Coeficientul de vâscozitate este un parametru cheie al unui fluid sau gaz de lucru. În termeni fizici, vâscozitatea poate fi definită ca frecarea internă cauzată de mișcarea particulelor care alcătuiesc masa unui mediu lichid (gazos) sau, mai simplu, rezistența la mișcare.
Ce este vâscozitatea
Cel mai simplu experiment empiric pentru determinarea vâscozității: aceeași cantitate de apă și ulei sunt turnate pe o suprafață netedă înclinată în același timp. Apa se scurge mai repede decât uleiul. Ea este mai fluidă. Un ulei în mișcare este împiedicat să se scurgă rapid prin frecarea mai mare dintre moleculele sale (rezistență internă - vâscozitate). Astfel, vâscozitatea unui lichid este invers proporțională cu fluiditatea acestuia.
Raportul de vâscozitate: formula
În formă simplificată, procesul de mișcare a unui fluid vâscos într-o conductă poate fi considerat sub forma unor straturi paralele plate A și B cu aceeași suprafață S, distanța dintre care este h.
Aceste două straturi (A și B) se mișcă cu viteze diferite (V și V+ΔV). Stratul A, care are cea mai mare viteză (V+ΔV), implică stratul B, care se mișcă cu o viteză mai mică (V). În același timp, stratul B tinde să încetinească viteza stratului A. Sensul fizic al coeficientului de vâscozitate este că frecarea moleculelor, care sunt rezistența straturilor de curgere, formează o forță pe care Isaac Newton a descris-o de către următoarea formulă:
F=µ × S × (ΔV/h)
Aici:
- ΔV este diferența dintre vitezele straturilor de curgere a fluidului;
- h – distanța dintre straturile de curgere a fluidului;
- S – suprafața stratului de curgere a fluidului;
- Μ (mu) - un coeficient care depinde de proprietatea lichidului, numit vâscozitate dinamică absolută.
În unități SI, formula arată astfel:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × secundă)
Aici F este forța gravitațională (greutatea) unității de volum a fluidului de lucru.
Valoarea vâscozității
În majoritatea cazurilor, coeficientul de vâscozitate dinamică este măsurat în centipoise (cP) în conformitate cu sistemul de unități CGS (centimetru, gram, secundă). În practică, vâscozitatea este legată de raportul dintre masa unui lichid și volumul său, adică de densitatea lichidului:
ρ=m / V
Aici:
- ρ – densitatea lichidului;
- m – masa fluidului;
- V este volumul lichidului.
Relația dintre vâscozitatea dinamică (Μ) și densitate (ρ) se numește vâscozitate cinematică ν (ν – în greacă –nud):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Apropo, metodele de determinare a coeficientului de vâscozitate sunt diferite. De exemplu, vâscozitatea cinematică este încă măsurată în conformitate cu sistemul CGS în centistokes (cSt) și în unități fracționale - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Determinarea vâscozității apei
Vâscozitatea apei este determinată prin măsurarea timpului necesar pentru ca fluidul să curgă printr-un tub capilar calibrat. Acest dispozitiv este calibrat cu un fluid standard de vâscozitate cunoscută. Pentru a determina vâscozitatea cinematică, măsurată în mm2/s, timpul de curgere a fluidului, măsurat în secunde, este înmulțit cu o constantă.
Unitatea de comparație este vâscozitatea apei distilate, a cărei valoare este aproape constantă chiar și atunci când temperatura se schimbă. Coeficientul de vâscozitate este raportul dintre timpul în secunde în care durează un volum fix de apă distilată pentru a curge dintr-un orificiu calibrat și cel al fluidului testat.
Viscozimetre
Vâscozitatea se măsoară în grade Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") sau grade Redwood (°RJ), în funcție de tipul de vâscozimetru utilizat. Cele trei tipuri de vâscozimetre diferă doar prin cantitatea de fluid care curge afară.
Vâscozimetru care măsoară vâscozitatea în unitatea europeană gradul Engler (°E), calculat200 cm3 mediu lichid care curge. Un viscozimetru care măsoară vâscozitatea în Saybolt Universal Seconds ("SUS" sau "SSU" folosit în SUA) conține 60 cm3 din fluidul de testare. În Anglia, unde se folosesc grade Redwood (°RJ), vâscozimetrul măsoară vâscozitatea unui fluid de 50 cm3. De exemplu, dacă 200 cm3 dintr-un anumit ulei curge de zece ori mai lent decât același volum de apă, atunci vâscozitatea Engler este de 10°E.
Deoarece temperatura este un factor cheie în modificarea coeficientului de vâscozitate, măsurătorile se fac de obicei mai întâi la o temperatură constantă de 20°C, iar apoi la valori mai mari. Rezultatul este astfel exprimat prin adăugarea temperaturii adecvate, de exemplu: 10°E/50°C sau 2,8°E/90°C. Vâscozitatea unui lichid la 20°C este mai mare decât vâscozitatea acestuia la temperaturi mai ridicate. Uleiurile hidraulice au următoarele viscozități la temperaturile lor respective:
190 cSt la 20°C=45,4 cSt la 50°C=11,3 cSt la 100°C.
Traduceți valorile
Determinarea coeficientului de vâscozitate are loc în diferite sisteme (american, englez, GHS), și de aceea este adesea necesar să se transfere date de la un sistem dimensional la altul. Pentru a converti valorile vâscozității fluidului exprimate în grade Engler în centistokes (mm2/s), utilizați următoarea formulă empirică:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
De exemplu:
- 2°E=7,6 × 2 × (1-1/23)=15,2 × (0,875)=13,3 cSt;
- 9°E=7,6 × 9 × (1-1/93)=68,4 × (0,9986)=68,3 cSt.
Pentru a determina rapid vâscozitatea standard a uleiului hidraulic, formula poate fi simplificată după cum urmează:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Avand o vascozitate cinematica ν in mm2/s sau cSt, o puteti converti intr-un coeficient de vascozitate dinamica Μ folosind urmatoarea relatie:
M=ν × ρ
Exemplu. Rezumând diferitele formule de conversie pentru grade Engler (°E), centistokes (cSt) și centipoise (cP), să presupunem că un ulei hidraulic cu o densitate de ρ=910 kg/m3 are o vâscozitate cinematică de 12° E, care în unități de cSt este:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Pentru că 1cSt=10-6m2/s și 1cP=10-3N×s/m2, atunci vâscozitatea dinamică va fi:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Factor de vâscozitate a gazului
Este determinată de compoziția (chimică, mecanică) a gazului, de efectul temperaturii, presiunii și este utilizată în calculele gazodinamice legate de mișcarea gazului. În practică, vâscozitatea gazelor este luată în considerare la proiectarea dezvoltării zăcămintelor de gaze, unde modificările coeficientului sunt calculate în funcție de modificările compoziției gazelor (importante în special pentru zăcămintele de gaze condensate), de temperatură și presiune.
Calculați vâscozitatea aerului. Procesele vor fi similare cucele două fluxuri discutate mai sus. Să presupunem că două fluxuri de gaz U1 și U2 se mișcă în paralel, dar cu viteze diferite. Convecția (penetrarea reciprocă) a moleculelor va avea loc între straturi. Ca urmare, impulsul fluxului de aer care se mișcă mai rapid va scădea, iar cel care se mișcă inițial mai lent va accelera.
Coeficientul de vâscozitate al aerului, conform legii lui Newton, este exprimat prin următoarea formulă:
F=-h × (dU/dZ) × S
Aici:
- dU/dZ este gradientul de viteză;
- S – zona de impact al forței;
- Coeficient h - vâscozitate dinamică.
Indice de vâscozitate
Indexul de vâscozitate (VI) este un parametru care corelează schimbările de vâscozitate și temperatură. O corelație este o relație statistică, în acest caz două mărimi, în care o modificare a temperaturii însoțește o modificare sistematică a vâscozității. Cu cât indicele de vâscozitate este mai mare, cu atât este mai mică modificarea dintre cele două valori, adică vâscozitatea fluidului de lucru este mai stabilă la schimbările de temperatură.
Vâscozitatea uleiului
Bazele uleiurilor moderne au un indice de vâscozitate sub 95-100 de unități. Prin urmare, în sistemele hidraulice ale mașinilor și echipamentelor se pot folosi fluide de lucru suficient de stabile, care limitează variația largă a vâscozității în condiții de temperaturi critice.
Coeficientul de vâscozitate „favorabil” poate fi menținut prin introducerea în ulei de aditivi speciali (polimeri) obținuți în timpul distilării uleiului. Acestea cresc indicele de vâscozitate al uleiurilor ptţinând cont de limitarea modificării acestei caracteristici în intervalul admis. În practică, odată cu introducerea cantității necesare de aditivi, indicele de vâscozitate scăzut al uleiului de bază poate fi crescut la 100-105 unități. Cu toate acestea, amestecul obținut în acest fel își deteriorează proprietățile la presiune mare și la sarcină termică, reducând astfel eficacitatea aditivului.
În circuitele de putere ale sistemelor hidraulice puternice, trebuie utilizate fluide de lucru cu un indice de vâscozitate de 100 de unități. Fluidele de lucru cu aditivi care măresc indicele de vâscozitate sunt utilizate în circuitele hidraulice de comandă și în alte sisteme care funcționează în intervalul de presiune joasă/medie, într-un interval de temperatură limitat, cu scurgeri mici și în funcționare discontinuă. Odată cu creșterea presiunii, vâscozitatea crește, dar acest proces are loc la presiuni de peste 30,0 MPa (300 bar). În practică, acest factor este adesea neglijat.
Măsurare și indexare
În conformitate cu standardele internaționale ISO, coeficientul de vâscozitate al apei (și al altor medii lichide) este exprimat în centistokes: cSt (mm2/s). Măsurătorile de vâscozitate ale uleiurilor de proces trebuie efectuate la temperaturi de 0°C, 40°C și 100°C. În orice caz, în codul uleiului, vâscozitatea trebuie să fie indicată printr-o cifră la o temperatură de 40 ° C. În GOST, valoarea vâscozității este dată la 50°C. Calitățile cele mai utilizate în hidraulica de inginerie variază de la ISO VG 22 la ISO VG 68.
Uleiurile hidraulice VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 la 40°C au valori de vâscozitate corespunzătoare marcajului lor: 22, 32, 46, 68 și 100 cSt. Optimalvâscozitatea cinematică a fluidului de lucru în sistemele hidraulice variază de la 16 la 36 cSt.
Societatea Americană a Inginerilor Auto (SAE) a stabilit intervale de vâscozitate la anumite temperaturi și le-a atribuit codurile corespunzătoare. Numărul care urmează după W este vâscozitatea dinamică absolută Μ la 0°F (-17,7°C) și vâscozitatea cinematică ν a fost determinată la 212°F (100°C). Această indexare se aplică uleiurilor pentru toate anotimpurile utilizate în industria auto (transmisie, motor etc.).
Efectul vâscozității asupra sistemului hidraulic
Determinarea coeficientului de vâscozitate al unui lichid nu este doar de interes științific și educațional, ci are și o importantă valoare practică. În sistemele hidraulice, fluidele de lucru nu numai că transferă energie de la pompă la motoarele hidraulice, dar și lubrifiază toate părțile componentelor și elimină căldura generată de perechile de frecare. Vâscozitatea fluidului de lucru care nu este adecvată pentru modul de funcționare poate afecta serios eficiența tuturor sistemelor hidraulice.
Vâscozitatea ridicată a fluidului de lucru (ulei cu densitate foarte mare) duce la următoarele fenomene negative:
- Rezistența crescută la curgerea fluidului hidraulic provoacă o scădere excesivă a presiunii în sistemul hidraulic.
- Decelerația vitezei de control și a mișcărilor mecanice ale actuatoarelor.
- Dezvoltarea cavitației în pompă.
- Degajare de aer zero sau prea scăzută din uleiul rezervorului hidraulic.
- Remarcabilpierderea puterii (scăderea eficienței) a sistemului hidraulic din cauza costurilor mari de energie pentru a depăși frecarea internă a fluidului.
- Cresterea cuplului motor al mașinii cauzată de sarcina crescută a pompei.
- Creșterea temperaturii fluidului hidraulic din cauza frecării crescute.
Astfel, semnificația fizică a coeficientului de vâscozitate constă în influența acestuia (pozitivă sau negativă) asupra componentelor și mecanismelor vehiculelor, mașinilor și echipamentelor.
Pierderea puterii hidraulice
Vâscozitatea scăzută a fluidului de lucru (ulei de densitate scăzută) duce la următoarele fenomene negative:
- Scăderea eficienței volumetrice a pompelor ca urmare a creșterii scurgerilor interne.
- Creșterea scurgerilor interne la componentele hidraulice ale întregului sistem hidraulic - pompe, supape, distribuitoare hidraulice, motoare hidraulice.
- Uzura crescută a unităților de pompare și blocarea pompelor din cauza vâscozității insuficiente a fluidului de lucru necesar pentru a asigura lubrifierea pieselor de frecare.
Compresibilitate
Orice lichid se comprimă sub presiune. În ceea ce privește uleiurile și lichidele de răcire utilizate în hidraulica mecanică, s-a stabilit empiric că procesul de comprimare este invers proporțional cu masa lichidului pe volum. Raportul de compresie este mai mare pentru uleiurile minerale, semnificativ mai mic pentru apă și mult mai mic pentru fluidele sintetice.
În sistemele hidraulice simple de joasă presiune, compresibilitatea fluidului are un efect neglijabil asupra reducerii volumului inițial. Dar în mașini puternice cu hidraulic ridicatpresiune și cilindri hidraulici mari, acest proces se manifestă vizibil. Pentru uleiurile minerale hidraulice la o presiune de 10,0 MPa (100 bar), volumul scade cu 0,7%. În același timp, modificarea volumului de compresie este ușor afectată de vâscozitatea cinematică și de tipul uleiului.
Concluzie
Determinarea coeficientului de vâscozitate vă permite să preziceți funcționarea echipamentelor și mecanismelor în diferite condiții, ținând cont de modificările compoziției unui lichid sau gaz, presiune, temperatură. De asemenea, controlul acestor indicatori este relevant în sectorul petrolului și gazelor, al utilităților și al altor industrii.
