Дисковый ротационный вискозиметр

,Я 01562771 51)5 С 01 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ РИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ Н АВТОРСКОМУ С ЗОБРЕТЕНИДЕ"ГЕЛЬСТВ У ВВЙ(57) Изотельной ретениехникя опрестик зовано д характер изобрете ределени тик текуч идетельство СССР01 Б 11/14, 1982.етельство СССР01 Н 11/14,983Р ей(71) Одесский ттут холодильной(56) АвторскоеУ 1043524, кл.Авторское свФ 1158900, кл. АЦИОННЫЙ ВИСКОЗИе относится к измерии может быть испольделения реологических екучих сред, Цель повыщение точности опгических характерисды и сокращение времеодсоединение внутренне1562771 го диска 3 к упругому элементу 5 позволяет повысить точность и сократитьвремя измерений за счет синхронногоизмерения внутренним 3 и внешним 2дисками интегральных характеристикобмена импульсом текучей среды собтекаемыми потоком поверхности приИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения реологических характеристик текучих сред в технологических процессах химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промьппленностей а также при вы полнении научно-исследовательских работ по изучению обмена импульсом при ламинарном и турбулентном обтекании исследуемой средой. вращающегося диска, также может найти применение и в других областях науки и техники, . где возпикает необходимость измерять реологические свойства различных теку." чих сред.Цель изобретения - повышение точности определения реологических харак-, теристик текучих сред и сокращение вра мени проведения измерений путем синхронного измерения интегральных характеристик обмена импульсом при ламинарном и турбулентном режимах течения.На Фиг.1,дан вискозиметр, общий35 вид на Фиг.2 - схемч подсоединения к ведущему валу собранных в блок упругих элементов тензометров внутреннего и внешнего дисков, защитного кожуха, а также подсоединение дисков к тензометрам; на Фиг.3 - разрез .А-А на фиг,2; на Фиг.4 - разрез Б-Б на Фиг.2; на Фиг,5 - разрез В-.В на фиг.2; на Фиг.б - узелна Фиг,2, на Фиг.7 - вид Г на Фиг.б на фиг.8 - схема конструктивного выполнения дис" кового ротационного вискозиметра, в котором к запптному кожуху крепятпромежуточную шайбу, установленную между дисками вискозиметра; на фиг.9 узел ТТ на Фиг,8; на фиг.О - соеди- нитепьная муфта между вепущим валом и приводным двигателем; на фиг.11то же, вид сверху.55Дисковый ротационный вискозиметр (Фиг,1) содержит приводчой двигатель 1, два рабочих элемента - внешний диск 2 и внутренний диск 3, которые ламинарном и турбулентном режимах их обтекания. Снабжение защитного кожуха 11 промежуточной шайбой, расположенной между внешним 2 и внутренним 3 дисками, позволяет исклочить влилние переходного режима обтекания.4 з.п. Ф-лы, 11 ил. подсоединены к внешнему упругому элементу 4 и внутреннему упругому элементу 5. Деформация упругих элементов 4и 5 торсионных динамометров .регистрируется измерительным каналом, состоящим из токосъемного устройства б иприбора 7 для измерения деформации,которая предварительно преобразовывается в электрический сигнал с помощьютензорезисторов (не показаны), наклеенных на упругие элементы 4 и 5. Токосъемное устройство б подсоединено кприводному двигателю 1 с помощью муф-ты 8, которая снабжена штыревым разъемом (не показан) для подсоединениякабельного ввода вискозиметра (не показан) к токосъемному устройству б.Упругие элементы 4 и 5 подсоединенык ведущему валу 9, который смонтирован в опорно"упорных подшипниках повышенной точности (не показаны), размещенных в корпусе подшипников 10. Ведущий вал подсоединен к приводномудвигателю 1 с помощью соединительноймуфты (не показана) . Взаимное соосноеположение приводного двигателя 1 икорпуса подшипников 10 обеспечивается, например установочными штифтами(не показаны). Упругие элементы 4 и 5помещены в защитный кожух 11, которыйохватывает внешний диск 2 по нерабочейторцовой поверхности 12 и ободу 13Рабочая измерительная поверхность внеш"него диска 2 расположена в одной плоскости с торцом 15 защитного кожуха11. Защитный кожух 11 и внешний диск2 установлены с радиальным зазором бпо величине равным не более третьейчасти толщины пограничного слоя исследуемой среды на рабочей поверхности 14 внешнего диска 2 у обода 13. Квнутреннему упругому элементу 5 кре. - .пят внутренний диск 3 таким образом,что его рабочая (измерительная) поверхность 16 внутреннего диска 3 находится в одной плоскости с рабочейповерхностью 14 внешнего диска 2, а5 1562771 6 радиальный зазор Д 2 между дисками 2 торой установлен эластичный уплотнии 3 выдерживают по : величине равным тельный элемент 3, контактирующий не более третьей части толщины погра- с защитным кожухом 11. Для обеспеничного слоя исспедуемой среды иа чения сборки внутренний диск 3 снабрабочей поверхности 16 у обода в ут-жен фасонным пазом 38 над отвертку,5реннего диска 3, Иежду нерабочей по- Для искюдочения влияния на результаты верхностью 17 внутреннего диска 3 и измерений Ьасонный паз 38 после сбор- внешним диском 2, а также, между не- ки вискозиметра заделывают заподлирабочей поверхностью 12 внешнего цис- О цо шнатлевкой, нерастворимой в исслека 2 и защитным кожухом 1 выдержква- дуемой среде. На хвостовике коничесют зазоры дЗ и й 4, равные соответ- кого участка 34 внутреннего упругого ствеино зазорам ,й 1 и й 2. Ширину тор- элемента 5 с помощью резьбового соеца защитного кожуха 15 выдерживают динения 39 закреплена трубчатая тяга в 3-5 раз превышающей толщину погра 24, .а также выполнены лыски 40 под ничного слоя на большем радиусе внеш- ключ (фиг.З), которые используют при него диска 2. Рабочие элементы виско- сборке в блок упругих элементов 4 и зиметра - диски 2 и 3, охватываемые 5 по резьбовому соединению 22 (фиг,2) защитным кожухом 11, погружают в ис- Дня предотвращения самоотвинчивания следуемую среду 18. . 20 внешнего упругого элемента 4 в утолНа фиг.2 показан вариант конструк- щенном пояске 21.введен винт устано- тивного выполнения дискового ротацион вочный 4 (фиг.4), который также позного вискоэиметра, в котором внешний воляет при сборке в блок упругих элеи внутренний диски 2 и 3 крепят к соб- ментов 4 и 5 выдерживать их определенранным в блок внешнему и внутреннему 25 ное взаимное положение, На утолщенупругим элементам 4 и 5 с помощью .вых поясках 21 и 23 упругих элеменрезьбовых соединений 19 и 20. Внешний тов 4 и 5. выполнены наклонные сверле- упругий элемент 4 имеет утолщенный ния (на фиг.2 показаны частично) поясок 21 и резьбу 22, с помощью кото- направленные соответственно к продольрой он закреплен на утолщенном пояске 30 ным четырем пазам 42 и четырем пазам .23 внутреннего упругого элемента 5. 43 (фиг,5). На утолщенном пояске 21 Собранные в блок упругие элементы . .внешнего упругого элемента 4 выполне А и 5 крепят с помощью трубчатой т-ны лыски 44 под ключ (фиг,5), котоги к ведущему валу 9 по конической рые облегчают сборку в блок упругих посадке 25. Для обеспечения соосности элементов 4 и 5 (фиг.2). Наклонные35съемных элементов вискозиметра их сач- отверстия иа.утолщенньж поясках 21 ленение производят по посадочным по- и 23 (фиг.2), а также пазы 42 и 43 верхностям и закрепляют с помощью резь- (фиг.5) используют для разводки кабовых соединений. Например, кожух 11 бельного ввода 31 к тензорезисторам устанавливают на ведущем валу 9 по ци 32, наклееным на упругие элементы линдрической посадочной поверхности 4 и 5 торсионных динамометров.26 и эакренлявт с помощью резьбы 27Внешний диск 2 при сборке вискозиДпя установки рабочих поверхностей метра монтируют на внешнем упругом .14 и 16 дисков 2 и 3 в одной плоскос- элементе 4 с помощью прорезей 45, ти с торцом 15 защитного кожуха 11 ис куда вводится оправка, либо с помощью пользуют прокладки 28 - 30. Кабельный. отверстий 46, в которые устанавливаввод 31 к тензорезисторам 32, накле- ется специальный ключ (фнг.6 и 7),енным на упругие элементы 4 и 5 (на Для облегчения внутреннего диска 3 фиг.2)терзорезисторы на внешнем ун- выполняется выборка 4 (фиг.б). На ругом элементе 4 не показаны ), проло фиг.8 показан вариант конструктивножен через трубчатую тягу 24 и отверс- го вь;полнения дискового ротационного тие 33 в коническом участке 34 внут- вискозиметра, в котором между ьнешреннего упругого элемента 5. Кабель- ним диском 2 и внутреннчм диском 3 ньй ввод 31 загерметизирован в сквоз- установлена промежуточная шайба 48, ном осевом отверстии 33, например с 55 Иежду промежуточной шайбой 48 и диска- помощью эпоксидной смолы. На цилиндри- ми 2 и 3 выдерживают радиальные зазоческом пояске 35 конического участка ры Ь 5 и д 6, по величине равные не 34 внутреннего упругого элемента 5 более третьей части толщины пограннчвыполнена кольцевая канавка 36,. в ко- ного слоя исследуемой среды на изме 1562771рительных поверхностях 16 и 14 дисков 2 и 3 в местах расположения зазоров Л 5 и .Д 6, Внешнюю поверхность 49промежуточной шайбы 48 устанавливаютв одной плоскости с рабочими проверхностями 14 и, 16 дисков 2 и 3 с по"мощью резьбовых втулок 50 и прокладок 51 (фиг.9).Промежуточную шайбу 48 крепят кзащитному кожуху 11 с помощью винтов52 и 53, устанавливаемых в отверстия54 и 55 в защитном кожухе 11 и промежуточной шайбе 48 не менее чем в трехравномерно расположенных по окружности точках, Для предотвращения протекания исследуемой среды в зазоремежду стулкой 50 и внешним диском 2устанавливают сальниковое уплотнение56, состоящее из набора тонколистовых 20прокладок 57, промежуточньгл колец 58,шайбы 59 и прижимной гайки 60, имеющей шлицевую прорезь 61 под отвертку.Набор тонколистовых прокладок 57 ипромежуточных колец 58 изготавливаютиз фторопласта, После завершения сборки вискозиметра шлицевую прорезь 62винта 53 заделывают шпатлевкой, нерастворимой в исследуемой жидкости,заподлицо с внешней поверхностью 49 ЗОпромежуточной шайбы 48,Трубчатая тяга 24 (фиг,2) проходитчерез сквозное отверстие 63, выполненное по оси ведущего вала 9, и закреплена в ведущем вале 9 с помощью центрирующей шайбы 64 и прижимной гайки65 (фиг.10). Для предотвращения самоотвинчивания гайки 65 используют стопорную шайбу 66, например шайбу пружинную . На ведущем валу 9 посажена 40полумуфта 67, которая закреплена навалу 9 с помощью шпонки.68 и винтаустановочного 69, Пальцы 70, установленные на полумуфте 67, снабжены втулками 71, выполненными из эластичного .45материала, например резины и входят вотверстия 72 ответной полумуфты 73,которую крепят на валу 74 приводногодвигателя 1 (фиг,1) с помощью шпонки75 и винта установочного 76 (фиг,10). 50Полумуфта приводного двигателя 73выполнена в виде скобы, что позволяет с помощью рожкового ключа отвинчивать гайку 65.и освобождать трубчатуютягу 24 с блоком упругих элементов 4и 5 торсионных динамометров без демонтажа приводного двигателя 1 (фиг,1) с .полумуфтой 73 (фиг.10), корпуса подшипников 10 и ведущего вала 9 с защитным кожухом 11 (фиг.1), Полумуфты 67 и 73 образуют соединительную муфту, с помощью которой приводится во вращение от двигателя 1 ведущий вал 9 (фиг.1)Полумуфту 73, выполненную в виде скобы, изготавляют, например, путем симметричного срезания двух диаметрально противоположных сегмен" тов на круглой полумуфте, имевшей на периферии кольцевой бурт, в результате чего на полумуфте 73 образуются уступы 77 (фиг.10), Полумуфты 67 и 73 собирают таким образом, чтобы между гайкой 65 и полумуфтой 73 выдерживался зазор д 7 не более половины высоты гайки 65, а конец трубчатой. тяги 24 свободно входил в отверстие 78, выполненное по оси вала 74 приводного двигателя 1 (фиг,1), Отверстие 78 переходит в сквозное сверление 79 (фиг.10), по которому прокладывают кабельный ввод 31 через приводной двигатель 1 (фиг.1) к штыревому разъему (непоказан), установленного на полумуфте 8.При сборке дискового ротационного вискозиметра через отверстие 33 (фиг,2), выполненное по оси конического участка 34 внутреннего упругого элемента 5, заводят четыре многожильных тонких провода диаметром примерно 1 мм во фторопластовой изоляции, которые затем прокладывают через наклонные отверстия, выполненные в утолщенном пояске 23, и пазы 43 (фиг.5) к тензорезисторам 32, наклеенным на внутреннем упругом элементе 5. После подпайки проводов к тензометрическому мосту, составленному из тензорезисторов 32, их укрепления и изолирования мест пайки на утолщенном пояске 23 внутреннего упругого элемента 5 по резьбовому соединению 22 закрепляют внешний упругий элемент 4, устанавливая его в заданное положение относительно внутреннего упругого элемента 5 с помощью винта установочного 41 до совпадения сквоз" щх наклонных отверстий, выполненных в утолщенных поясках 23 и 21 (фиг.2) Через отверстие 33 прокладывают вто-. рой комплект из четырех проводов, которые через наклонные отверстия в утолщенных поясках 23 и 21 и пазы 42 (фиг.5) подводят к тензорезисторам 32, наклеенным на внешний упругий элемент 4 (фиг.2), подпаивают их ктензоетричесому мосту, укрепляют и1промежуточной шайбой 48, позволяет проводить синхронное измерение интегральных характеристик обмена импульсом на внешнем диске 2 при турбулентном обтекании (без наличия переходной зоны и частичного ламинарного обтекания в центральной области) и на внутреннем диске 3 при ламинарном обтекании,Возникновение неустойчивости ламннарного течения ньютоновской жидкости на вращающемся диске (начало пе. реходного режима ) происходит на радиусе, в котором местное значение числа Рейнольдса составляет 21 0 , а переходной режим сменяется турбулентным при значении числа Рейнольдса 3 1 О. При таких же значениях обобщенного числа Рейнольдса происходит смена режимов течения при обтекании вращающегосядиска реологически сложной текучейсредой, подчиняющейся степенному реоло"гическому закону с индексом теченияи = 0,7-1,0. При отклонении реологиньютоновских все труднее реализовать, турбулентный режим течения вследсгвие повышения консистентности среды и необходимого для турбулиэации пото ка уровня интенсивности механического воздействия, С увеличением интенсивности механического воздействияна реологически сложную текучую среду вследствие разрушения структур,ответственных за проявление реологических свойств, ее реологическая мо".дель вырождается в наиболее простую -ньютоновскую . Для такого предельногореологического состояния определеноотношение большего и меньшего радиусов промежуточной шайбы, при кото-,ром область существования переходного режима течения в рабочем диапазоне частоты вращения ведущего валаограничена поверхностью промежуточной шайбы. Значения локального числа 45 Рейнольдса при максимальной рабочей должно превышать 21 О на меньшем радиусе шайбы, а при минимальной рабочей частоте, должно превышать значение 3 1 О ка большем радиусе шайГбы: 2К = ---- С 2 10К 1 дмакс(1) 9 1562771 Оизолируют места пайки. Восемь проводов затягивают в тонкую изоляционнуютрубку (кембрик), образуя кабельныйввод 31, которые герметизируют в отверстии 33 (фиг.2), например эпоьсид 5ной смолой. Собранные таким образом вблок упругие элементы 4 и 5 с помощьютрубчатой тяги 24 закрепляют в ведущем валу 9. 1 ОВискозиметр работает следующим образом,От приводного двигателя 1 (фиг.1)через ведущий вал 9 приводятся по вращение защитный кожух 11 и через внешний и внутренний упругие элементы 4и 5 соответственно внешний и внутренний диски 2 и 3, Частота вращения 1защитного кожуха 11 и дисков 2 и 3одинакова. Осуществляется обтекание 20исследуемой средой 18 защитного кожуха 12, рабочих поверхностей 16 и14 дисков 3 и 2. В радиальных и осевых зазорах й - Л 4 между защитнымкожухом 1, диском 3 и диском 2 течение жидкости отсутствует, поэтому -ческих свойств текучей среды отобмен импульсами между дисками 2,3и исследуемой средой осуществляетсятолько по рабочим поверхностям 14и 16. ЗОРадиус внутреннего диска 3 выбираюттаким образом, .чтобы при работевискозиметра в исследуемом диапазонепараметров пристеночного течения,например напряжения сдвига на диске,скорости сдвига, задаваемых частотойвращения ведущего вала, на диске 3не возникапо турбулентное обтекание,Вискозиметр позволяет проводить синхронное измерение интегральных харак-. 4 Отеристик обмена импульсом при ламинарном режиме обтекания на внутреннем диске 3 и турбулентном на внешнем диске 2. При работе вискоэиметра.на внешнем диске 2 может присутствовать переходная зона и ламинарное об-.текание вблизи зазора Л 2 (фиг.1 и 2)Снабжение защитного кожуха 11 промежуточной шайбой 48 (Фиг.87 позволя- частоте вращения ведущего вала неет расширить исследуемый диапазон 50параметров пристеночного течения. Режим работы вискозиметра задают такимобразом, чтобы переходная зона невыходила эа пределы .торцовой поверхности 45 промежуточной шайбы 48. и перемещалась от большего радиуса шайбы к меньшему при увеличении частоты2вращения ведущего вала 9. Дисковый . К Кз к 3(2)ротационный вискозиметр, снабженный3Радиус внутреннего диска К) не должен превышать значения, удовлет Воряющего неравенству (1), Больший радиус внешнего диска выбирают исходя из конструктивных соображенииа также в соответствии с помощью при- Эодного двигателя. Радиальные заза ры между промежуточной шайбой и дис ками внешним диском и защитным кожу.юм составляют не более третьей части толщины пограничного слоя на рариусах соответствующих зазоров, Ширина торца защитного кожуха по радиусу в. 3-5 раз превышает толщину пограничного слоя на большем радиусе внешнего диска. Толщину пограничного слоя нью- тоновской жидкости на вращающемся диске соответственно при ламинарном и турбулентном режимах течения вычисляют по формулам: Ве =гдерадиус, и; радиус диска, и" кинематический ко вязкости м /с, фициент) ив Для нь ол ских текучих с го слоя при зн а Рейнольдса, Рейнрльдса ньевышает толщи )численную по тонов нично о числ ченияхравныхтоновс" щина погобобщеннзначениям ой жидкичного сти, пр)оя, вь ну пс 1 11 156277 где К, и К - местные числа Рейнольд)7 3са на внутреннем и внешнем радиусах промежуточ"ной шайбы, М;В: и К Э - внутренний и внешнийрадиусы промежуточнойшайбы, м;сд; максимальная и минию, мальная частоты вращения ведущего вала врабочем диапазоне значений, с-,1) - кинематический коэффициент вязкости, м/с, 15Минимальное значение отношения Внешнего радиуса промежуточной шайбы 1 внутреннему радиусу определяют из соотношения, удовлетворяющего (1) и (2), 20метва Например, для дискового ротационного вискозиметра с рабочим диапазоном частоты в)ащения ведущего валаЫ= 30-300 с- при кинематическом коэффициенте вязкости среды= 10 м /с1и в соответствии с условием д - Р(1)- 3-(6) и конструктивными соображениямиразмеры рабочего элемента имеют следующие значения Фиг.8 ; радиус внутреннего диска Я,= 25 мм, больший радиус промежуточной шайбы Кз = 1 00 мм,больший радиус внешнего диска Р.200 мм, наружный радиус защитногокожуха К 7 = 220 мм, радиальные зазорымежду промежуточной шайбой и внутренним и внешним дисками соответственнод 5 = 0,06 мм и 46 = 0,90 мм, радиальный зазор между внешним диском и защитным кожухом Л 1 = 1,5 мм,Осевые зазоры между рабочими элементами по торцовым поверхностям .ВЗи Д 4 йиг.8 составляют О, 06 и 1, 5 мм,При определении реологических характеристик текучей среды обтеканиерабочих поверхностей внутреннего ивнешнего дисков происходит беэ отрывапограничного слоя, причем рабочая поверхность внутреннего диска обтекается только ламинарным потоком, а внешнего диска при наличии промежуточнойшайбы - только турбулентнь 1 м, Если промежуточная шайба отсутствует, то область переходного режима обтекания, существует на меньпкх радиусах внешнего диска, что снижает точность опре.деления реологических характеристик.Влияние отрыва пограничного слоя накромке защитного кожуха, образован-ной.его торцовой поверхностью,и ободом, не распространяется за пределыторцовой поверхности кожуха и несказывается на величине реактивногокрутящего момента внешнего диска.В. зазорах между дисками, промежуточной шайбой и защитным кожухом отсутствует течение исследуемой среды, Из"меряемые моменты сопротивления трения внутреннего и внешнего дисков яв.-.ляются результатом обмена импульсамитекучей среды только с рабочими поверхностями дисков, обтекание которых соответствует решению теоретической задачи об обтекании бесконечного диска. По регистрируеьп). величинам крутящих моментов, частоты вращения дисков, термодинамическим парам текучей среды и геометричесК 3 г 41 ювр К2 и 2. Вискозиметр. по п.1, о. т л.и -ч а ю щ и й с я тем, что защитный4кожух снабжен промежуточной шайбой, .расположенной соосно между дисками иустановленной внешней торцовой поверх" 13 156 ким размерам рабочих элементов рассчитываются реологические характерис-; тики текучей среды. Формула изобретения 1. Дисковый ротационный вискозиметр, включающнй приводной. двигатель, ведущий вал с подсоединенными соосно защитным кожухом и охватываемых им внутренним диском и внешним диском, кольцевая рабочая поверхность которого лежит в одной плоскости с рабочей поверхностью внутреннего диска и торцом защитного кожуха, причем радиальные зазоры между дисками и между защитным кожухом и внешним диском не превьппают третьей части толщины пограничного слоя соответственно на меньшем и большем радиусах: рабочей поверхности внешнего диска, при этом внешний диск подсоединен к ведущему, валу через упругий элемент торсионно го динамометра, о т л и ч а ю щ и й: с я тем, что, с целью повышения"точ" ности определения реологических характеристик текучей среды и сокращения времени проведения измерений путем синхронного измерения при ламинарном и турбулентном режимах тече.- ния, внутренний диск подсоединен к ведущему валу также через упругий элемент торсионного динамоиетра, рас- положенный соосно внутри упругого : элементаторсионного динамометра внешнего диска. 2771 14Ностью в одной плоскости с рабочимиповерхностями дисков, причем радиальные зазоры между шайбой и дискамисоставляют не более третьей части 5толщины пограничного слоя соответственно на меньшем и большем радиусахпромежуточной шайбы.3. Бнскозиметр по п,1, о т л и "ч а ю щ и й с я тем, что ширина торца защитного кожуха по радиусу в 35 раз превышает толщину пограничногослоя на большем радиусе внешнегодиска,4. Бискозиметр по п.2, о т л и -.ч а ю щ и й с я тем, что промежуточная шайба укреплена к защитному кожуху по окружности с помощью винтови реэьбовых втулок, проходящих сквозь 20 внешний диск, а в радиальном зазоремежду резьбовой втулкой и внешнимдиском установлено эластичное уплотнение в виде набора тонколистовыхшайб из Фторопласта, контактирующих с 25 резьбовой втулкой, и промежуточныхшайб.5. Вискозиметр по п, 2, о т л и -,ч а ю щ и й с я тем, что отношениебольшего радиуса внешней торцовой по-.30 верхности промежуточной шайбы к меньшему выполнено по формуле 35 где К и К - больший и меньший радиусы внешней торцовой поверхности промежуточнойшайбы;бдикс - максимальная и минимальы мин ная частоты вращенияведущего вала в рабочемдиапазоне.