Metody pomiaru reologicznych właściwości cieczy - Notatki - Mikrobiologia, Notatki z Mikrobiologia

Pobierz Metody pomiaru reologicznych właściwości cieczy - Notatki - Mikrobiologia i więcej Notatki w PDF z Mikrobiologia tylko na Docsity! Metody pomiaru reologicznych właściwości cieczy (techniki pomiarowe, testy statyczne i dynamiczne). Wykonał: Jończyk Piotr TRiL V gr. II Reometry i metody pomiarowe Wybór reometru dla wykonania określonego zadania jest sprawą o dużym znaczeniu. Nazwa „reometr" wskazuje, że wymagane jest coś więcej niż tylko sam pomiar lepkości. W rzeczywistości reometr może być traktowany jako przyrząd, który dostarcza danych ilościowych dotyczących reologii płynu. Oznacza to co najmniej, że za jego pomocą można wykonywać pomiary w pewnym zakresie szybkości ścinania. Istnieją dwa oczywiste niebezpieczeństwa, związane z wyborem przyrządu. -Pierwsze polega na tym, że po nabyciu przyrządu stwierdzimy, iż jest on nieprzydatny do wykonania określonego zadania. -Drugie niebezpieczeństwo polega na tym, że chcąc zapobiec takiej sytuacji dokonuje się zakupu reometru, który jest w stanie wykonać znacznie więcej zadań niż będziemy kiedykolwiek od niego wymagali. 1.REOMETRY KAPILARNE Rys. 1. Przepływ w kapilarze przy; a) normalnym przepływie Poiseuille”a b) dużej szybkości ścinania przy ścianie oraz c) przepływie tłokowym z obszarem wysokiego ścinania przylegającym do ściany. 1.REOMETRY KAPILARNE 1.2 Regulowana szybkość ścinania Płyn w zbiorniku jest przetłaczany przez kapilarę za pomocą tłoka zaopatrzonego w miernik siły, rys. 2a. Szybkość ścinania w kapilarze jest zdeterminowana przez jej średnicę i przez szybkość przesuwania się tłoka. Silnik napędzający tłok musi więc mieć taką moc, aby zachować stałą pręd kość przesuwu w każdych warunkach. Wartość naprężenia stycznego jest uzyskiwana bezpośrednio za pomocą miernika siły. Rys. 2. Schemat reometru kapilarnego z a) regulowaną szybkością ścinania b) regulowanym naprężeniem stycznym 1.REOMETRY KAPILARNE 1.3 Regulowane naprężenie styczne Znajdujący się w zbiorniku płyn jest poddany działaniu ciśnienia, zwykle przy użyciu azotu, aby zapobiec utlenieniu, które mogłoby nastąpić gdyby zastosowano sprężone powietrze. Zwykle w badaniach tego rodzaju umieszcza się kulę lub płytkę ze stali kwasoodpornej na powierzchni płynu, aby zredukować pole tej powierzchni stykającej się z azotem. Szybkość ścinania mierzy się przez ważenie ilości wytłoczonego płynu zebranego w określonym czasie, przeliczając to na objętościowe natężenie przepływu, a następnie wyznaczając wartość y ze wzoru: zaś naprężenie styczne ze wzoru: 2. REOMETRY O WSPÓŁOSIOWYCH CYLINDRACH Rys. 4. Schematyczny rysunek reometru ze współosiowymi cylindrami. W przykładzie tym wewnętrzny cylinder jest obracany z regulowaną prędkością kątową. Moment obrotowy T, działający na cylinder wewnętrzny, może być obliczony z równania T= a K, gdzie α jest kątem skręcenia drążka skrętnego, zaś K jest jego stałą. 3. REOMETRY STOŻEK-PŁYTKA 3.1 Zalety i wady Zaletą tej metody jest jednakowa szybkość ścinania, główną zaletą tej metody pomiarowej jest to, że jest jasna i prosta. Potrzebna jest także mała objętość próbki (najwyżej 2,5 ml), masa a tym samym bezwładność płytki utrzymywanej przez drążek skrętny jest mała i można łatwo wykonać pomiary naprężeń normalnych oraz pomiary oscylacyjne. Metoda może być stosowana dla szerokiego zakresu płynów, wreszcie można łatwo zaobserwować czy płyn nie zachowuje się w dziwny sposób, np. czy nie występuje pękanie. Ponieważ zwykle konieczne jest wykonanie pomiarów w pewnym zakresie temperatur, istotny jest fakt, iż. wielkość szczeliny może być łatwo regulowana, tak aby uwzględnić rozszerzenie się części metalowych. 3. REOMETRY STOŻEK-PŁYTKA Hutton w swej pracy dotyczącej reologii smarów. Opisuje on metody, których można użyć, aby zapobiec rozpadowi próbki, łącznie z umieszczeniem stożka i płytki w zbiorniku oraz stosowaniem ząbkowanych stożków i płytek, tak że efektywną powierzchnię ścinania tworzy sam płyn,. rys. 5. Rys. 5. Płytka zębata stosowana w przypadku smarów. Płaszczyzna szczytu każdego zęba działa jako powierzchnia ścinająca. Podobnie jak w przypadku każdej reologicznej metody badawczej konieczne jest poczynienie pewnych założeń, aby uprościć obliczenie szybko ści ścinania, naprężenia stycznego i sprężystości, a mianowicie: a) Przepływ jest laminarny i występuje aż do powierzchni płynu. b) Kąt między stożkiem a płytką jest bardzo mały (< 4°). Poza trudnościami teoretycznymi, przy większych kątach stożka mogą powstać przepływy wtórne. Są one częściowo wynikiem sił odśrodkowych spowodowanych ruchem obrotowym stożka 4. REOMETRY PŁYTKA-PŁYTKA 4.2 Podstawowe wzory - ścinanie ustalone W przeciwieństwie do reometrów stożek-płytka, szybkość ścinania y jest proporcjonalna do promienia r przy którym jest mierzona. Naprężenie styczne a zmienia się także z promieniem i na obwodzie jest równe w przypadku płynu newtonowskiego gdzie T jest całkowitym momentem obrotowym Dla płynu nienewtonowskiego 4. REOMETRY PŁYTKA-PŁYTKA Jeżeli spełniony jest warunek (rys. 8.), że h jest znacznie mniejsze od d, to lepkość dynamiczna η' dla płynu newtonowskiego jest dana przez gdzie Fx jest składową siły generowaną w kierunku x. Dla płynów nienewtonowskich Rys. 8. Reometr ekscentryczny. Dolna płytka jest obracana ze stałą prędkością, a górna, obracająca się swobodnie, osiąga taką samą prędkość. W płynie tworzy się wówczas fala stojąca. 5. REOMETR Z PRZESUWNYM CYLINDREM 5.1 Zalety i wady   Reometr z przesuwnym cylindrem ma następujące zalety w porównaniu z przyrządem o równoległych płytkach: a) ładowanie próbki jest łatwiejsze; b) nie ma problemu utrzymania właściwej szczeliny; c) generowane są sygnały bez szumów, gdyż nie ma kontaktujących się ruchomych części; wyeliminowane są efekty brzegowe. 7. REOMETRY WZDŁUŻNE Istnieją trzy podstawowe rodzaje przepływu wzdłużnego: jednoosiowy, dwuosiowy i płaski, rys. 11. Powodują one występowanie lepkości wzdłużnych. Rzs. 11. Rodzaje przepływu wzdłużnego: a) jednoosiowy, b) dwuosiowy, c) płaski 7. REOMETRY WZDŁUŻNE Rys. 12. Próbka zanurzona w termostatowanej kąpieli z niemieszających się cieczy jest rozciągana za pomocą par obracających się cylindrów (RC). Sygnał z komun ładowania może być użyty do sterowania szybkością obrotową silników dla otrzymania stałego naprężenia. Przez sterowanie szybkością obrotową silników można także uzyskać stalą szybkość odkształcenia. 7. REOMETRY WZDŁUŻNE Odkształcenie względne Hencky'ego (ε) jest równe dla jednoosiowego rozciągania: szybkość rozciągania względnego (έ): Przy stałej szybkości odkształcenia względnego funkcja wzrostu naprę żenia staje się równa lepkości wzdłużnej: 7. REOMETRY WZDŁUŻNE (1b) Syfon bezprzewodowy Rys. 15. Syfon bezprzewodowy. Zbiornik umieszczony jest na wadze, co umożliwia ciągłą rejestrację masy. Profil płynu jest mierzony dla wyznaczenia szybkości wydłużania. 7. REOMETRY WZDŁUŻNE (2) Metody przepływu stagnacyjnego Rys. 16. Trzy rodzaje przepływu stagnacyjnego, wskazywanego przez linię a) młynek o czterech wałkach, b) przepływ zderzeniowy w dyszy szczelinowej, przeciwstawny strumień, w którym siła F, wytwarzana przez wydłużenie, jest mierzona przez odkształcenie rur 1 i 2. 7. REOMETRY WZDŁUŻNE (3) Przepływ zbieżny a) Bez smarowania. Rys. 17. Dysza pokryta smarem. Smar powoduje poślizg przy ścianie, wywołujący przepływ rozciągający badanego płynu. b) Ze smarowaniem. Przez wtłoczenie cieczy o bardzo niskiej lepkości w postaci cienkiej warstewki pomiędzy badanym płynem a zbieżną ścianą dyszy, można spowodować przepływ czysto wzdłużny.