Вязкость жидкости

При подборе насосов мы задаем нашим клиентам ряд вопросов:

1. Какую именно жидкость вы перекачиваете?
2. Её температура?
3. Плотность?
4. Вязкость?

И если первые три пункта чаще всего не вызывают затруднений при ответе, то про вязкость нечасто услышишь конкретные цифры, например 100 сантипуаз или 235 сантистокс.
Обычно ответы в стиле:

• как сметанка,
• вроде жидкого мёда,
• как масло машинное в Якутии,
• я посмотрел в интернете похожее, думаю, что у меня глицерин вязкостью 10000 Ст.

И это нормально, потому что не все покупатели имеют под рукой вискозиметры или технологов,
паспорта на жидкости, или реальную таблицу зависимости вязкости перекачиваемой жидкости от температуры.

Что такое вязкость жидкости простыми словами

Вязкость (кинематическая или динамическая) — это свойство жидкости (или газа) оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) её частиц. Все жидкости обладают вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при смещении прилегающих друг к другу слоёв этой жидкости. Вследствие тормозящего влияния стенок/стенки, слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки.

Рис. 1. Пример перемещения слоёв жидкости при неподвижной нижней стенке.

Свойство, обратное вязкости (1/μ) – текучесть.

Динамическая вязкость жидкости

Динамическая вязкость – это свойства реальных жидкостей (в науке есть ещё понятие идеальной жидкости, это теоретическая упрощённая субстанция, придумана для облегчения решения задач гидромеханики) оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Проявляется при движении жидкости. Динамическую вязкость (η) ещё называют абсолютной.

Физический смысл динамического коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равен касательному напряжению, возникающему между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга со скоростью, равной единице, при расстоянии между этими слоями, равном единице длины.
Размерность динамического коэффициента вязкости η в системе СИ есть Па*с:
1 Па*с = 1 кг*с/м2, чаще пользуемся мПа -1/1000 Па.
В системе СГС динамический коэффициент вязкости измеряется в Пуазах (по имени французского ученого Пуазейля)
1 Пуаз = 0,1 кг*с/м2.
Обычно пользуются в сто раз меньшей единицей - сантипуазом, которой соответствует динамическая вязкость воды при +20,5°С.

Кинематическая вязкость жидкости

Наряду с динамическим коэффициентом вязкости, широко применяется кинематический коэффициент вязкости ν, представляющий собой отношение первого к плотности ρ жидкости или газа:
ν= η/ρ.
Согласно системе СИ, обозначение кинематического коэффициента вязкости ν есть м2/с.
В системе СГС кинематический коэффициент вязкости измеряется в Стоксах (1 Ст = 1 см2/с = 10-4 м2/с) или в сантистоксах (1 сСт = 10-2 (0,01) Ст).

Ниже в таблицах приведены значения коэффициентов вязкости трансформаторного масла, воды и воздуха при различных температурах. Из данных таблиц следует, что с ростом температуры коэффициенты вязкости жидкостей уменьшаются, а газов увеличиваются.

Вязкость довольно сильно зависит от температуры жидкости. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.

Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания под воздействием силы тяжести определённого объёма жидкости через калиброванное отверстие.
Как уже упоминалось выше, измерение кинематической и динамической вязкости возможно благодаря специализированным приборам – вискозиметрам, различным по принципу действия: ротационным, капиллярным, вибрационным, пузырьковым, с падающим шариком. Их существует много типов и разновидностей - Брукфилда, Стокса, по чашкам Форда, но нам это сейчас не столь первостепенно необходимо, и полученного общего понимания достаточно, чтобы двигаться дальше.


Рис. 2 Различные вискозиметры.

В практическо-бытовом понимании каждый знает, что есть разница, как течёт из половника бульон, кисель или мёд.
И, при подборе оборудования для перекачивания жидкости, в связи с этим возникает некая вариативность,
так как невозможно качать мёд насосами для воды, а битум - шестерёнными насосами без рубашки обогрева.

Часто бывает так, что при использовании различных типов вискозиметров для измерения вязкости, возникает необходимость перевода одних единиц измерения в другие, или в единицы измерения Метрической Системы.
Таблицы конверсии различных величин измерения вязкости и примерной вязкости всем знакомых жидкостей приведены ниже.

Таблица соответствия различных единиц измерения вязкости жидкости

Таблица вязкости ряда распространенных жидкостей

Принципы действия насосов под различные виды жидкости

Ампика – фирма насосная, поэтому нам вязкость интересна прежде всего с точки зрения правильного выбора принципа действия насосов под различные жидкости. Упрощая, подбор насосов, исходя из критерия вязкости, осуществляется по примерно такой градации:

Невязкие жидкости, 0-50 сСт

– Вода, ДТ, бензин – подходящие типы насосов: центробежные, вихревые, шиберные, многосекционные.

Жидкости с невысокой вязкостью, 50-300 сСт

– Масла – шиберные, шестерённые, винтовые.

Средней вязкости, 300-3000 сСт

- Мазут, лак – шиберные, шестерённые, винтовые, перистальтические, мембранные, ламинарные.

Высокой вязкости, до 70000 сСт

- Смазки, шпаклевки, пасты - винтовые, мембранные, шестерённые.

Видео 1. Образцы жидкостей с вязкостью 1/50/100/500/1000/5000/10000/50000/100000 CP.

При подборе насосов для вязких жидкостей очень важна информация о том, как жидкость будет попадать в насос:
самотёком, или необходимо всасывание, если да, то с какой глубины, по трубе какого диаметра?

Довольно часто бывает ситуация, когда создаваемое насосом разряжение недостаточно для того, чтобы жидкость попала в насос (т.к. жидкость поддавливается во всасывающий трубопровод атмосферным давлением, которое на поверхности планеты Земля составляет всего 1 атм.). На практике разряжения больше чем 0,3…0,5 атм на входе в насос для вязких жидкостей получить не удаётся (из-за особенностей конструкций таких насосов) + есть ещё сопротивление перекачиванию самой жидкости = жидкость может просто не потечь по всасывающей трубе и насос будет молотить впустую.

Рис. 3 Схема поступления жидкости в насос самотеком

При перекачке вязких жидкостей следует устанавливать насос как можно ближе к ёмкости и, по возможности, ставить насос ниже уровня жидкости, чтобы она попадала в насос самотёком.
Обязательно нужно рассчитывать достаточный диаметр трубы на входе и выходе насоса, учитывать количество задвижек, клапанов и поворотов трубопровода. Всё это сильно влияет на сопротивление перекачиванию. Нельзя просто выбрать насос без привязки к гидравлической системе, т.к. в противном случае он может просто не качать, или не выдавать требуемые параметры.

В ряде случаев помогает уменьшение длины всасывающего шланга и увеличение его диаметра.
Либо можно использовать полупогружной насос, который не всасывает жидкость, а сразу толкает её (внизу заборной трубы находится насосная часть, погружённая в жидкость, а двигатель находится выше её уровня).
Но достаточно часто это не помогает, и жидкость отказывается затекать даже в погружной насос. Тогда нужно устраивать поддавливание жидкости (например, создавать наддув в закрытой ёмкости или использовать систему с прижимным диском).

Рис. 4 Схема поступления жидкости в насос с наддувом/доп. нагнетанием

Существуют установки с прижимным диском (иногда его называют следящей плитой) двух видов:
1) когда диск опускается под действием атмосферного давления (а оно теоретически равно 1 кг/см2, хотя по факту несколько меньше).
Например, диск диаметром 600 мм (60 см), теоретически будет поджимать жидкость с таким давлением:
π*D2/4 (площадь диска) = 3,14*3600/4=2826 см2. То есть 2826 кг/см2 (~2,8 тонны).
2) когда диск механически прижимается с помощью пневморамы (или электроприводом).

Рис. 5 Система подачи вязких жидкостей с прижимным диском (прижим атмосферным давлением

Система подачи вязких жидкостей с прижимным диском (прижим атмосферным давлением).

Порой жидкость при рабочей температуре настолько высоковязкая, что для её перемещения проще либо использовать
механический способ (лопатой), или же нагревать её до приемлемого уровня вязкости.
Нельзя не учитывать возможность застывания (кристаллизации) жидкости в насосе, особенно это касается битумных насосов. Именно поэтому такие насосы снабжаются рубашкой обогрева (нагрев проточной части паром, горячим маслом или электричеством).
Также важно на какое расстояние/высоту и по какой трубе/шлангу требуется переместить жидкость. Очень большую важность приобретает подбор оборотов двигателя, ведь для высоковязких жидкостей с большой инерцией сдвига требуются двигатели с меньшим числом оборотов/минуту, нежели для жидкостей невязких.

Видео 2.

И это мы ещё не учитываем градацию жидкостей по типу – ньютоновская/неньютоновская. Если кратко,
вязкость ньютоновских жидкостей – константа при конкретной температуре, вязкость неньютоновских зависит от скорости и направления сдвига. Ярким примером таких являются, например, томатные пасты/кетчупы – у них вязкость уменьшается от приложенной силы сдвига, или крахмало-водяная смесь – у неё вязкость возрастает от приложенной силы, практически до состояния твёрдого вещества.
Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 1011—1012 Па·с.

Рис. 6 График зависимости напряжения/скорости сдвига для ньютовскихи неньютоновских жидкостей.

Советы экспертов компании Ампика

Подведём итог. Подбирая оборудование самостоятельно, старайтесь учесть все нюансы происходящего тех. процесса. Подробности очень важны. Если есть сомнения, лучше опишите вашу задачу нам.
Мы уточним всё, что нужно, и подберём насосы, которые реально будут работать. У нас есть для этого и опыт, и возможности расчёта и подбора самого подходящего насосного оборудования.