Изменение вязкости. Вязкость
В течение года при сезонной смене температуры вязкость транспортируемой нефти изменяется (рис. 1.20). В случае повышения температуры нефти от t 1 до t 2 , вязкость нефти уменьшается. Это приводит к уменьшению гидравлического сопротивления трубопровода (H 2
Рассмотрим влияние изменения вязкости нефти на величину подпоров ПС. Предположим, что на всех станциях установлено одинаковое число однотипных насосов, подпор на головной перекачивающей станции h П, остаточный напор на конечном пункте h ОСТ. Примем для простоты, что нефтепровод состоит из одного эксплуатационного участка N Э =1, а число ПС составляет n (рис. 1.21).
Напор перекачивающей станции в зимний период составит
в летний период
, (1.59)
где H 1 , H 2 – суммарные потери напора в трубопроводе, соответственно в зимний и летний периоды.
 |
Рис. 1.20. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС
при изменении вязкости нефти
 |
Рис. 1.21. Влияние сезонного изменения вязкости нефти
на величину подпоров перед ПС
Из начальной точки профиля трассы отложим в вертикальном масштабе значения H 1 и H 2 , затем вершины отрезков соединим прямыми с точкой z K +h ОСТ. Полученные линии соответствуют положению линий гидравлических уклонов в зимний i 1 и летний i 2 периоды.
Представим, что трасса трубопровода – восходящая прямая AB. Как видно из построений, при расстановке станций такая трасса будет разбита на равные участки длиной L/n. При этом линии гидравлических уклонов i 1 и i 2 пересекут линию AB в одних и тех же точках. Это говорит о том, что при монотонном профиле трассы нефтепровода изменение вязкости нефти не оказывает влияния на величину подпоров на входе промежуточных ПС.
В реальных условиях профиль трассы может быть сильно пересеченным, тогда расстояния между перекачивающими станциями будут неодинаковы (l 1 ¹l 2 ¹l 3 ¹l n). Рассмотрим изменение подпора перед ПС в этом случае.
Величину подпора DH C перед с-й ПС можно найти из уравнения баланса напоров
где a=m M ×a M и b=m M ×b M .
Значение расхода в выражении (1.61) определяется из уравнения баланса напоров нефтепровода в целом (1.37), что позволяет записать
. (1.62)
осле подстановки (1.62) в (1.61), получим
Как следует из выражения (1.63), от величины вязкости зависит только один сомножитель 
, так как .
Введем обозначения:
;
– среднее расстояние между перекачивающими станциями на участке до с-й ПС;
– среднее арифметическое расстояние между ПС;
С учетом принятых упрощений выражение (1.63) можно представить в виде
где 
.
Величина F прямо пропорционально зависит от изменения вязкости нефти: при снижении вязкости уменьшается и величина F.
Если выполняется условие L ср < l ср(С) , то при уменьшении вязкости подпор на с-й ПС возрастает. В противном случае при L ср > l ср(С) подпор на с-й ПС снижается и может оказаться меньше допустимого значения DH min (рис. 1. 21). В случае расстановки ПС согласно гидравлическому расчету при минимальной температуре нефти (t 1 =t min , n 1 =n mах), необходимо проанализировать работу каждого перегона в летний период.
В летнее время, если позволяет прочность трубы, можно увеличить подпор на ГПС включением дополнительного последовательно соединенного подпорного насоса.
1.10. Регулирование режимов работы нефтепровода
Режимы работы нефтепровода определяются подачей и напором насосов ПС в рассматриваемый момент времени, которые характеризуются условиями материального и энергетического баланса перекачивающих станций и трубопровода. Любое нарушение баланса приводит к изменению режима работы и обуславливает необходимость регулирования .
К основным факторам, влияющим на режимы работы системы «ПС – трубопровод», можно отнести следующие:
§ изменение реологических параметров нефти вследствие сезонного изменения температуры, а также влияния содержания воды, парафина, растворенного газа и т. п.;
§ технологические факторы – изменение параметров насосов, их включение и отключение, наличие запасов нефти или свободных емкостей и т. д.;
§ аварийные или ремонтные ситуации, вызванные повреждениями на линейной части, отказами оборудования ПС, срабатываниями предельной защиты.
Некоторые из этих факторов действуют систематически, некоторые – периодически. Все это создает условия, при которых режимы работы системы «ПС – трубопровод» непрерывно изменяются во времени.
Из уравнения баланса напоров следует, что все методы регулирования можно условно разделить на две группы:
q методы, связанные с изменением параметров перекачивающих станций
§ изменение количества работающих насосов или схемы их соединения;
§ регулирование с помощью применения сменных роторов или обточенных рабочих колес;
§ регулирование изменением частоты вращения вала насоса;
q методы, связанные с изменением параметров трубопровода
§ дросселирование;
§ перепуск части жидкости во всасывающую линию (байпасирование).
Изменение количества работающих насосов. Этот метод применяется при необходимости изменения расхода в нефтепроводе. Однако результат зависит не только от схемы соединения насосов, но и вида характеристики трубопровода (рис. 1.22).
 |
Рис. 1.22. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС при регулировании изменением числа и схемы включения насосов
1 – характеристика насоса; 2 – напорная характеристика ПС при последовательном соединении насосов; 3 – напорная характеристика ПС при параллельном соединении насосов; 4, 5 – характеристика трубопровода; 6 – h-Q характеристика насоса при последовательном соединении; 7 – h-Q характеристика насоса при параллельном соединении
Рассмотрим в качестве примера параллельное и последовательное соединение двух одинаковых центробежных насосов при работе их на трубопровод с различным гидравлическим сопротивлением.
Как видно из графических построений (рис. 1.22), последовательное соединение насосов целесообразно при работе на трубопровод с крутой характеристикой. При этом насосы работают с большей, чем при параллельном соединении, подачей (Q B >Q C), а также с более высоким суммарным напором и коэффициентом полезного действия. Параллельное соединение насосов более предпочтительно при работе на трубопровод с пологой характеристикой (Q F >Q E , H F >H E , h F >h E).
Регулирование с помощью сменных роторов . Большинство современных магистральных насосов укомплектовано сменными роторами на пониженную подачу 0,5Q НОМ и 0,7Q НОМ. Кроме того насос НМ 10000-210 укомплектован сменным ротором на 1,25 Q НОМ.
Сменные роторы имеют частные характеристики (рис. 1.23).
 |
Рис. 1.23. Характеристика насоса со сменными роторами
Применение сменных роторов является экономичным на начальной стадии эксплуатации нефтепровода, когда не все перекачивающие станции построены, и трубопровод не выведен на проектную мощность (поэтапный ввод нефтепровода в эксплуатацию). Эффект от установки сменных роторов можно получить и при длительном уменьшении объема перекачки.
Обточка рабочих колес по наружному диаметру широко применяется в трубопроводном транспорте нефти. В зависимости от величины коэффициента быстроходности n S обточку колес можно выполнять в следующих пределах: при 60< n S <120 допускается обрезка колес до 20%; при 120< n S <200 – до 15%; при n S =200¼300 – до 10%.
Пересчет характеристики насоса при обточке рабочего колеса выполняется по формулам подобия:
где Q З, H З и N З – подача, напор и потребляемая мощность, соответствующие заводскому диаметру рабочего колеса D З;
Q У, H У и N У – то же при уменьшенном диаметре рабочего колеса D У.
Способ регулирования за счет обточки рабочего колеса может быть эффективно использован при установившемся на длительное время режиме перекачки. Следует отметить, что уменьшение диаметра рабочего колеса сверх допустимых пределов приводит к нарушению нормальной гидродинамики потока в рабочих органах насоса и значительному снижению к. п. д.
Изменение частоты вращения вала насоса – прогрессивный и экономичный метод регулирования. Применение плавного регулирование частоты вращения роторов насосов на ПС магистральных нефтепроводов облегчает синхронизацию работы станций, позволяет полностью исключить обточку рабочих колес, применение сменных роторов, а также избежать гидравлических ударов в нефтепроводе. При этом сокращается время запуска и остановки насосных агрегатов. Однако, в силу технических причин, этот способ регулирования пока не нашел широкого распространения.
Метод изменения частоты вращения основан на теории подобия
(1.66)
где Q 1 , H 1 и N 2 – подача, напор и потребляемая мощность, соответствующая частоте вращения рабочего колеса n 1 ;
Q 2 , H 2 и N 2 – то же при частоте вращения рабочего колеса n 2 .
При уменьшении частоты вращения характеристика насоса изменится и рабочая точка сместится из положения А 1 в А 2 (рис. 1.24).
 |
Рис. 1.24. Совмещенная характеристика нефтепровода и насоса при изменении частоты вращения вала
В соответствии с (1.66) при пересчете характеристик насоса с частоты вращения n 1 на частоту n 2 , получим следующие соотношения:
Изменение частоты вращения вала насоса возможно в следующих случаях:
§ применение двигателей с изменяемой частотой вращения;
§ установка на валу насосов муфт с регулируемым коэффициентом проскальзывания (гидравлических или электромагнитных);
§ применение преобразователей частоты тока при одновременном изменении напряжения питания электродвигателей.
Следует отметить, что изменять частоту вращения в широких пределах нельзя, так как при этом существенно уменьшается к. п. д. насосов.
Метод дросселирования на практике применяется сравнительно часто, хотя и не является экономичным. Он основан на частичном перекрытии потока нефти на выходе из насосной станции, то есть на введении дополнительного гидравлического сопротивления. При этом рабочая точка из положения А 1 смещается в сторону уменьшения расхода в точку А 2 (рис. 1.25).
 |
Рис. 1.25. Совмещенная характеристика ПС и трубопровода при регулировании дросселированием и байпасированием
Целесообразность применения метода можно характеризовать величиной к. п. д. дросселирования h ДР
. (1.68)
С увеличением величины дросселируемого напора h ДР значение h ДР уменьшается. Полный к. п. д. насоса (ПС) определяется выражением h=h 2 ×h ДР. Метод дросселирования уместно применять для насосов, имеющих пологую напорную характеристику. При этом потери энергии на дросселирование не должны превышать 2% энергозатрат на перекачку.
Метод перепуска части жидкости во всасывающую линию насосов (байпасирование ) применяется в основном на головных станциях. При открытии задвижки на обводной линии (байпасе) напорный трубопровод соединяется с всасывающим, что приводит к уменьшению сопротивления после насоса и рабочая точка перемещается из положения А 1 в А 3 (рис. 1.25). Расход Q Б =Q 3 -Q 2 идет через байпас, а в магистраль поступает расход Q 2 .
Коэффициент полезного действия байпасирования составляет
. (1.69)
На практике байпасирование используется редко из-за неэкономичности. Метод регулирования байпасированием следует применять при крутопадающих характеристиках насосов. В этом случае он экономичнее дросселирования.
Коэффициент вязкости - это ключевой параметр рабочей жидкости либо газа. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой (газообразной) среды, или, более просто, сопротивлением движению.
Что такое вязкость
Простейший определения вязкости: на гладкую наклонную поверхность одновременно выливают одинаковое количество воды и масла. Вода стекает быстрее масла. Она более текучая. Движущемуся маслу мешает быстро стекать более высокое трение между его молекулами (внутреннее сопротивление - вязкость). Таким образом, вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести.
Коэффициент вязкости: формула
В упрощенном виде процесс движения вязкой жидкости в трубопроводе можно рассмотреть в виде плоских параллельных слоев А и В с одинаковой площадью поверхности S, расстояние между которыми составляет величину h.
Эти два слоя (А и В) перемещаются с различными скоростями (V и V+ΔV). Слой А, имеющий наибольшую скорость (V+ΔV), вовлекает в движение слой B, движущийся с меньшей скоростью (V). В то же время слой B стремится замедлить скорость слоя А. Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что трение молекул, представляющих собой сопротивление слоев потока, образует силу, которую описал следующей формулой:
F = µ × S × (ΔV/h)
- ΔV - разница скоростей движений слоев потока жидкости;
- h - расстояние между слоями потока жидкости;
- S - площадь поверхности слоя потока жидкости;
- μ (мю) - коэффициент, зависящий от называется абсолютной динамической вязкостью.
В единицах измерения системы СИ формула выглядит следующим образом:
µ = (F × h) / (S × ΔV) = [Па × с] (Паскаль × секунда)
Здесь F - сила тяжести объема рабочей жидкости.
Величина вязкости
В большинстве случаев коэффициент измеряется в сантипуазах (сП) в соответствии с системой единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда). На практике вязкость связана соотношением массы жидкости к ее объему, то есть с плотностью жидкости:
- ρ - плотность жидкости;
- m - масса жидкости;
- V - объем жидкости.
Отношение между динамической вязкостью (μ) и плотностью (ρ) называется кинематической вязкостью ν (ν - по-гречески - ню):
ν = μ / ρ = [м 2 /с]
Кстати, методы определения коэффициента вязкости разные. Например, кинематическая вязкость по-прежнему измеряется в соответствии с системой СГС в сантистоксах (сСт) и в дольных величинах - стоксах (Ст):
- 1Ст = 10 -4 м 2 /с = 1 см 2 /с;
- 1сСт = 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /с.
Определение вязкости воды
Коэффициент вязкости воды определяется измерением времени течения жидкости через калиброванную капиллярную трубку. Это устройство калибруется с помощью стандартной жидкости известной вязкости. Для определения кинематической вязкости, измеряемой в мм 2 /с, время течения жидкости, измеряемое в секундах, умножается на постоянную величину.
В качестве единицы сравнения используется вязкость дистиллированной воды, величина которой почти постоянна даже при изменении температуры. Коэффициент вязкости - это отношение времени в секундах, которое необходимо фиксированному объему дистиллированной воды для истечения из калиброванного отверстия, к аналогичному значению для испытываемой жидкости.
Вискозиметры
Вязкость измеряется в градусах Энглера (°Е), универсальных секундах Сейболта ("SUS) или градусах Редвуда (°RJ) в зависимости от типа применяемого вискозиметра. Три типа вискозиметров отличаются только количеством вытекающей жидкой среды.
Вискозиметр, измеряющий вязкость в европейской единице градус Энглера (°Е), рассчитан на 200 см 3 вытекающий жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в универсальных секундах Сейболта ("SUS или "SSU), используемый в США, содержит 60 см 3 испытываемой жидкости. В Англии, где используются градусы Редвуда (°RJ), вискозиметр проводит измерения вязкости 50 см 3 жидкости. Например, если 200 см 3 определенного масла течет в десять раз медленнее, чем аналогичный объем воды, то вязкость по Энглеру составляет 10°Е.
Поскольку температура является ключевым фактором, изменяющим коэффициент вязкости, то измерения обычно проводятся сначала при постоянной температуре 20°С, а затем при более высоких ее значениях. Результат, таким образом, выражается путем добавления соответствующей температуры, например: 10°Е/50°С или 2,8°Е/90°С. Вязкость жидкости при 20°С выше, чем ее вязкость при более высоких температурах. Гидравлические масла имеют следующую вязкость при соответствующих температурах:
190 сСт при 20°С = 45,4 сСт при 50°С = 11,3 сСт при 100°С.
Перевод значений
Определение коэффициента вязкости происходит в разных системах (американской, английской, СГС), и поэтому часто требуется перевести данные из одной мерной системы в другую. Для перевода значений вязкости жидкости, выраженных в градусах Энглера, в сантистоксы (мм 2 /с) используют следующую эмпирическую формулу:
ν(сСт) = 7,6 × °Е × (1-1/°Е3)
Например:
- 2°Е = 7,6 × 2 × (1-1/23) =15,2 × (0,875) = 13,3 сСт;
- 9°Е = 7,6 × 9 × (1-1/93) =68,4 × (0,9986) = 68,3 сСт.
С целью быстрого определения стандартной вязкости гидравлического масла формула может быть упрощена следующим образом:
ν(сСт) = 7,6 × °Е(мм 2 /с)
Имея кинематическую вязкость ν в мм 2 /с или сСт, можно перевести ее в коэффициент динамической вязкости μ, используя следующую зависимость:
Пример. Суммируя различные формулы перевода градусов Энглера (°Е), сантистоксов (сСт) и сантипуазов (сП), предположим, что гидравлическое масло с плотностью ρ=910 кг/м 3 имеет кинематическую вязкость 12°Е, что в единицах сСт составляет:
ν = 7,6 × 12 × (1-1/123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 мм 2 /с.
Поскольку 1сСт = 10 -6 м 2 /с и 1сП = 10 -3 Н×с/м 2 , то динамическая вязкость будет равна:
μ =ν × ρ = 90,3 × 10 -6 · 910 = 0,082 Н×с/м 2 = 82 сП.
Коэффициент вязкости газа
Он определяется составом (химическим, механическим) газа, воздействующей температурой, давлением и применяется в газодинамических расчетах, связанных с движением газа. На практике вязкость газов учитывается при проектировании разработок газовых месторождений, где ведется расчет изменений коэффициента в зависимости от изменений газового состава (особенно актуально для газоконденсатных месторождений), температуры и давления.
Рассчитаем коэффициент вязкости воздуха. Процессы будут аналогичными с рассмотренными выше двумя потоками воды. Предположим, параллельно движутся два газовых потока U1 и U2, но с разной скоростью. Между слоями будет происходить конвекция (взаимное проникновение) молекул. В итоге импульс движущегося быстрее потока воздуха будет уменьшаться, а изначально движущегося медленнее - ускоряться.
Коэффициент вязкости воздуха, согласно закону Ньютона, выражается следующей формулой:
F =-h × (dU/dZ) × S
- dU/dZ является градиентом скорости;
- S - площадь воздействия силы;
- Коэффициент h - динамическая вязкость.
Индекс вязкости
Индекс вязкости (ИВ) - это параметр, коррелирующий изменение вязкости и температуры. Корреляционная зависимость является статистической взаимосвязью, в данном случае двух величин, при которой изменение температуры сопутствует систематическому изменению вязкости. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменения между двумя величинами, то есть вязкость рабочей жидкости более стабильна при изменении температуры.
Вязкость масел
У основ современных масел индекс вязкости ниже 95-100 единиц. Поэтому в гидросистемах машин и оборудования могут использоваться достаточно стабильные рабочие жидкости, которые ограничивают широкое изменение вязкости в условиях критических температур.
«Благоприятный» коэффициент вязкости можно поддерживать введением в масло специальных присадок (полимеров), получаемых при Они повышают индекс вязкости масел за счет ограничения изменения этой характеристики в допустимом интервале. На практике при введении необходимого количества присадок низкий индекс вязкости базового масла может быть повышен до 100-105 единиц. Вместе с тем получаемая таким образом смесь ухудшает свои свойства при высоком давлении и тепловой нагрузке, снижая тем самым эффективность присадки.
В силовых контурах мощных гидросистем должны применяться рабочие жидкости с индексом вязкости 100 единиц. Рабочие жидкости с присадками, повышающими индекс вязкости, применяются в контурах гидроуправления и других системах, работающих в диапазоне низких/средних давлений, в ограниченном интервале изменения температур, с небольшими утечками и в периодическом режиме. С возрастанием давления возрастает и вязкость, но этот процесс возникает при давлениях свыше 30,0 МПа (300 бар). На практике этим фактором часто пренебрегают.
Измерение и индексация
В соответствии с международными стандартами ISO, коэффициент вязкости воды (и прочих жидких сред) выражается в сантистоксах: сСт (мм 2 /с). Измерения вязкости технологических масел должны проводиться при температурах 0°С, 40°С и 100°С. В любом случае в коде марки масла вязкость должна указываться цифрой при температуре 40°С. В ГОСТе значение вязкости дается при 50°С. Марки, наиболее часто применяемые в машиностроительной гидравлике, варьируются от ISO VG 22 до ISO VG 68.
Гидравлические масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температуре 40°С имеют значения вязкости, соответствующие их маркировке: 22, 32, 46, 68 и 100 сСт. Оптимальная кинематическая вязкость рабочей жидкости в гидросистемах лежит в диапазоне от 16 до 36 сСт.
Американское Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers - SAE) установило диапазоны изменения вязкости при конкретных температурах и присвоило им соответствующие коды. Цифра, следующая за буквой W, - абсолютный динамический коэффициент вязкости μ при 0°F (-17,7°С), а кинематическая вязкость ν определялась при 212°F (100°С). Эта индексация касается всесезонных масел, применяемых в автомобильной промышленности (трансмиссионные, моторные и т. д.).
Влияние вязкости на работу гидравлики
Определение коэффициента вязкости жидкости представляет не только научно-познавательный интерес, но и несет в себе важное практическое значение. В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения. Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидравлики.
Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:
- Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме.
- Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов.
- Развитие кавитации в насосе.
- Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке.
- Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидравлики из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения жидкости.
- Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе.
- Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.
Таким образом, физический смысл коэффициента вязкости заключается в его влиянии (позитивном либо негативном) на узлы и механизмы транспортных средств, станков и оборудования.
Потеря мощности гидросистем
Низкая вязкость рабочей жидкости (масло невысокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:
- Падение объемного КПД насосов в результате возрастающих внутренних утечек.
- Возрастание внутренних утечек в гидрокомпонентах всей гидросистемы - насосах, клапанах, гидрораспределителях, гидромоторах.
- Повышенный износ качающих узлов и заклинивание насосов по причине недостаточной вязкости рабочей жидкости, необходимой для обеспечения смазки трущихся деталей.
Сжимаемость
Любая жидкость под действием давления сжимается. В отношении масел и СОЖ, используемых в машиностроительной гидравлике, эмпирически установлено, что процесс сжатия обратно пропорционален величине массы жидкости на ее объем. Величина сжатия выше для минеральных масел, значительно ниже для воды и гораздо ниже для синтетических жидкостей.
В простых гидросистемах низкого давления сжимаемость жидкости ничтожно мало влияет на уменьшение первоначального объема. Но в мощных машинах с гидроприводом высокого давления и крупными гидроцилиндрами этот процесс проявляет себя заметно. У гидравлических при давлении в 10,0 МПа (100 бар) объем уменьшается на 0,7%. При этом на изменение объема сжатия в небольшой степени влияют кинематическая вязкость и тип масла.
Вывод
Определение коэффициента вязкости позволяет прогнозировать работу оборудования и механизмов при различных условиях с учетом изменения состава жидкости либо газа, давления, температуры. Также контроль этих показателей актуален в нефтегазовой сфере, коммунальном хозяйстве, других отраслях промышленности.
Воспользуйтесь удобным конвертером перевода кинематической вязкости в динамическую онлайн. Поскольку соотношение кинематической и динамической вязкости зависит от плотности, то необходимо ее также указывать при расчете в калькуляторах ниже.
Плотность и вязкость следует указывать при одинаковой температуре.
Если задать плотность при температуре отличной от температуры вязкости повлечет некоторую ошибку, степень которой будет зависеть от влияния температуры на изменение плотности для данного вещества.
Калькулятор перевода кинематической вязкости в динамическую
Конвертер позволяет перевести вязкость с размерностью в сантистоксах [сСт] в сантипуазы [сП]
. Обратите внимание, что численные значения величин с размерностями [мм2/с] и [сСт]
для кинематической вязкости и [сП] и [мПа*с]
для динамической – равны между собой и не требуют дополнительного перевода. Для других размерностей – воспользуйтесь таблицами ниже.
В промышленности, научной деятельности часто необходимо вычислить коэффициент вязкости жидкости. Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ.
Что такое вязкость жидкости?
Еще Ньютон положил начало такой науке, как реология. Эта отрасль занимается изучением сопротивления вещества при движении, т. е. вязкости.
В жидкостях и газах происходит непрерывное взаимодействие молекул. Они ударяются друг о друга, отталкиваются или просто пролетают мимо. В итоге слои вещества как бы взаимодействуют друг с другом, придавая скорость каждому из них. Явление подобного взаимодействия молекул жидкостей/газов и называется вязкостью, или внутренним трением.
Чтобы лучше рассмотреть этот процесс, необходимо продемонстрировать опыт с двумя пластинками, между которыми находится жидкая среда. Если двигать верхнюю пластинку, то «прилипший» к ней слой жидкости также начнет двигаться с определенной скоростью v1. Через короткий промежуток времени замечаем, что нижележащие слои жидкости также начинают двигаться по той же траектории со скоростью v2, v3…vn и т. д., причем v1>v2, v3…vn. Скорость самого нижнего из них остается равна нулю.
На примере газа такой опыт провести практически невозможно, т. к. силы взаимодействия молекул друг с другом очень малы, и визуально это зарегистрировать не удастся. Здесь тоже говорят о слоях, о скорости движения этих слоев, поэтому в газообразных средах также существует вязкость.
Ньютоновские и неньютоновские среды
Ньютоновская жидкость - это такая жидкость, вязкость которой можно высчитать с помощью формулы Ньютона.
К таким средам относятся вода и растворы. Коэффициент вязкости жидкости в таких средах может зависеть от таких факторов, как температура, давление или строение атома вещества, однако градиент скорости всегда останется неизменным.
Неньютоновские жидкости - это такие среды, в которых упомянутое выше значение может изменяться, а значит, формула Ньютона здесь действовать не будет. К таким веществам относятся все дисперсные среды (эмульсии, аэрозоли, суспензии). Сюда же относится и кровь. Об этом более подробно поговорим далее.
Кровь как внутренняя среда организма
Как известно, 80 % крови составляет плазма, которая имеет жидкое агрегатное состояние, а остальные 20 % - это эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и различные включения. Эритроциты человека имеют диаметр 8 нм. В неподвижном состоянии они формируют агрегаты в виде монетных столбиков, при этом существенно повышают вязкость жидкости. Если ток крови активен, эти «конструкции» распадаются, а внутреннее трение, соответственно, уменьшается.
Коэффициенты вязкости среды
Взаимодействие слоев среды друг на друга сказывается на характеристиках всей системы жидкости или газа. Вязкость - это один из примеров такого физического явления, как трение. Благодаря ей верхние и нижние слои среды постепенно выравнивают скорости своего тока, и в конечном итоге она приравнивается к нулю. Также вязкость можно характеризовать как сопротивление одного слоя среды другому.
Для описания таких явлений выделяют две качественные характеристики внутреннего трения:
- динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость жидкости);
- кинетический коэффициент вязкости (кинетическая вязкость).
Обе величины связаны уравнением υ = η / ρ, где ρ - плотность среды, υ - кинетическая вязкость, а η - динамическая вязкость.
Методы определения вязкости жидкости
Вискозиметрия - это измерение вязкости. На современном этапе развития науки найти значение вязкости жидкости практическим путем можно четырьмя способами:
1. Капиллярный метод. Для его проведения необходимо иметь два сосуда, соединенных стеклянным каналом небольшого диаметра известной длины. Также нужно знать значения давления в одном сосуде и в другом. Жидкость помещается в стеклянный канал, и за определенный промежуток времени она перетекает из одной колбы в другую.
Дальнейшие подсчеты производятся с помощью формулы Пуазейля для нахождения значения коэффициента вязкости жидкости.
На практике жидкие среды могут представлять собой раскаленные до 200-300 градусов смеси. Обычная стеклянная трубка в таких условиях просто бы деформировалась или даже лопнула, что недопустимо. Современные капиллярные вискозиметры собраны из качественного и стойкого материала, который легко переживает такие нагрузки.
2. Медицинский метод по Гессе. Чтобы рассчитать вязкость жидкости таким способом, необходимо иметь не одну, а две идентичные капиллярные установки. В одну из них помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а в другую - исследуемую жидкость. Далее измеряют два значения времени и составляют пропорцию, по которой выходят на нужное число.
3. Ротационный метод. Для его проведения необходимо иметь конструкцию из двух соосных цилиндров. Это значит, что один из них должен быть внутри другого. В промежуток между ними заливают жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру. Эта угловая скорость также сообщается жидкости. Разница в силе момента позволяет вычислить вязкость среды.
4. Определение вязкости жидкости методом Стокса. Для проведения этого опыта необходимо иметь вискозиметр Гепплера, который представляет собой цилиндр, заполненный жидкостью. Перед началом эксперимента делают две пометки на цилиндре и измеряют длину между ними. Затем берут шарик определенного радиуса R и опускают его в жидкую среду. Чтобы определить скорость его падения, находят время передвижения объекта от одной метки до другой. Зная скорость движения шарика, можно вычислить вязкость жидкости.
Практическое применение вискозиметрам
Определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности. При работе с многофазными, дисперсными средами важно знать их физические свойства, особенно внутреннее трение. Современные вискозиметры сделаны из прочных материалов, при их производстве задействуются передовые технологии. Все это в совокупности позволяет работать с высокой температурой и давлением без вреда для самого оборудования.
Вязкость жидкости играет большую роль в промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, например, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси.
Какую роль играет вязкость в медицинском оборудовании?
Поступление газовой смеси через эндотрахеальную трубку зависит от внутреннего трения этого газа. Изменение значений вязкости среды здесь по-разному отражается на проникновении воздуха через аппарат и зависит от состава газовой смеси.
Введение лекарственных препаратов, вакцин через шприц тоже является ярким примером действия вязкости среды. Речь идет о перепадах давления на конце иголки при впрыскивании жидкости, хотя изначально полагали, что этим физическим явлением можно пренебречь. Возникновение высокого давления на наконечнике - это результат действия внутреннего трения.
Заключение
Вязкость среды - это одна из физических величин, которая имеет большое практическое применение. В лаборатории, промышленности, медицине - во всех этих сферах понятие внутреннего трения фигурирует очень часто. Работа простейшего лабораторного оборудования может зависеть от степени вязкости среды, которая используется для исследований. Даже перерабатывающая промышленность не обходится без знаний в области физики.
Изменение вязкости и всего комплекса вязкоупругих свойств в процессе синтеза полимера проявляется естественным следствием роста макромолекулярных цепей и увеличения их содержания в реакционной массе. Другими словами, в процессе образования полимера изменяются два основных фактора, определяющих реологические свойства полимерных растворов – молекулярная масса полимера М и его концентрация С в растворе. Однако характер изменения М и С во времени (или как функции степени превращения α , оцениваемой по содержанию мономера), существенно зависит от кинетической схемы процесса образования полимера.
Рассмотрим несколько простейших модельных случаев, в первом приближении отвечающих основным механизмам реакций образования полимеров.
1. Пусть полимеризация протекает по радикальному механизму. При этом на довольнозначительной начальной части процесса сохраняется постоянной начальная средняя степень полимеризации , а выход полимера линейно возрастает во времени. В терминах определяющих параметров это означает, что , а полимеризация состоит в линейном увеличении концентрации во времени, причём концентрация полимера пропорциональна степени превращения:
где А- константа, связанная с особенностями (температурой, концентрацией инициатора и т.п.) конкретной реакции.
Поскольку образующийся полимер имеет молекулярную массу больше критической, зависимость вязкости от должна описываться закономерностями, обычными для концентрационной зависимости вязкости полимеров, а именно: в области низких концентраций должно иметь место линейное соотношение переходящее по мере повышения концентрации в зависимость экспоненциального типа, а затем в степенную зависимость η ~α b , типичную для умеренно концентрированных растворов полимеров. Поскольку α ~t, рост вязкости во времени должен подчиняться аналогичному выражению: η ~t b , где константа пропорциональности связана как с величиной А, так и с коэффициентом, входящим в зависимость η (α).
Из этого рассмотрения хорошо видно, что для расчёта изменения вязкости во времени необходимо независимое измерение двух зависимостей: во-первых, функции α (t), определяемой кинетикой полимеризации, и во-вторых, функции η (α), которая связана с механизмом реакции. Это общее положение относится к любой кинетической схеме.
2. Рассмотрим кинетическую схему, связанную с ионной полимеризацией.
Пусть в рассматриваемом модельном случае рост цепи осуществляется на некотором числе активных центров, концентрация которых [Ац] остаётся неизменной по ходу реакции, и обрыва цепи не происходит. Степень превращения определяется по концентрации функциональных групп, а процесс полимеризации состоит в наращивании цепи на активных центрах. Тогда в некоторый момент времени средняя молекулярная масса образующегося полимера пропорциональна отношению: М ~ (). Концентрация полимера в реакционной среде определяется степенью превращения и равна: С=α. Таким образом, в отличие от предыдущего случая в процессе полимеризации изменяется как молекулярная масса, так и содержание полимера в растворе. Для такой схемы вязкость может быть выражена следующим образом:
η~ α b () a . (1)
Во многих реальных процессах происходят значительные тепловыделения вследствие экзотермичности реакции полимеризации и инженерная схема осуществления полимеризации такова, что неизотермическим характером процесса пренебречь нельзя. Это относится к проведению процесса в стационарной форме или реакторе большого объёма. С учётом этого обстоятельства соотношение следует дополнить фактором, отражающим температурную зависимость вязкости. Тогда:
η=Кα b () a exp () (2)
здесь: К- постоянная,
Е- энергия активации вязкого течения,
Т- абсолютная температура,
R- универсальная газовая постоянная
Формула (2) даёт решение вопроса о зависимости η (α), которая может быть представлена в форме:
Неизотермичностью реакции полимеризации можно пренебречь при рассмотрении зависимости η (α) в первом приближении. Это, однако, не означает, что неизотермические эффекты вообще не играют роли. Напротив, они очень сильно проявляются при рассмотрении зависимости α (t) ,т.е. подъём температуры заметно влияет на темп изменения вязкости, прежде всего, вследствие того, что с ростом температуры увеличивается скорость образования полимера, и этот эффект выражен значительно сильнее, чем собственно снижение вязкости с ростом температуры.
Пусть в простейшем случае кинетика полимеризации описывается уравнением первого порядка по α. Тогда для неизотермической реакции:
(3)
Где К 0 - константа; U-энергия активации реакции полимеризации.
При анализе этого уравнения целесообразно исключить температуру и получить соотношение, в которое входит одна переменная α. Это возможно, если принять , характеризующий эффект ускорения, обусловленный экзотермичностью реакции и К 0 = 
- начальная скорость реакции при Т=Т 0 .
Согласно предложенным преобразованиям уравнение (3) будет иметь вид:
(4)
Решение данного уравнения с учётом граничного условия , при t=0 может быть найдено в аналитической форме:
(5)
Эта формула даёт зависимость , которая вместе с формулой (1) для решает поставленную задачу, позволяя найти характер изменения вязкости при полимеризации, протекающей по принятой кинетической схеме.
Определённые упрощения, полезные для анализа процесса, могут быть сделаны для малых значений параметра . В этом случае формула (5) упростится до линейной зависимости:
что позволяет записать выражение для в простом виде:
, (7)
При ионной полимеризации, по крайней мере, в некоторых случаях ~ . Тогда:
(8),
Где -константа, объединяющая ранее введённые постоянные.
Эта формула позволяет дать некоторые полезные оценки, касающиеся влияния начальной температуры Т 0 и концентрации активных центров на ход изменения вязкости. Роль концентрации видна из формулы (8): при фиксированной продолжительности процесса ~ , где b- показатель степени в формуле для концентрационной зависимости вязкости. Поэтому на начальной стадии полимеризации ~ , так как b , но затем b очень резко возрастает до величин порядка 5-7 для гибкоцепных полимеров или даже больше для полимеров с повышенной жёсткостью цепи. То есть, влияние концентрации активных центров выражено относительно слабо в начале процесса, но резко возрастает по мере его дальнейшего протекания.
3. Рассмотрим кинетическую схему механизма поликонденсации.
В этом случае в процесс наращивания цепи вовлекаются все молекулы. Поэтому при степени превращения средняя степень полимеризации составляет
Концентрация же полимера в реакционном растворе при поликонденсации постоянна и равна . Это означает, что при поликонденсации изменение вязкости происходит существенно иным образом, чем в рассмотренных выше процессах радикальной и ионной полимеризации.
