8.3.2.1 Капиллярные вискозиметры для научных исследований

Капиллярные вискозиметры, применяемые при проведении научно-исследовательских работ, по конструкции сравнительно просты и легко могут быть изготовлены в лабораторных мастерских. Важным достоинством таких приборов является, прежде всего, простота вспомогательного оборудования для контроля и измерения разности давлений ΔР и скорости течения (расхода) жидкости в трубке с известным внутренним радиусом R и длиной l.

Капиллярные вискозиметры позволяют проводить измерения как при очень малых скоростях сдвига ( 10^–3…10^–1 с^–1), так и при весьма больших (вплоть до 10⁷ с^–1). Диапазон изменения скоростей сдвига у капиллярного вискозиметра шире, чем у ротационного. Даже под действием силы тяжести в капиллярном вискозиметре достигаются довольно высокие скорости сдвига. Обычно легко обеспечивается хорошая воспроизводимость результатов, полученных с помощью капиллярных вискозиметров [33].

Основная трудность капиллярной вискозиметрии связана с необходимостью введения поправок в общий измеренный перепад давления ΔР. Требуется находить и вводить поправки:

• на гидростатический напор столба жидкости, находящейся над капилляром;

• на влияние кинетической энергии;

• на потери давления на входе в капилляр;

• на потери давления на выходе из капилляра,

а также некоторые другие поправки, рассмотренные в [33].

8.3.2.1.1 Устройство капиллярного вискозиметра для научных исследований

В институте тепло- и массообмена АН БССР (в настоящее время АНК ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси) авторами [33] был разработан капиллярный вискозиметр (см. рис. 8.12), позволяющий измерять реологические характеристики жидкостей в широких пределах скоростей сдвига ( 10²…10⁶ с^–1). Прибор состоит из двух основных частей: пневмосистемы и цилиндра 2 с капилляром 1.

Рис. 8.12 Устройство капиллярного вискозиметра:

1 – капилляр; 2 – цилиндр с исследуемой жидкостью; 3 – вентиль сброса давления; 4 – шланг для связи с атмосферой или с вакуумной системой, используемой для заполнения цилиндра 2 исследуемой жидкостью; 5 – образцовый манометр; 6 – вентиль для подачи давления в цилиндр 2; 7 – редуктор давления; 8 – вентиль баллона; 9 – баллон со сжатым азотом

В пневмосистему входит баллон 9 со сжатым азотом. Из баллона 9 через вентиль 8 и редуктор давления 7, обеспечивающий изменение давления в пределах 0…100 атм, сжатый азот подается посредством вентиля 6 в цилиндр 2 с исследуемой жидкостью. Образцовый манометр 5 обеспечивает точные измерения давления над исследуемой жидкостью в цилиндре 2. В процессе работы использовался набор образцовых манометров с пределами измерения: 0…1,6; 0…4; 0…10; 0…16; 0…25; 0…40; 0…60; 0…100 кгс/см².

Внутренняя полость цилиндра 2 (при закрытом вентиле 6 и при открытом вентиле 3) может быть соединена с атмосферой, либо (посредством шланга 4) с вакуумной системой, обычно используемой (при подготовке вискозиметра к работе) для засасывания исследуемой жидкости в цилиндр 2.

При определении вязкости и/или реологических характеристик в области повышенных температур, цилиндр 2 и капилляр 1 помещают в специальный воздушный термостат (на рис. 8.12 не показан).

Вискозиметр был снабжен набором из семи капилляров с внутренними диаметрами d и длинами l:

d₁ = 0,342 мм, l₁ = 20,7 мм,

d₂ = 0,522 мм, l₂ = 40,75 мм,

d₃ = 0,822 мм, l₃ = 67,9 мм,

d₄ = 0,824 мм, l₄ = 117,6 мм,

d₅ = 1,34 мм, l₅ = 63,4 мм,

d₆ = 2,08 мм, l₆ = 227 мм,

d₇ = 2,10 мм, l₇ = 792 мм.

Для измерения температуры исследуемой жидкости в основание цилиндра 2 (рядом с входом в капилляр 1) была зачеканена термопара.

Расход g жидкости через капилляр можно изменять как за счет варьирования давления на выходе из редуктора 7, так и путем смены капилляров.

Диаметр d каждого капилляра определяли по методу заполнения ртутью и последующего его взвешивания с погрешностью не более 0,1 мг. Вычитая из массы капилляра с ртутью массу пустого капилляра, находили массу ртути, потребовавшуюся для заполнения внутренней полости капилляра. Поделив массу ртути на ее плотность, находили объем внутренней полости капилляра

,

после чего диаметр d капилляра вычисляли по формуле

,

где l – длина капилляра.