Пределы измерения вязкости: от 10^–2 до 104 Па·с; скорости сдвига: от 0,1667 до 1,458·103 с^–1; напряжения сдвига: от 12 до 3·103 Па; температуры: от – 30 до 150 ^оС. Погрешность измерений ±3% (по отношению к ньютоновским жидкостям).

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

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

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.

Эффект Вейссенберга. К. Вейссенбергом было обнаружено, что 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.

Явление эластической турбулентности 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.

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.

Величины реологических характеристик, получаемых с помощью ротационных вискозиметров, могут иметь значительные колебания из-за неправильного выбора зазора между измерительными цилиндрами. Для получения более точных результатов измерений рабочий зазор между измерительными цилиндрами должен быть минимальным, с учетом дисперсности измеряемого продукта. В этом случае поле скоростей деформаций и напряжений должно приближаться к однородному. Однако с уменьшением зазора между измерительными поверхностями до определенного предела (более двух максимальных частиц дисперсной фазы продукта), особенно продукты с высокой консистенцией, трудно заполнить узкий рабочий зазор вискозиметра.