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Desmistificando a viscosidade do fluido não newtoniano

Medição de viscosidade de fluido não newtoniano com viscosímetro em linha SRV

Muitos, se não a maioria, de fluidos exibem comportamento não-newtoniano. Um fluido é considerado não-newtoniano quando sua viscosidade medida depende da taxa de cisalhamento com a qual a medição é realizada.

1. Uma breve introdução aos fluidos não newtonianos

A viscosidade é definida como a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento quando um fluido é submetido a cisalhamento uniforme, mostrado esquematicamente na Fig. 1:

Fig.1 - Um fluido newtoniano sendo cisalhado entre duas placas paralelas

Fig. 1: Um fluido newtoniano sendo cortado entre duas placas paralelas

Quando a força de arrasto (tensão de cisalhamento) é proporcional à velocidade da placa inferior (taxa de cisalhamento), o fluido é chamado newtoniano. Sua viscosidade é proporcional à razão entre força de arrasto e velocidade. Portanto, a viscosidade não depende da rapidez com que está sendo cortada; a tensão de cisalhamento simplesmente aumentará para acompanhar a taxa de cisalhamento. Quanto maior a razão entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento, maior a viscosidade (as duas linhas retas na Fig. 2 abaixo):

Fig. 2 - Comportamento de fluidos newtonianos e de cisalhamento

Fig. 2: Comportamento de fluidos newtonianos e de afinamento por cisalhamento

Fluidos Newtonianos e Não Newtonianos

Escolha Fluidos newtonianos, alterar a força que você aplica ao fluido não altera sua viscosidade. A viscosidade permanece constante conforme a força aplicada muda. Em um Fluido newtoniano a relação entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento é linear, passando pela origem, sendo a constante de proporcionalidade coeficiente de viscosidade.

Não Newtoniano fluidos têm viscosidades que mudam de acordo com a quantidade de força aplicada sobre o fluido. A viscosidade muda à medida que a força aplicada muda. Em um Fluído não-newtoniano a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento é diferente e pode até ser dependente do tempo (viscosidade dependente do tempo) - um coeficiente de viscosidade constante não pode ser definido para fluidos não newtonianos como é possível para fluidos newtonianos.

No caso de fluidos não-newtonianos, o conceito de viscosidade normalmente usado na mecânica de fluidos para caracterizar as propriedades de cisalhamento de um fluido não é bastante adequado. Em vez disso, eles são estudados melhor através de várias outras propriedades reológicas que se relacionam a tensores de tensão e taxa de deformação sob muitas condições de fluxo diferentes, que são medidas usando diferentes dispositivos ou reômetros.

Referência - https://www.wikilectures.eu/w/Non-Newtonian_fluid (Imagem - Licença Creative Commons)

Um tipo de comportamento não-newtoniano comum a muitos fluidos é que a viscosidade medida diminui à medida que a taxa de cisalhamento do viscosímetro aumenta. Isso é chamado de comportamento de desbaste por cisalhamento. A proporção de tensão de cisalhamento por cisalhamento de um líquido de diluição por cisalhamento começa alta, mas fica menor à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. Na Fig. 2 acima, a curva de tensão de cisalhamento do líquido de desbaste versus velocidade de cisalhamento começa paralela aos fluidos de alta viscosidade e termina paralela aos fluidos de baixa viscosidade. O fluido fica mais fino que mais rápido é cortado.

A maioria dos fluidos exibe uma relação não linear entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. Isso significa que a viscosidade medida depende do tipo de viscosímetro usado para a medição. O SRV tem uma taxa de cisalhamento muito maior do que a maioria dos viscosímetros de copo rotacional, capilar e de efluxo. Portanto, o SRV geralmente mostra uma viscosidade substancialmente diferente da mostrada em um instrumento rotatório de laboratório.

Os parágrafos a seguir descrevem medições de um fluido de desbaste típico e as implicações para medições em linha com o Rheonics SRV.

2. Medições da viscosidade de materiais de afinamento por cisalhamento

Soluções detergentes concentradas, como xampus, líquidos para lavar louça e amaciantes de roupas, normalmente apresentam comportamento de afinamento. Quando um viscosímetro rotacional, como um Brookfield DV, é usado para medir sua viscosidade, a viscosidade indicada diminui à medida que a velocidade de rotação do fuso aumenta. O seguinte chart, Fig. 3, ilustra esse comportamento de afinamento por cisalhamento:

Viscômetro-rotacional-Brookfield3t
Fig. 3 - Viscosidade indicada vs. velocidade do fuso do viscosímetro

Fig. 3 (a) Um viscosímetro rotacional típico - Brookfield DV3 (b) Viscosidade indicada vs. velocidade do fuso do viscosímetro para amolecimento do tecido em um viscosímetro rotacional

Embora a taxa de cisalhamento não esteja bem definida para a maioria dos viscosímetros, pode-se mostrar que a taxa de cisalhamento dos viscosímetros vibracionais, como o Rheonics O SRV é mais de cem vezes maior que o de um típico viscosímetro Brookfield, Fann ou outro viscosímetro rotacional. Isso significa que o SRV opera na cauda de alto cisalhamento da curva de taxa de cisalhamento. A viscosidade indicada é significativamente menor do que a maioria dos outros processos de medição de viscosidade não vibracional.

Quando medido com um Rheonics Viscosímetro SRV, o amaciante fornece uma viscosidade indicada de 9.7 cPs. O valor muito mais baixo é atribuído ao mesmo fenômeno visto na Fig. 1, a diminuição da viscosidade à medida que a velocidade do fuso aumenta. O material é afinado por cisalhamento e a taxa de cisalhamento do SRV é cerca de duas ordens de grandeza maior do que a obtida com viscosímetros rotacionais típicos. Portanto, é impossível obter uma correspondência numérica entre o SRV e os viscosímetros rotacionais, exceto para fluidos estritamente newtonianos, ou seja, fluidos independentes da taxa de cisalhamento.

O que isso significa para aplicações nas quais o fluido é altamente dependente de cisalhamento? Isso depende muito do uso do SRV.

Figura 1. Viscosímetro em linha (à esquerda) e instalado em um adaptador de linha de fluxo para aplicações em linha.

Fig. 4. Viscosímetro em linha (esquerda) e instalado em um adaptador de linha de fluxo para aplicativos em linha

Um uso típico de um viscosímetro em linha é monitorar a viscosidade de um produto para verificar se sua viscosidade permanece constante. Os parâmetros do processo podem então ser ajustados pelo operador para manter a viscosidade dentro de uma faixa especificada. Nesse caso, pode ser possível derivar uma fórmula de conversão que permita Rheonics As leituras de SRV devem ser correlacionadas com medições de laboratório com condições de cisalhamento definidas.

Alternativamente, o Rheonics O SRV pode ser usado como sensor em um circuito de controle para ajustar automaticamente um ou mais parâmetros do processo, a fim de manter a viscosidade do produto dentro dos limites especificados. Uma aplicação típica é em máquinas de impressão flexográfica ou rotogravura, nas quais o Rheonics SRV é usado para manter constante a viscosidade da tinta de impressão.

Em qualquer um dos casos, quando fluidos altamente não newtonianos, como produtos contendo sabão e surfactante, estão sendo monitorados ou controlados, o SRV deve ser operado em um fluido que esteja passando pelo sensor. Não fornecerá leituras reproduzíveis se simplesmente imerso em um copo de produto. Quando usado em uma linha que contenha produto em fluxo, fornecerá uma resposta clara e reproduzível a quaisquer alterações na viscosidade do produto.

Monitoramento de Processooring

Monitore a viscosidade de um produto para verificar se a viscosidade permanece constante.

Controlo do processo

O sensor pode ser usado em um loop de controle para ajustar automaticamente um ou mais parâmetros do processo, a fim de manter a viscosidade do produto dentro dos limites especificados.

Verificação de matéria-prima

Realize verificações de qualidade nas matérias-primas recebidas.

Verificação do produto final

Garanta a total conformidade da qualidade dos produtos finais com os padrões estabelecidos.

NOTA: O regime de fluxo (consistência) é importante para obter monitoramento confiável e precisooring em fluidos de processo não newtonianos. Flua o fluido através do sensor e garanta um regime de fluxo consistente, tendo velocidade e seção transversal de fluido semelhantes durante todas as medições.

3. Recomendações para testar a aplicabilidade de Rheonics SRV para medições com fluidos não newtonianos

Ao avaliar o Rheonics SRV para uma medição em linha específica, é essencial operar o SRV sob condições reais de processo. O SRV deve ser colocado em uma linha de processo na qual o produto está fluindo, e a viscosidade e a temperatura devem ser registradas durante a operação da linha de processo.

É absolutamente essencial que o SRV NÃO seja avaliado com base em medições estáticas. Colocar o SRV em um copo de fluido estacionário normalmente não dará medições que concordam com as medições realizadas na linha de processo real com taxas de fluxo típicas da operação desse processo.

Para aplicações nas quais não está claro se o Rheonics A SRV fornecerá medições úteis, entre em contato Rheonics para organizar um teste de um dos sensores SRV em sua aplicação.

Sensor_Pipe_mounting

Fig. 5. Instalação de SRV e SRD em tubos

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