專(zhuān)利名稱(chēng)：寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀。

背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)筒式流變儀中，假定測(cè)量空間(即轉(zhuǎn)子與容器壁之間)內(nèi)的流體為無(wú)粘性的理想流體，于是有動(dòng)量矩守恒定律，即 ru(r)＝c(1) 這里c為常數(shù)，u(r)為半徑r處的流體線(xiàn)速度。在半徑r處的流體剪切速率D為 其中ω(r)為半徑r處的流體旋轉(zhuǎn)角線(xiàn)速?？紤]轉(zhuǎn)子壁面與容器內(nèi)壁面的邊界條件(假定內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)) r＝Rc，ω＝0；(3) r＝Rb，ω＝ω0 其中Rb、Rc分別為內(nèi)、外筒半徑。經(jīng)推導(dǎo)可得在轉(zhuǎn)子壁面上(r＝Rb)的剪切速率為 可見(jiàn)，對(duì)一定的轉(zhuǎn)子與容器，只要給定轉(zhuǎn)速，即可得到剪切速率。公式(4)是常用的筒式轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)量與計(jì)算流體剪切速率的依據(jù)(Brookfield Engineering Laboratories，INCMore Solutions to Stick Problems.)。
依據(jù)上述原理，在流變儀測(cè)量空間內(nèi)流動(dòng)的流體應(yīng)是理想流體，因?yàn)楸硎緞?dòng)量矩守恒定律的公式(1)只對(duì)理想流體才成立。而理想流體是不存在粘性的流體，從無(wú)粘性流體出發(fā)導(dǎo)出的速度分布卻要作為粘度測(cè)量的依據(jù)，這顯然是相互矛盾的。但如果控制轉(zhuǎn)子與外筒間的間距，則(1)式可以近似使用。如圖1所示，由于實(shí)際流體粘性導(dǎo)致的能量耗損，流動(dòng)空間的實(shí)際流體切向速度u(r)要小于理想流體的切向速度，但當(dāng)外筒半徑向轉(zhuǎn)子半徑靠近即內(nèi)外筒間距縮小時(shí)，兩者的差距逐漸減小。如果轉(zhuǎn)子與容器壁的間距足夠小(如容器半徑從圖中的Rc減小到Rc′)，則實(shí)際流體的速度分布與理想流體很接近。這就是轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì)的內(nèi)外筒間距取得很小的緣故。
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒之間的狹窄空間對(duì)于均質(zhì)流體的粘性測(cè)量并無(wú)影響，但若用其測(cè)量易沉降的非均相流體，如顆粒較大的懸浮漿體，則有相當(dāng)困難。因?yàn)榻鉀Q測(cè)量過(guò)程中的顆粒沉降問(wèn)題，需要考慮流體的循環(huán)，此時(shí)狹窄的循環(huán)空間使實(shí)際操作幾乎難以進(jìn)行；此外，若測(cè)量經(jīng)絮凝處理后的懸浮液，則流動(dòng)空間的狹小還將對(duì)絮體產(chǎn)生與剪切無(wú)關(guān)的擠壓破碎作用，影響對(duì)流體實(shí)際流變特性的判斷。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決用轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)量易沉降懸浮液時(shí)流體循環(huán)空間寬度不足的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀。
本發(fā)明的原理與計(jì)算模型研究 為使流變儀測(cè)量空間在半徑方向得以加寬，本發(fā)明考慮使用實(shí)際旋轉(zhuǎn)流體的速度分布模型替代公式(1)，所用實(shí)際流體的速度模型如公式(5)所示 rnu(r)＝c (5) 其中的指數(shù)n一般在0.4～0.9之間，可取平均值n＝0.64。注意到u(r)＝rω(r)，從式(5)得角速度梯度 邊界條件仍如公式(3)。積分(6)，得 從(7)得常數(shù)c，代回(6)，得 再將式(8)代入(2)，得任意半徑處的剪切速率D′為 式(9)中剪切速率D′中的上標(biāo)“′”表示該剪切速率是在實(shí)際流體的速度分布模型(5)下導(dǎo)出的。在轉(zhuǎn)子壁面上，r＝Rb，剪切速率為 與式(4)相比，式(10)并未對(duì)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒的間距作任何要求。這就從理論上解決了轉(zhuǎn)筒式流變儀用于檢測(cè)非均質(zhì)流體流變性時(shí)所遭遇的內(nèi)外筒間距狹小的問(wèn)題，而且式(10)考慮的是實(shí)際流體，完全避免了公式(1)對(duì)流體的無(wú)粘性假設(shè)所可能帶來(lái)的誤差。
理想流體假設(shè)導(dǎo)致的誤差分析 將實(shí)際流體的轉(zhuǎn)子壁面剪切速率公式(10)與理想流體的相應(yīng)公式(4)在相同的內(nèi)外筒半徑下相比較，可得 由此可以對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀由于假設(shè)流體為無(wú)粘性流體而帶來(lái)的誤差進(jìn)行定量估計(jì)。
可以證明，在指數(shù)n的取值范圍內(nèi)以及Rb/Rc＜1的情況下，總有Dw/Dw′＞1。而在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速、被測(cè)流體性質(zhì)不變時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的應(yīng)力不變，于是測(cè)出的表觀粘度與實(shí)際表觀粘度之比為 即由傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)出的懸浮液表觀粘度要小于實(shí)際值。而這種誤差的大小與流變儀內(nèi)外筒的直徑之比有關(guān)。表1計(jì)算出不同Rb/Rc值下導(dǎo)致的表觀粘度誤差(取n＝0.64)，可見(jiàn)隨Rb/Rc的減小(即流變儀內(nèi)外筒間距的加大)，所引起的誤差顯著增大，但在內(nèi)外筒間距很小時(shí)，這種誤差可以忽略不計(jì)。
表1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)得表觀粘度的誤差(n＝0.64)
由式(11)和式(12)，也可以估計(jì)實(shí)際流體與理想流體的偏離程度對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)定結(jié)果的影響。實(shí)際流體偏離理想流體的程度可用n值予以表征。n＝1時(shí)為理想流體，n越小，流體越偏離理想流體，n＝-1時(shí)流體則以剛體的規(guī)律旋轉(zhuǎn)而完全失去流動(dòng)性。表2為不同n值下傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)量結(jié)果與實(shí)際流體模型值的偏差(取Rb/Rc＝0.8)。
表2傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)得表觀粘度的誤差(Rb/Rc＝0.8)
本發(fā)明的技術(shù)方案是寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀，為在測(cè)量易沉降懸浮液流變參數(shù)時(shí)有效實(shí)現(xiàn)流體的循環(huán)，該流變儀是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀基礎(chǔ)上，將內(nèi)外筒間距增大，該間距從理論上來(lái)說(shuō)沒(méi)有限制，實(shí)際上視操作需要而定，內(nèi)外筒間距增大到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒間距的3～10倍。
用實(shí)際流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型取代原來(lái)的理想流體模型，內(nèi)筒壁面上的剪切速率計(jì)算公式如下 本發(fā)明增大內(nèi)外筒的間距后，寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)量均質(zhì)流體的結(jié)果與傳統(tǒng)流變儀的測(cè)量結(jié)果相一致。
本發(fā)明的有益效果是在寬間距轉(zhuǎn)筒式流變儀中，用實(shí)際流體的流動(dòng)速度模型代替理想流體模型，導(dǎo)出的流變性測(cè)量公式不受內(nèi)外筒間距的限制，同時(shí)完全消除了理想流體模型帶來(lái)的誤差。



圖1是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀流動(dòng)空間的限制示意圖。
圖中I、理想流體，II、實(shí)際流體，縱坐標(biāo)為切向速度u(r)，橫坐標(biāo)為半徑r，Rb、Rc分別為內(nèi)、外筒半徑，Rc′為減小的外筒半徑。

具體實(shí)施例方式 為考察內(nèi)外筒間距的改變及計(jì)算模型的有效性，分別用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀及本發(fā)明寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀對(duì)濃度為60ppm、溫度為20℃的PAM高分子溶液的表觀粘度進(jìn)行了測(cè)定，其中，寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒間距是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒間距的3倍，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)兩者的結(jié)果極為接近，說(shuō)明加大內(nèi)外筒間距后，啟用針對(duì)實(shí)際流體的計(jì)算模型，對(duì)均質(zhì)溶液的流變性測(cè)定沒(méi)有影響。但這種內(nèi)外筒寬間距設(shè)計(jì)卻為流體循環(huán)提供了極大方便。
表3傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀和寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀對(duì)均質(zhì)溶液的流變性測(cè)定結(jié)果

權(quán)利要求
1.寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀，其特征在于，該流變儀是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀基礎(chǔ)上，將內(nèi)外筒間距增大，該間距從理論上來(lái)說(shuō)沒(méi)有限制，實(shí)際上視操作需要而定，內(nèi)外筒間距增大到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒間距的3～10倍。
2.權(quán)利要求1所述的寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀，其特征在于，該流變儀用實(shí)際流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型取代原來(lái)的理想流體模型，內(nèi)筒壁面上的剪切速率計(jì)算公式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀，其特征在于，該流變儀測(cè)量均質(zhì)流體的結(jié)果與傳統(tǒng)流變儀的測(cè)量結(jié)果相一致。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀。為在測(cè)量易沉降懸浮液流變參數(shù)時(shí)有效實(shí)現(xiàn)流體的循環(huán)，本發(fā)明在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀基礎(chǔ)上，將內(nèi)外筒間距增大，該間距從理論上來(lái)說(shuō)沒(méi)有限制，實(shí)際上視操作需要而定，內(nèi)外筒間距增大到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒式流變儀內(nèi)外筒間距的3～10倍。用實(shí)際流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型取代原來(lái)的理想流體模型，內(nèi)筒壁面上的剪切速率計(jì)算公式如下本發(fā)明增大內(nèi)外筒的間距后，寬測(cè)量空間轉(zhuǎn)筒式流變儀測(cè)量均質(zhì)流體的結(jié)果與傳統(tǒng)流變儀的測(cè)量結(jié)果相一致。本發(fā)明的有益效果是用實(shí)際流體的流動(dòng)速度模型代替理想流體模型，導(dǎo)出的流變性測(cè)量公式不受內(nèi)外筒間距的限制，同時(shí)完全消除了理想流體模型帶來(lái)的誤差。
文檔編號(hào)G01N11/14GK101793662SQ201010107278
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月6日
發(fā)明者徐繼潤(rùn), 丁仕強(qiáng), 徐俊杰 申請(qǐng)人:大連大學(xué)