Показатели вязкости

Одной из наиболее характерных особенностей жидкостей является способность изменять свою форму, под действием внешних сил. Это свой­ство жидкости объясняется скольжением ее молекул, надмолекулярных структур или, в общем, элементов течения относительно друг друга. Одна и та же сила создает в разных жидкостях разные скорости пе­ремещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковые расстояния.

Обычно вязкостью или внутренним трением называют свойство жидкости сопро­тивляться взаимному перемещению ее частиц, вызываемому действием приложенной к жидкости силы. Приложенная сила может вызывать появление в жидкости различного вида напряжений как касательных, так и нормальных. Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел и ряда других нефтепродуктов

Связь касательных напряжений, возникающих при сдвиге, с вязкостью жидкости была установлена Ньютоном:

где t- напряжение сдвига; dv/dR- градиент скорости по радиусу трубы или относительное изменение скорости по направлению, перпендикулярному к направлению течения, т.е. приращением скорости на единицу длины нормали; h — коэффициент (касательное усилие на единицу площади, приложенное к слоям жидкости, отстоящим друг от друга на расстоянии, равном единице длины, при единичной разности скоростей между ними).

Поскольку способность элементов течения к скольжению не бесконечно велика, Ньютон рассматривал вязкость как «недостаток скольжения».

Внутреннее трение, характеризуемое величиной h, немецкий ученый М. Якоб в 1928 году предложил называть динамической вязкостью. В технической литературе за h утвердилось наименование абсолютной вязкости, так как эта величина выражается в абсолютных единицах. Однако в абсолютных единицах, можно выражать также и единицы кинематической и удельной вязкости.

Впервые же динамическая вязкость была выведена врачом Пуазейлем в 1842 г. при изучении процессов циркуляции крови в кровеносных сосудах. Пуазейль применил для своих опытов очень узкие капилляры (диаметром 0,03-0,14 мм), т.е. он имел дело с потоком жидкости, движение которого было прямолинейно послойным (ламинарным). Исследователи же, работавшие до Пуазейля, изучали закономерности истечения жидкости в более широких капиллярах, т.е. имели дело с возникающим турбулентным (вихревым) истечением жидкости. Проведя серию опытов с капиллярами, соединенными с шарообразным резервуаром, через которые под действием сжатого воздуха пропускался некоторый объем жидкости, определенный отметками, сделанными сверху и снизу резервуара, Пуазейль пришел к следующим выводам: 1) количество жидкости, вытекающее в единицу времени, пропорционально давлению при условии, что длина трубки превышает некоторый минимум, возрастающий с увеличением радиуса. 2) количество жидкости, вытекающее в единицу времени, обратно пропорционально длине трубки и прямо пропорционально четвертой степени радиуса. Формула Пуазейля в современной редакции выглядит следующим образом:

где h- коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость);

Р – давление, при котором происходило истечение жидкости;

t- время истечения жидкости в объёме V,

L– длина капилляра;

r– радиус капилляра.

Единицей динамической вязкости является сила, необходимая для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с, между двумя параллель­ными слоями жидкости площадью 1 м², находящимися друг от друга на расстояний 1м, т.е. единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является

Н ×с/м² или Па ×с.

Единица динамической вязкости, выраженная в физической системе измерения СГС, в честь Пуазейля называется Пуазом, т.е. за единицу динамической вязкости принимают сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев площадью 1 см², отстоящих друг от друга на 1 см, под влиянием внешней силы в 1 дн при скорости перемещения в 1см/ 1с. Динамическую вязкость при определенной температуре t обозначают h_t.

Приближенное совпадение численного значения динамической вязкости воды при 20°С с 1 сантиПуазом (сП) дало повод Бингаму предложить построить систему единиц - вязкости, в которой исходной единицей является динамическая вязкость воды при 20°С, принимаемая по Бингаму за 1 сП (точнее h₂₀ воды равна 1,0087 сП). Таким образом, для большинства практических измерений с достаточной точностью можно считать, что h₂₀ воды соответствует 1 сП. Это достаточно удобно для практической вискозиметрии, где большое значение имеют жидкости с постоянными физико-химическими константами, имеющие точно известную вязкость при данной температуре.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название текучести и обозначается знаком T.

При технических расчетах, а также при контроле качества нефтей и нефтепродуктов широкое распространение получил коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре

В физической системе единиц широкое применение имеет единица кинематической вязкости в см²/с (Стокc - Ст.) и мм²/с (сантиСтокс - сСт). Таким образом, 1 Cm представляет собой вязкость жидкости, плотность которой равна 1 г /1 мл и сила сопротивления которой взаимному перемеще­нию двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см один от другого и перемещающихся один относительно другого со скоростью 1 см/с, равна 1 дн.

Жидкости, подчиняющиеся линейному закону течения Ньютона, называются ньютоновским. Онипредставляют собой индивидуальные вещества либо молекулярно - дисперсные смеси или растворы, внутреннее трение (вязкость) которых при данных температуре и давлении является постоянным физическим свойством. Вязкость не зависит от условий определения и скорости перемещения частиц (течения), если не создается условий для турбулентного движения.

Однако для дисперсных систем внутреннее трение значительно изменяется при различных условиях потока, в частности при изменении скорости течения. Аномальное внутреннее трение коллоидных систем принято называть структурной вязкостью. В этом случае частицами, которые перемещаются относительно друг друга в потоке, являются достаточно крупные образования, способные дробиться и деформироваться при увеличении скорости или изменении условий потока, в результате чего измеряемое внутреннее трение уменьшается (либо, наоборот, увеличивается). Большинство жидких нефтепродуктов не выявляет признаков структурной вязкости в широком температурном интервале. Хотя они и представляют собой относительно сложные, ас­социированные жидкости, они не обладают коллоидной структурой, признаки которой обнаруживаются для жидких нефтепродуктов лишь при низких температурах, приближающихся к температурам потери текучести.

В зависимости от температуры, при которой происходит перекачка, одна и та же жидкость может быть и ньютоновской в области высоких температур и неньютоновской в области низких температур. Неньютоновские жидкости могут быть разделены н а пластичные, псевдопластнчные и дилатантные.

В пластических жидкостях наряду с вязкостью проявляются так же пластические свойства, заключающиеся в наличии некоторого предельного напряжения сдвига t₀, после достижения, которого только и возникает «текучесть» среды. Поведение пластических жидкостей объясняется наличием в них пространственной структуры, достаточно прочной, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему t₀. Если напряжение превышает t₀, то структура полностью разрушается и жидкость выдает себя как обычная ньютоновская, при напряжении, равном (t=t₀ ). Течение пластичных жидкостей подчиняется уравнению Шведова – Бингама

Это уравнение после почленного деления на dv/dR можно представить в виде

h₀=h+h₀

где h₀ - эффективная или кажущаяся вязкость; h- истинная вязкость; h₀- структурная составляющая эффективной вязкости.

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают начального напряжения сдвига и для жидкостей справедлива независимость вида

где k и n — постоянные величины для данной жидкости. Характерным для псевдопластичных жидкостей является то, что n всегда меньше единицы.

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластическими тем, что в них тоже нет начального напряжения сдвига. Течение этих жидкостей также подчиняется степенному закону, но показатель n превышает единицу.

У многих жидкостей зависимость между напряжением и градиентом скорости изменяется во времени и поэтому не может быть выражена простыми формулами.

Жидкости, обладающие свойством изотермического самопроизвольного увеличения прочности структуры во времени и восстановления структуры после ее разрушения, называются тиксотропными (напр., парафинистые нефти).

Вязкость нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, увеличиваясь с ее понижением. Для выражения зависимости вязкости от температуры предложено много различных формул. Наибольшее применение для практических расчетов получила формула Рейнольдса – Филонова

,

где U - коэффициент крутизны вискограммы, 1/К;

v*,v - кинематическая вязкость при известной температуре Т_ж и при температуре Т;

е -основание натурального логарифма.

Для нахождения коэффициента крутизны вискограммы для данного продукта достаточно знать значения вязкостей при двух температурах Т₁и Т₂

Динамическая и кинематическая вязкости - это вполне определенные физические характеристики, которые, как и все другие величины, выражены в абсолютных единицах и могут быть подставлены в те или другие расчетные формулы. В случаях, когда вязкость применяется не как расчетная величина, а как практическая характеристика нефтепродукта, ее принято выражать не в абсолютных, а в относительных, или условных, единицах.

Подобный способ выражения вязкости часто неправильно объясняется тем, что определение динамической и кинематической вязкостей отличается сложностью, и удобнее на практике применять упрощённые технические приборы, дающие показания в условных единицах вязкости. Неудобство всех условных, или относительных, единиц вязкости заключается в том, что вязкость, выраженная в этих единицах, не представляет собой физической характеристики нефтепродукта, так как она зависит от способа определения, конструкции прибора и других условий. Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость.

В различных странах в зависимости от выбора стандартных аппаратов для определения условной вязкости приняты различные условные единицы вязкости. Для пересчета в абсолютные единицы существуют эмпирические формулы; однако все эти формулы носят лишь приближенный характер, а некоторые из них просто неточны. Поэтому, если необходимо определить вязкость нефтепродукта в абсолютных единицах, следует определять ее непосредственно и только в крайних случаях прибегать к пересчету. Условную вязкость выражают условными единицами: градусами или секундами. Эти единицы обычно представляют собой либо отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта при данной температуре ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре, либо просто время истечения определенного объема испытуемой жидкости.

Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость, показывающая, во сколько раз динамическая вязкость данной жидкости больше или меньше динамической вязкости воды при какой - то условно выбранной температуре. Таким образом, удельная вязкость представляет собой отвлеченное число.

Удельная вязкость получила применение для характеристики вязких нефтепродуктов. В России ее определяют сравнением времени вытекания 200 см³ воды при 20 ^оС и такого же объема нефтепродукта при заданной температуре. Условная вязкость выражается также в секундах Сейболта и секундах Редвуда (измеряется с помощью вискозиметров Сейболта и Редвуда).

Как сказано выше, вязкость характеризует свойство данной жидко­сти оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Такое сопротивление наблюдается как при движении жидкости относительно какого-либо тела, так и при движении какого-либо тела в жидкости. Оба эти случая дают принципиальную возможность измерения вязкости различными способами. Наиболее удобным способом измерения вязкости при движении жидкости относительно твердого тела является наблюдение над истечением исследуемых жидкостей из капиллярных трубок. Для расчета пользуются формулой Пуазейля.

Для расчета значений вязкости при движении каких-либо тел в жидкости может быть применен ряд формул, в которых учитываются характер движения и форма движущегося тела. Из этих формул наибольшее значение имеет приводимая ниже формула Стокса для расчета вязкости по скорости падения твердого шарика в жидкости. Способы измерения вязкости, основанные на истечении жидкости из капиллярных трубок, наиболее широко распространены. Напротив, способы, построенные на принципе движения твердого тела определенной формы в вязкой жидкости, применяются сравнительно редко вследствие того, что даже для тел простейшей формы соответствующие уравнения движения получаются очень сложными. Эти способы находят себе применение преимущественно в тех случаях, когда способы, основанные на втором принципе, т.е. на истечении жидкости из капилляров, практически неприменимы вследствие экспериментальных трудностей.

Вязкость нефти изменяется в широких пределах и зависит от ее со­става, количества растворенного газа, примесей, в некоторой степени, от давления, температуры, увеличиваясь с ее понижением.

Пересчет вязкости с одной температуры на другую связан с некото­рыми особенностями и на практике иногда сопровождается ошибками. В справочной литературе обычно приводятся сведения о вязкости нефтей при весьма ограниченных условиях и значениях температур. Чаще всего это температуры 20 и 50°С или 50 или 100°С. Нахождение коэффициента крутизны вискограммы позволяет определить вязкость только в интервале заданных температур. А вот интерполяция результатов вне заданных интервалов недопустима, особенно для высоковязких и парафинистых нефтей. С уменьшением температуры ошибка расчетов может составлять 200-300%, а в ряде случаев расчет может быть связан с абсурдным результатом, поскольку многие нефти теряют текучесть при достаточно высоких температурах - 20-25°С.

Вязкость нефти и нефтепродуктов в значительной степени влияет на фильтрационную способность их через различные уплотнительные конструкции используемого оборудования и резервуаров. Светлые нефтепродукты (бензины, лигроины и керосины) и легкие фракции нефтей с малой вязкостью при нормальных эксплуатационных условиях (температуре и давлении) обладают высокой степенью просачиваемости через большинство неметаллических строительных материалов. Светлые нефтепродукты просачиваются даже через сварные швы, не пропускающие воду и другие жидкости; на этом свойстве основано испытание сварных швов керосином. Темные нефтепродукты (котельное топливо, битумы и пр.), смазочные масла и тяжелые нефти, имея более высокую вязкость, обладают малой фильтрационной способностью; иногда высоковязкие нефтепродукты своими отложениями уничтожают пористость стенок резервуара, делая его непроницаемым. Часто ошибочно полагают, что только вязкость определяет фильтрационное свойство вещества. Например, керосины имеют большую вязкость, чем бензины, однако проницаемость керосина через поры металла больше, чем бензинов. Фильтрация зависит в значительной степени от поверхностного натяжения, электрических свойств жидкости, ее смачивающей способности и пр. Например, масло фильтруется через замшу, в то время как вода остается поверх ее. Следует отметить, что молекула воды больше молекулы масла; вязкость воды также меньше вязкости масла, тем не менее, проникновение масла больше воды. Сегодня все еще приходится констатировать недостаточную изученность природы явлений фильтрации нефтей и нефтепродуктов вообще, и влияние на нее вязкости, в частности.

От вязкости зависят мощности нагревательных устройств, эксплуатационный режим нефтепродуктопроводов, степень извлечения примесей и воды и т.д.

Вязкость нефтей и нефтепродуктов не является аддитивным свойством, поэтому ее нельзя вычислить как среднее арифметическое.

Отсутствие хорошо разработанной теории жидкого состояния препятствует развитию теоретических методов расчета вязкости жидкости. Поэтому в инженерных расчетах большое распространение получили различные ла­бораторные и эмпирические методы вычисления вязкости чистых веществ и их смесей.

В нефтяных лабораториях и исследовательской практике для определения вязкости используют специальные приборы - вискозиметры, различающиеся по принципу действия:

- капиллярные, в которых вязкость определяется по времени истечения через капилляры определенного объема жидкости под влиянием силы тяжести (вискозиметры типа ВПЖ и др.);

- вискозиметры, в которых измерение вязкости жидкости основано на установлении отношения времени истечения определенного объема исследуемой жидкости ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости (вискозиметры типа ВУ, Энглера и др.);

- вискозиметры, определяющие вязкость по скорости падения тела или по затуханию колебаний твердого тела в испытуемой жидкости (вискозиметры Гурвича, Гепплера и др.);

- ротационные вискозиметры, в которых исследуемое вещество помещают между двумя соосными цилиндрами, один из которы вращается (Реотест-2, РПМ-3 и др.). Здесь мера 7 t 0 – крутящий момент М (произведение силы, вызывающей вращение, на расстояние от точки её приложения до оси вращения), а мера 7 g 0 - угловая скорость вращения n; 7 h 0 = cM/n,где с-постоянный для данного прибора коэффициент.