Spis treści

Lepkość – definicje i jednostki

Lepkość to właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Same pojęcia „lepkość” i „opór” nie są sobie równoważne. Lepkość definiowana jest dla laminarnego modelu przepływu, który opisuje w sposób uproszczony przepływ zachodzący przy małych prędkościach w postaci warstw nie ulegających mieszaniu. Lepkość charakteryzuje zdolność do przekazywania pędu pomiędzy sąsiadującymi warstwami płynu poruszającymi się z różnymi prędkościami. Zjawisko to zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy warstw naprężeń ścinających. Różnice w prędkościach warstw są opisywane przez tzw. szybkość ścinania.

Wyróżnia się dwie podstawowe miary lepkości:

1. Lepkość dynamiczna: η=t/(dg/dt),

gdzie: t - naprężenia ścinające, dg/dt – szybkość ścinania, g – prędkość warstwy płynu.

Jednostką lepkości dynamicznej jest [kg/(m•s)] (w układzie SI) lub [cP]=[g/(m•s)] tzw. centypoise (w układzie CGS).

2. Lepkość kinematyczna: η_k=(η/p),

gdzie: p - gęstość płynu.

Jednostką lepkości kinematycznej jest [m²/s] (układ SI) lub [cSt]=[mm²/s] tzw. centystokes (w układzie CGS).
W przypadku przepływu laminarnego, posługując się prawem Newtona, można obliczyć siłę oporu lepkiego występującego przy ruchu w ośrodku lepkim ciał o różnym kształcie oraz szybkość przepływu płynu. Przykładowo, przy przepływie przez rurkę o obwodzie kołowym, płyn nieściśliwy najszybciej płynie środkiem, najwolniej w pobliżu ścianek, natomiast profil prędkości przepływu jest paraboliczny, co zobrazowano na rys. 7.
W przypadku przepływów nielaminarnych, zwanych także turbulentnymi, model teoretyczny jest znacznie bardziej złożony i wymaga wprowadzania innych miar np. lepkości turbulentnej.

Lepkość względna

W celu porównania własności różnych płynów wykorzystywane jest pojęcie lepkości względnej lub lepkości umownej, która jest liczbą bezwymiarową liczoną według określonej zależności. Może być to np. stosunek lepkości dynamicznych cieczy badanej i cieczy wzorcowej h_wzgl=h_c / h_w, gdzie: h_c - lepkość dynamiczna cieczy w temperaturze t_c w [Pa•s], h_w - lepkość dynamiczna cieczy wzorcowej (zazwyczaj wody) w temperaturze t_w w [Pa•s].

Lepkość względną wyraża się w jednostkach umownych, które stanowią stosunek czasu wypływu badanej cieczy do czasu wypływu cieczy wzorcowej lub określają czas wypływu badanej cieczy ze znormalizowanego aparatu. Pomiar odbywa się w ściśle znormalizowanych warunkach. W większości krajów europejskich, lepkość względną określa się za pomocą stopni Englera (^oE). Jest to stosunek czasu wypływu 200cm³ badanej cieczy w danej temperaturze do czasu wypływu tej samej ilości wody destylowanej w temperaturze 20^oC przez znormalizowaną kapilarę aparatu Englera.

W Wielkiej Brytanii i USA określa się lepkość względną za pomocą sekund Redwooda. Jest to czas wypływu 50cm³ badanej cieczy mierzony w sekundach. W zależności od rodzaju lepkościomierza Redwooda, rozróżnia się dwa rodzaje sekund Redwooda: sekundy Redwooda handlowe i sekundy Redwooda Admirality. We Francji stosowane są stopnie Barbe (^oB), które określają ile cm³ cieczy wypłynie w ciągu godziny z lepkościomierza Barbego.

W USA lepkość wyraża się za pomocą sekund Saybolta. Jest to czas wypływu 60cm³ badanej cieczy z lepkościomierza Saybolta. W zależności od rodzaju lepkościomierza rozróżnia się dwa rodzaje sekund Saybolta: Saybolt Uniwersal Seconds i Saybolt Furol Seckilka barier, których pokonanie stanowi istotny czynnik potrzebny aby prowadzić dalsze badania nad tym tematem.

Po pierwsze Zastosowanie urządzeń mierzących lepkość w istniejącej instalacji, nawet jeśli wydaje się rozwiązaniem stosunkowo tanim, nie jest proste. Montowanie i demontaż wiskozymetrów w instalacji, gdzie istnieją wyjątkowo gwałtowne strumienie wymaga rozważenia wielu istotnych zagadnień związanych choćby z bezpieczeństwem.

Instalację wiskozymetru rozpoczyna się od wyboru miejsca pobierania płynu do analizy. Ważne jest aby próbka była jednorodna podczas całego cyklu wyznaczania lepkości. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie przewodów obejściowych (bypass) strumienia, co powoduje że tylko jego mała część skierowana jest do toru pomiarowego lepkości. Istotne parametry, takie jak tempo przepływu, ciśnienie i temperatura, powinny być stałe i kontrolowane przez cały czas trwania pomiaru.

Zautomatyzowana ekstrakcja próbki do analizy przemysłowej powinna naśladować ręczną ekstrakcję stosowaną w analizie laboratoryjnej. Ponadto powinno się wykorzystywać jeden punkt do pobierana próbki zarówno do analizy przemysłowej i analizy laboratoryjnej. Minimalizuje to różnice pomiędzy tymi elementami. Ruch tego elementu może powodować wypieranie płynu, co charakteryzuje np. urządzenie pomiarowe z elementem w kształcie widełek.

W takim przypadku układ pomiarowy jest wrażliwy na zmiany przepływu lub zmiany gęstości mierzonego płynu. Może to być zarówno wadą jak i zaletą. Poprzez monitorowanie zmian częstotliwości rezonansowej wraz ze zmianami gęstości, można określić gęstość a co za tym idzie lepkość kinematyczną. W przypadku gdy sposób wibracji nie powoduje wypierania płynu, wiskozymetr charakteryzuje się odpornością na zmiany przepływu i gęstości.

Wiskozymetry wibracyjne można też podzielić ze względu na dwa algorytmy wyznaczania lepkości. W przypadku metody amplitudowej siła wibracji maleje wraz ze wzrostem lepkości, co może być wykorzystane dwojako. W najprostszym przypadku następuje pomiar zmiany amplitudy przy częstotliwości rezonansowej. Bardziej złożone urządzenia zwiększają energię dostarczaną do rezonatora w celu utrzymania stałej amplitudy. W tym przypadku lepkość jest funkcją energii dostarczanej do układu pomiarowego.

W metodzie pomiaru pasma przenoszenia wykorzystywany jest fakt wzrostu pasma oscylującego układu przy wzroście lepkości badanego płynu. Urządzenia wyznaczające lepkość na podstawie pasma przenoszenia działają mierząc zmiany częstotliwości oscylacji w układzie. Bardziej złożone algorytmy pomiarowe uwzględniają podczas pomiaru występujące zjawiska związane z przepływem, nieliniowości odpowiedzi układu oraz analizują wpływ zmian temperatury na gęstość badanego płynu.

Spis treści