Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf

в том числе для структурированных систем [138] и для опреде­ ления влажности продуктов [30].

Способ измерения вязкости падающим шариком в широкой трубке, реализующий закон Стокса, успешно применяется .для определения вязкости бесструктурных или слабоструктуриро­ ванных жидкостей [14, 71, 110, 128].

Полная вязкость движущейся жидкости складывается из ламинарной (ньютоновской), турбулентной и объемной вязкости [67, 95, 124].

Ньютоновская вязкость проявляется как сила (напряжение) сопро­ тивления при относительном касательном смещении слоев жидкости. При достаточно больших скоростях течения, когда происходит интен­ сивное перемешивание отдельных элементарных струек жидкости, про­ является турбулентная вязкость [98]. Она может быть больше обычной и изменяться при переходе от одной точки потока к другой пропорцио­ нально скоростям пульсаций струек.

Объемная вязкость проявляется при сжатии системы, ее можно интер­ претировать как силу (напряжение) сопротивления при относительном объемном сжатии слоев жидкости.

В гидравлических, физико-химических и других расчетах использу­ ется ламинарная вязкость; объемная и турбулентная вязкости практически не исследованы. Одно из непременных условий измерения первой — отсу­ тствие каких-либо турбулентных возмущений жидкости в приборе. По исследованиям Г. И. Фукса [125], турбулентность в капилляре наступает при низких значениях критерия Рейнольдса, который при измерениях на воде должен быть ниже 150—200. Критерий Рейнольдса, характеризую­ щий соотношение в потоке кинетической энергии и работы сил вязкого

При предварительной оценке пригодности прибора длитель­ ность истечения жидкости, а если он тарируется на воде, то воды, не должна быть меньше 30 с.

На рис. 9 приведена диаграмма Г. Барра [14] для опреде­ ления полной относительной ошибки измерения в связи с раз­ мерами капилляра. Она построена для оптимальной длины капилляра 0,1 м и среднего напора, т. е. разности высот жидко­ сти в двух резервуарах 0,05 м. Если средний напор удваивается, т. е. равен длине капилляра, то линии переносятся параллель­ но вверх на 0,15 единицы шкалы по оси ординат. Для пользо­ вания графиком определяют ожидаемые диапазоны изменения вязкости и плотности, находят логарифм их отношения; точка пересечения горизонтали с линией выбранной ошибки дает на оси абсцисс максимально допустимый диаметр капилляра для этих условий. Область левее наклонной линии имеет.меньшие,

43

а правее — большие ошибки, чем указано на самой линии. Графики применимы также для определения пригодности имею­

метр. Воспользовавшись объемно-весовым способом, при известной длине капилляра можно вычислить его диаметр по объему ртути. Для относительных приборов возможные погрешности такого рода автоматически учитыва­ ются при тарировке.

Методика измерения и подготовка эксперимента для исследования вязкости жидкостей подобны для большинства приборов.

Рис. 10. Стенды для измерения вязкости:

44

Измерительный стенд (рис. 10, а) состоит из вискозиметра, помещен­ ного в открытый или герметичный сосуд, и ультратермостата.

Термостатирование исследуемой жидкости в приборе занимает 10— 30 мин. При кратковременном термостатировании температурные ошибки дают существенные отклонения вязкости от истинных ее значений. При измерениях вискозиметрами Уббелоде и ВК-4 необходимо с одной стороны капилляра создавать давление или вакуум. Для этого используют

началом измерения давление во всех емкостях должно быть выравнено. Использование избыточного давления при течении жидкости по капилля­ ру создает возможность турбулизации потока, поэтому проверку на ламинарность по критерию Рейнольдса следует провести особо тщательно.

Общим в методике работы на всех приборах будет компоновка стенда и строгая горизонтальная или вертикальная установка прибора; запол­ нение сухого, тщательно промытого прибора исследуемой жидкостью и ее термостатирование при выбранной температуре; измерение времени истечения определенного объема жидкости (времени падения шарика), которое обусловлено вязкостью и разностью высот или гидростатичес­ ких давлений. Перед рабочими измерениями приборы тарируют на эталон­

иметь в виду, что геометрические измерения необходимо проводить с чрезвычайно высокой точностью. Если диаметр капилляра 0,001 м (1 мм), измерен с точностью до 0,0001 м (0,1 мм), то относительная ошибка при измерениях может достигать 40%. Поэтому предпочтительнее капил­ лярные вискозиметры тарировать на эталонной жидкости.

45

Вискозиметр Оствальда обычно используют как относитель­ ный прибор. На полную тарировочную диаграмму наносят экспериментально полученные время истечения и вязкость-qa воды. В расчетную формулу вязкости

входят плотность воды рв и исследуемой жидкости р, которую определяют параллельно с вискозиметрическими измерениями.

Вискозиметр Убеллоде можно использовать как относитель­ ный и абсолютный. В первом случае он тарируется на эталон­ ной жидкости; во втором в соответствии с уравнением Пуазейля определяются константы. Для вычисления вязкости исполь­ зуют формулу

графики строят для результатов измерений исследуемой жид­ кости. Существенное значение имеют графики р- = f(p), кото­ рые для каждой температуры в области действия закона Пуазейля дают горизонтальные линии. Когда начинается турбулизация и закон Пуазейля перестает объективно отражать процесс, линии загибаются вверх. Если жидкость обладает аномалией вязкости, то прямые могут иметь частичное искрив­ ление или не выходить из начала координат, отсекая на оси абсцисс отрезок, пропорциональный предельному напряжению

где обозначения приведены в формулах (I—56) и (I—57).

По графикам в консистентных переменных вязкость опреде­ ляется по уравнению Ньютона. При наличии аномалии вязко­

46

сти можно определить кажущиеся или действительные значе­ ния предельного напряжения сдвига как отрезка, отсекаемого реологической кривой на оси абсцисс.

Для «степенных жидкостей» индекс течения определяется аналогично описанному выше [см. формулы (I—24), (I—25), (I—26)]. По индексу течения на основе теории Метцнера и Рида можно определить истинный градиент скорости на стенке ка­ пилляра (трубы):

Горизонтальный вискозиметр ВК-4 предназначен для изме­ рения вязкости крови, имеет две калиброванные трубки. Каж­ дая трубка состоит из двух широких капилляров с миллимет­ ровой шкалой, которые служат резервуарами для жидкости. Между ними помещен узкий измерительный капилляр. Для термостатирования исследуемой жидкости обе трубки помещают в широкую стеклянную трубу, закрытую с торцов пробками, через которые выходят трубки. Преимущества такой конструк­ ции: малое количество жидкости; небольшая продолжительность термостатирования; отсутствие поправок на изменение гидро­ статического давления и объема; устойчивый ламинарный ре­ жим в широком диапазоне давлений; сравнительно большая длительность истечения жидкости. Так же, как у вискозиметра Уббелоде, измерения можно проводить при прямом и обратном движении жидкости в капилляре. Это очень существенно для белковых структурированных жидкостей (кровь, бульон и др.), так как позволяет избежать разрушений структурных связей при холостом ходе.

Вискозиметр Гепплера— относительный прибор, чрезвы­ чайно точно протарированный для измерения вязкости в диапа­ зоне 3 • 10-4 до 60 Па -с. Паспортная ошибка измерения не пре­ восходит 0,5% для прецизионной (лабораторной) модели. При­ бор не применим для систем, имеющих предельное напряжение

47