PL212552B1 - Reometr wysokocisnieniowy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest reometr wysokociśnieniowy znajdujący zastosowanie w dziedzinie inżynierii chemicznej do pomiaru dynamicznej lepkości czynnika ciekłego w warunkach wysokiego ciśnienia powyżej 50 MPa.

Znane są z literatury książkowej pt. Reologia stosowana płynów, autorzy J. Ferguson, Z. Kembłowski, wyd. Marcus s.c., 1995 r., dwa warianty konstrukcyjne reometrów rotacyjnych zawierających dwa współosiowe cylindry obracające się względem siebie, pierwszy wariant z napędem na wałek przy nieruchomej tulei i obrotowym cylindrze pomiarowym oraz drugi z tuleją obrotową napędzaną zewnętrznie przy nieruchomym wałku i cylindrze pomiarowym. Całość jest umieszczona w tulei zewnętrznej wypełnionej badaną cieczą. Podstawowym problemem w budowie rotacyjnych reometrów wysokociśnieniowych jest wytworzenie wewnątrz komory ciśnieniowej momentu napędowego i pomiar momentu sił lepkich działających pomiędzy cylindrami pomiarowymi. Mierzony moment w opisanych reometrach rotacyjnych jest sumą momentu oporów łożyskowania i uszczelnienia wałka i momentu oporu lepkiego badanej cieczy, co powoduje, że pomiar obciążony jest błędem systematycznym.

Znana jest również, z amerykańskiej monografii naukowej pt. Nowy wysokociśnieniowy lepkościomierz z dużymi naprężeniami ścinającymi, autorzy S. Bair, W.O. Winer, opublikowanej w TriboIogy Transactions 36 USA, 1993 r. oraz amerykańskiej monografii naukowej pt. Praktyczny wysokociśnieniowy lepkościomierz do dokładnego pomiaru w zakresie wysokich ciśnień do 1 GPa, autor: S. Bair opublikowanej również w Tribologii Transactions 47, USA, 2004 r., konstrukcja reometru wysokociśnieniowego oparta na jednostronnym wprowadzeniu momentu obrotowego wałkiem napędowym ułożyskowanym osiowo w komorze wysokociśnieniowej. Pomiar momentu sił lepkich wewnątrz komory wysokociśnieniowej realizowany jest przy pomocy tensometrów mocowanych do elementów czynnych podlegających deformacji pod wpływem czynnika ciekłego w obszarze wysokiego ciśnienia. Czujniki odkształceń są połączone przy pomocy wysokociśnieniowych przepustów elektrycznych z zewnętrznym układem pomiaru momentu sił lepkich. Osiowe ułożyskowanie wewnętrzne wałka napędowego w opisanej konstrukcji reometru wytwarza duży moment tarcia, zwłaszcza w ośrodkach płynnych o dużej lepkości zmieniający mierzoną wartość momentu sił lepkich stanowiącego część momentu sił działających na komorę wysokociśnieniową. Ponadto zastosowanie tensometrów mocowanych najczęściej przylepnie do elementów czynnych podlegających mierzonej deformacji w warunkach wysokiego ciśnienia, nie zapewnia z uwagi na niską trwałość mocowania tensometrów niezawodności działania reometru oraz dokładności pomiaru momentu sił lepkich badanej cieczy.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji reometru wysokociśnieniowego dokonującego pomiaru momentu sił lepkich w warunkach ciśnienia powyżej 50 MPa1 zapewniającego wyeliminowanie wpływu sił tarcia wywołanych ułożyskowaniem i uszczelnieniem wałka napędowego na pomiar momentu sił lepkich czynnika ciekłego w komorze ciśnieniowej.

Istota wysokociśnieniowego reometru zawierającego komorę ciśnieniową w postaci nieruchomej tulei z koncentrycznie usytuowanym cylindrem pomiarowym, współpracującej z wałkiem napędowym, według wynalazku polega na tym, że usytuowany w osi poziomej komory wysokociśnieniowej wałek napędowy jest osadzony przelotowo i ułożyskowany obustronnie w tulejach zamocowanych w obustronnych zamknięciach dolnym i górnym tulei komory wysokociśnieniowej a w środkowej części wałka napędowego, korzystniej o zwiększonej średnicy osadzone są trwale, co najmniej dwa popychacze sprężyste, których przeciwległe końce są luźno osadzone w otworach pomiarowego cylindra o przekroju poprzecznym większym od przekroju poprzecznego końca popychacza, przy czym cylinder pomiarowy jest centrowany w osi poziomej przy pomocy pierścienia osadzonego w środkowej części wałka napędowego pomiędzy powierzchnią zewnętrzną cylindra pomiarowego a powierzchnią wewnętrzną tulei komory wysokociśnieniowej oraz pomiędzy powierzchnią wewnętrzną cylindra pomiarowego i powierzchnią zewnętrzną mocowanej w dwustronnych zamknięciach komory wysokociśnieniowej znajdują się szczeliny pomiarowe o szerokości od 5 μm do 10 μm wypełnione badanym czynnikiem ciekłym.

Luźne osadzenie końców sprężystych popychaczy w otworach cylindra pomiarowego o przekrojach poprzecznych większych od przekroju końców popychaczy w reometrze wysokociśnieniowym według wynalazku, zapewnia opóźnienie startu ruchu obrotowego cylindra pomiarowego w stosunku do momentu startu obrotów wałka napędowego względem nieruchomej tulei komory wysokociśnieniowej, dzięki czemu możliwe jest oddzielenie momentu sił lepkich stanowiącego część momentu działającego na komorę od momentu sił tarcia wywołanych łożyskowaniem i uszczelnieniem wałka

PL 212 552 B1 napędowego, co w zasadniczy sposób poprawia dokładność pomiaru lepkości dynamicznej badanej cieczy.

Wynalazek został uwidoczniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny wysokociśnieniowego reometru, fig. 2 jego przekrój poprzeczny a fig. 3 pomiarową charakterystykę roboczą reometru wysokociśnieniowego.

Reometr wysokociśnieniowy według wynalazku posiada komorę wysokociśnieniową 7 w postaci nieruchomej tulei współpracującej z usytuowanym wzdłuż osi poziomej O wałkiem napędowym 1 osadzonym przelotowo w zamknięciach dolnym i górnym komory ułożyskowanym w tulejach 5 i uszczelniony systemem uszczelek 6. Tuleje 5 są zamocowane trwale w obustronnych zamknięciach tulei komory wysokociśnieniowej 7. Na wałku napędowym 1 w środkowej jego części o zwiększonej w stosunku do jego końców średnicy są zamocowane przykładowo dwa sprężyste popychacze 2· Obok sprężystych popychaczy 2 w środkowej części wałka napędowego 1 jest osadzony pierścień 3 centrujący cylinder pomiarowy 4· Końce popychaczy 2 są według wynalazku osadzone luźno w otworach 10 ruchomego cylindra pomiarowego 4 o przekroju większym od przekroju poprzecznego końców sprężystych popychaczy 2. Pomiędzy powierzchnią zewnętrzną ruchomego cylindra pomiarowego 4 a powierzchnią wewnętrzną nieruchomej tulei komory wysokociśnieniowej 7 znajduje się pierwsza szczelina pomiarowa 11, a pomiędzy powierzchnią wewnętrzną ruchomego cylindra pomiarowego 4 a powierzchnią zewnętrzną tulei 5 osadzonych w obustronnych zamknięciach komory, znajduje się druga szczelina pomiarowa 12. Szerokość szczelin pomiarowych 11 i 12 zawiera się według wynalazku w przedziale 5 μm - 10 μm przykładowo 6 μm. W obustronnych zamknięciach komory wysokociśnieniowej 7 są osadzone śruby 9 których powierzchnie czołowe 8 usytuowane stykowo z powierzchnią ścian bocznych komory, wytwarzają obustronne luzy dla obrotu wałka napędowego 1, określające warunki ruchowe układu pomiarowego.

Według wynalazku metalowy cylinder pomiarowy 4 jest wprawiony w ruch, z opóźnieniem przez popychacze sprężyste 2 osadzone na wałku napędowym 1, których końce są osadzone luźno w odpowiednio większych otworach 10 cylindra pomiarowego 4. Różnice wymiarów otworów 10 i końców popychaczy 2 determinują wielkość czasu opóźnienia startu cylindra 4 w stosunku do początku ruchu wałka napędowego 1.

Działanie reometru wysokociśnieniowego według wynalazku jest następujące. Przez wlot 14 pod ciśnieniem, przykładowo 100 MPa, wprowadza się badaną ciecz, przykładowo olej rącznikowy, który wypełnia szczeliny pomiarowe 11 i 12 oraz szczelinę 13 nie mającą wpływu na przebieg pomiaru momentu sił lepkich. Zewnętrznym silnikiem krokowym, nie pokazanym na rysunku, uruchamiany jest obrót wałka napędowego 1 na zewnątrz którego, mierzony jest przenoszony przez wałek 1, moment skręcający. Wskutek obrotu wałka 1, po wyeliminowaniu luzów miedzy końcami popychaczy 2 w otworach 10 cylindra pomiarowego 4 uruchamiany jest obrót cylindra pomiarowego 4 i pojawiają się siły tarcia w szczelinach pomiarowych 11 i 12 które powodują zwiększenie zewnętrznego momentu obrotowego wałka 1 mierzonego miernikiem usytuowanym na elemencie pośredniczącym związanym sztywno z wałkiem obrotowym 1.

Według wynalazku, różnica mierzonego momentu sił lepkich przed i po uruchomieniu obrotów cylindra pomiarowego 4 stanowi wartość lepkości dynamicznej badanego oleju rącznikowego.

Reometr wysokociśnieniowy według wynalazku pozwala na dokładny pomiar lepkości dynamicznej bardzo lepkich środków płynnych jak smary silikonowe, elastomery oleje roślinne przy ciśnieniu powyżej 50 MPa i temperaturach w zakresie od -25°C do 100°C. Ponadto pozwala na zastosowanie w badaniach podstawowych dziedziny reologii określających właściwości reologiczne badanych płynów jak mechanizmy wzrostu lepkości, zależności naprężeń ścinających od szybkości ścinania w warunkach wysokich ciśnień powyżej 50 MPa.

Claims (1)

1. Reometr wysokociśnieniowy znajdujący zastosowanie w dziedzinie inżynierii chemicznej do pomiaru dynamicznej lepkości czynnika ciekłego w warunkach wysokiego ciśnienia powyżej 50 MPa zawierający ruchomy cylinder pomiarowy umieszczony koncentrycznie w nieruchomej tulei stanowiącej komorę wysokociśnieniową współpracującej z usytuowanym osiowo wałkiem napędowym, znamienny tym że, usytuowany w osi poziomej (O) komory wysokociśnieniowej wałek napędowy (1) jest osadzony przelotowo i ułożyskowany w tulejach (5) zamocowanych trwale w obustronnych za4

   PL 212 552 B1 mknięciach dolnym i górnym komory wysokociśnieniowej a w środkowej części wałka napędowego (1), korzystnej o zwiększonej średnicy osadzone są trwale co najmniej dwa sprężyste popychacze (2), których przeciwległe końce są luźno osadzone w otworach (10) cylindra pomiarowego (4) o przekroju poprzecznym większym od przekroju poprzecznego końca popychaczy (2), przy czym cylinder pomiarowy (4) jest centrowany w osi poziomej (O) przy pomocy pierścienia (3) osadzonego w środkowej części wałka napędowego (1),ponadto pomiędzy powierzchnią zewnętrzną cylindra pomiarowego (4) a powierzchnię wewnętrzną tulei (7) komory wysokociśnieniowej oraz powierzchnią wewnętrzną cylindra pomiarowego (4) i tuleją (5) mocowaną w obustronnych zamknięciach komory wysokociśnieniowej znajdują się szczeliny pomiarowe (11) oraz (12), wypełnione badanym czynnikiem ciekłym, o szerokości od 5 μm do 10 μm.