Absolute viscosity measurements of high viscosity liquids

Abstract

The aim of this work was to design and construct a vibrating-wire viscometer that could measure the viscosity of Newtonian high-viscosity fluids with very low uncertainty and in an absolute way. Furthermore, to select new high-viscosity reference fluids, measure their viscosity, and develop new reference correlations in this region. More analytically, viscometers employed to measure the viscosity of Newtonian fluids in a wide range of temperatures and pressures, are briefly presented, showing clearly the advantages of the vibrating-wire instruments. Furthermore, existing viscosity reference correlations are discussed, and the lack of high-viscosity reference correlation is shown. Τhe theory of the vibrating-wire technique is described in details. Hence the working equations are derived and the design criteria are employed for the selection of all parameters and the design of the vibrating-wire viscometer for the high-viscosity range. The actual constructed viscometer is presented. Its operation with low-viscosity liquids is confirmed by measuring the viscosity of toluene. Measuring the viscosity of 1- methylnaphthalane, employing a vibrating wire for low viscosities and subsequently a thicker wire for high viscosities, carries this uncertainty to high viscosity liquids. Additional confirmation is obtained by measuring the viscosity of diisodecyl phthalate. Measurements of the viscosity of squalane over an extended temperature and pressure range, are presented. These measurements, along with others of slightly worse uncertainty, formed the basis for the development of a new reference correlation for the viscosity of squalane at atmospheric pressure, and a second one, for higher pressure. Because the viscosity is strongly dependent upon the density of the liquid, a density correlation was also developed. Subsequently the measurements of two high-viscosity liquids at atmospheric pressure are presented. Bis(2-ethylhexyl) sebacate and bis(2-ethylhexyl) phthalate are two possible candidates as moderate to high-viscosity reference liquids. Finally, the measurements obtained in this work are employed to investigate the application of the Assael-Dymond scheme to high-viscosity ranges, for the first time. This scheme, based on considerations of the hard-sphere theory, has been applied successfully so far for the correlation of the viscosity, the thermal conductivity and the self-diffusion coefficients of a very large range of liquids and up to 100 MPa pressure.

Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός ιξωδομέτρου ταλαντευόμενου σύρματος που θα μπορούσε να μετρήσει το ιξώδες Νευτώνειων υγρών υψηλού ιξώδους με πολύ μικρή αβεβαιότητα και σε απόλυτη βάση. Επιπλέον, οι μετρήσεις που έγιναν με το νέο ιξωδόμετρο χρησιμοποιήθηκαν για την επιλογή των νέων υγρών αναφοράς υψηλού ιξώδους, και την ανάπτυξη νέων εξισώσεων αναφοράς στη συγκεκριμένη περιοχή ιξώδους. Πιο αναλυτικά, παρουσιάζονται εν συντομία τα ιξωδόμετρα που χρησιμοποιούνται για να μετρηθεί το ιξώδες Νευτώνειων ρευστών σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών και πιέσεων, δείχνοντας ξεκάθαρα τα πλεονεκτήματα των συσκευών ταλαντευόμενου σύρματος. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στις εξισώσεις συσχετίσεων αναφοράς των ρευστών υψηλού ιξώδους κι αναδεικνύεται το κενό που υπάρχει σε αυτή την περιοχή ρευστών. Στη συνέχεια, περιγράφεται λεπτομερώς η θεωρία της μεθόδου του ταλαντευόμενου σύρματος. Έτσι, προκύπτουν οι εξισώσεις λειτουργίας του ιξωδομέτρου και τα σχεδιαστικά κριτήρια που εφαρμόζονται για την επιλογή όλων των παραμέτρων για το σχεδιασμό του ιξωδομέτρου ταλαντευόμενου σύρματος για την περιοχή υψηλού ιξώδους. Ακολουθεί η ακριβής κατασκευή του ιξωδομέτρου. Η λειτουργία του σε υγρά χαμηλού ιξώδους επιβεβαιώνεται με τη μέτρηση του ιξώδους του τολουολίου. Η μέτρηση του ιξώδους του 1-μέθυλο ναφθαλενίου, χρησιμοποιώντας το ταλαντευόμενο σύρμα για τα υγρά χαμηλού ιξώδους και στη συνέχεια η αντικατάστασή του με ένα παχύτερο σύρμα κατάλληλο για μετρήσεις υψηλού ιξώδους, μεταφέρει την χαμηλή αβεβαιότητα των μετρήσεων και στα υγρά υψηλού ιξώδους. Επιπλέον, γίνεται επιβεβαίωση της λειτουργίας της συσκευής στην περιοχή υψηλού ιξώδους μετρώντας το ιξώδες του διισοδέκυλο φθαλικού εστέρα. Ακολουθούν μετρήσεις του σκουαλανίου, σε μια διευρυμένη περιοχή θερμοκρασιών και πιέσεων. Αυτές οι μετρήσεις, μαζί με άλλες μετρήσεις λίγο μεγαλύτερης αβεβαιότητας, αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη μιας νέας εξίσωσης συσχέτισης αναφοράς για το ιξώδες του σκουαλανίου σε ατμοσφαιρική πίεση και μιας δεύτερης εξίσωσης συσχέτισης αναφοράς για υψηλότερες πιέσεις. Επειδή το ιξώδες είναι άμεσα συνδεδεμένο με την πυκνότητα του υγρού, επιπλέον με τις προηγούμενες συσχετίσεις αναφοράς αναπτύχθηκε και μια για την πυκνότητα του σκουαλανίου στις ίδιες περιοχές θερμοκρασίας και πίεσης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μετρήσεις δύο υγρών υψηλού ιξώδους σε ατμοσφαιρική πίεση. Ο δις (2-αιθυλο-εξυλο) σεβακικός εστέρας, και ο δις (2-αιθυλο-εξυλο) φθαλικός εστέρας, είναι δύο πιθανά υποψήφια υγρά αναφοράς για την περιοχή υγρών μέσου έως υψηλού ιξώδους. Τέλος οι μετρήσεις που έγιναν κατά την παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκαν για να ερευνηθεί για πρώτη φορά, η εφαρμογή της μεθόδου Assael-Dymond σε περιοχές υψηλού ιξώδους. Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε παρατηρήσεις της θεωρίας των σκληρών σφαιρών και έχει εφαρμοστεί μέχρι τώρα με επιτυχία για τη συσχέτιση του ιξώδους, της θερμικής αγωγιμότητας και των συντελεστών αυτο-διάχυσης μιας πολύ ευρείας περιοχής υγρών και για πιέσεις πάνω από 100 MPa.