Viskositetskoeffisient er en nøkkelparameter for en arbeidsvæske eller gass. I fysiske termer kan viskositet defineres som den indre friksjonen forårsaket av bevegelsen av partikler som utgjør massen av et flytende (gassformig) medium, eller, enklere, motstanden mot bevegelse.
Hva er viskositet
Det enkleste empiriske eksperimentet for å bestemme viskositet: samme mengde vann og olje helles på en jevn, skrånende overflate samtidig. Vann renner raskere enn olje. Hun er mer flytende. En bevegelig olje forhindres i å drenere raskt av den høyere friksjonen mellom molekylene (indre motstand - viskositet). Dermed er viskositeten til en væske omvendt proporsjonal med væskens flyt.
Viskositetsforhold: formel
I en forenklet form kan prosessen med bevegelse av en viskøs væske i en rørledning betraktes i form av flate parallelle lag A og B med samme overflateareal S, hvor avstanden mellom disse er h.
Disse to lagene (A og B) beveger seg med forskjellige hastigheter (V og V+ΔV). Lag A, som har høyest hastighet (V+ΔV), involverer lag B, som beveger seg med lavere hastighet (V). Samtidig har lag B en tendens til å redusere hastigheten til lag A. Den fysiske betydningen av viskositetskoeffisienten er at friksjonen til molekylene, som er motstanden til strømningslagene, danner en kraft som Isaac Newton beskrev av følgende formel:
F=µ × S × (ΔV/h)
Her:
- ΔV er forskjellen i hastighetene til væskestrømlagene;
- h – avstand mellom lag med væskestrøm;
- S – overflateareal av væskestrømningslaget;
- Μ (mu) - en koeffisient avhengig av egenskapen til væsken, k alt den absolutte dynamiske viskositeten.
I SI-enheter ser formelen slik ut:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekund)
Her er F tyngdekraften (vekten) til enhetsvolumet til arbeidsvæsken.
viskositetsverdi
I de fleste tilfeller måles den dynamiske viskositetskoeffisienten i centipoise (cP) i samsvar med CGS-systemet med enheter (centimeter, gram, sekund). I praksis er viskositet relatert til forholdet mellom massen til en væske og volumet, det vil si til væskens tetthet:
ρ=m / V
Her:
- ρ – væsketetthet;
- m – masse av væske;
- V er volumet av væske.
Forholdet mellom dynamisk viskositet (Μ) og tetthet (ρ) kalles kinematisk viskositet ν (ν – på gresk –naken):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Forresten, metodene for å bestemme viskositetskoeffisienten er forskjellige. For eksempel måles fortsatt kinematisk viskositet i henhold til CGS-systemet i centistokes (cSt) og i brøkenheter - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Bestemme viskositeten til vann
Vannets viskositet bestemmes ved å måle tiden det tar for væske å strømme gjennom et kalibrert kapillærrør. Denne enheten er kalibrert med en standard væske med kjent viskositet. For å bestemme den kinematiske viskositeten, målt i mm2/s, multipliseres væskestrømningstiden, målt i sekunder, med en konstant.
Sammenligningsenheten er viskositeten til destillert vann, hvis verdi er nesten konstant selv når temperaturen endres. Viskositetskoeffisienten er forholdet mellom tiden i sekunder det tar et fast volum destillert vann å strømme ut av en kalibrert åpning og væsken som testes.
viskometre
Viskositet måles i grader Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") eller grader Redwood (°RJ) avhengig av hvilken type viskosimeter som brukes. De tre typene viskosimeter skiller seg bare i mengden av væske som renner ut.
Viskosimeter som måler viskositet i den europeiske enheten grad Engler (°E), beregnet200cm3 utflytende flytende medium. Et viskosimeter som måler viskositet i Saybolt Universal Seconds ("SUS" eller "SSU" brukt i USA) inneholder 60 cm3 av testvæsken. I England, hvor Redwood-grader (°RJ) brukes, måler viskosimeteret viskositeten til 50 cm3 væske. For eksempel, hvis 200 cm3 av en bestemt olje flyter ti ganger langsommere enn samme volum vann, er Engler-viskositeten 10°Ø.
Fordi temperatur er en nøkkelfaktor for å endre viskositetskoeffisienten, blir målinger vanligvis tatt først ved en konstant temperatur på 20°C, og deretter ved høyere verdier. Resultatet uttrykkes således ved å legge til passende temperatur, for eksempel: 10°E/50°C eller 2,8°E/90°C. Viskositeten til en væske ved 20°C er høyere enn dens viskositet ved høyere temperaturer. Hydraulikkoljer har følgende viskositeter ved sine respektive temperaturer:
190 cSt ved 20°C=45,4 cSt ved 50°C=11,3 cSt ved 100°C.
Oversett verdier
Bestemmelse av viskositetskoeffisienten skjer i forskjellige systemer (amerikansk, engelsk, GHS), og derfor er det ofte nødvendig å overføre data fra ett dimensjon alt system til et annet. For å konvertere væskeviskositetsverdier uttrykt i grader Engler til centistokes (mm2/s), bruk følgende empiriske formel:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
For eksempel:
- 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.
For raskt å bestemme standardviskositeten til hydraulikkolje, kan formelen forenkles som følger:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Har en kinematisk viskositet ν i mm2/s eller cSt, kan du konvertere den til en dynamisk viskositetskoeffisient Μ ved å bruke følgende forhold:
M=ν × ρ
Eksempel. Ved å oppsummere de ulike konverteringsformlene for grader Engler (°E), centistokes (cSt) og centipoise (cP), anta at en hydraulikkolje med en tetthet på ρ=910 kg/m3 har en kinematisk viskositet på 12° E, som i enheter av cSt er:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Fordi 1cSt=10-6m2/s og 1cP=10-3N×s/m2, da vil den dynamiske viskositeten være:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
gassviskositetsfaktor
Det bestemmes av sammensetningen (kjemisk, mekanisk) av gassen, effekten av temperatur, trykk, og brukes i gassdynamiske beregninger knyttet til gassens bevegelse. I praksis er det tatt hensyn til viskositeten til gasser ved prosjektering av gassfeltutbygginger, hvor koeffisientendringene beregnes avhengig av endringer i gasssammensetningen (spesielt viktig for gasskondensatfelt), temperatur og trykk.
Beregn viskositeten til luft. Prosessene vil ligne påde to strømmene diskutert ovenfor. Anta at to gassstrømmer U1 og U2 beveger seg parallelt, men med forskjellige hastigheter. Konveksjon (gjensidig penetrasjon) av molekyler vil skje mellom lagene. Som et resultat vil momentumet til den raskere bevegelige luftstrømmen avta, og den i utgangspunktet saktere vil akselerere.
Viskositetskoeffisienten til luft, i henhold til Newtons lov, uttrykkes med følgende formel:
F=-h × (dU/dZ) × S
Her:
- dU/dZ er hastighetsgradienten;
- S – kraftpåvirkningsområde;
- Koeffisient h - dynamisk viskositet.
viskositetsindeks
Viskositetsindeks (VI) er en parameter som korrelerer endringer i viskositet og temperatur. En korrelasjon er en statistisk sammenheng, i dette tilfellet to størrelser, der en endring i temperaturen følger med en systematisk endring i viskositeten. Jo høyere viskositetsindeksen er, desto mindre er endringen mellom de to verdiene, det vil si at viskositeten til arbeidsvæsken er mer stabil med temperaturendringer.
Oljeviskositet
Basene til moderne oljer har en viskositetsindeks på under 95-100 enheter. Derfor, i hydraulikksystemene til maskiner og utstyr, kan tilstrekkelig stabile arbeidsvæsker brukes, som begrenser den store endringen i viskositet under forhold med kritiske temperaturer.
"Fordelaktig" viskositetskoeffisient kan opprettholdes ved å innføre i oljen spesielle tilsetningsstoffer (polymerer) oppnådd under destillasjon av olje. De øker viskositetsindeksen til oljer forhensyn til å begrense endringen av denne karakteristikken i det tillatte intervallet. I praksis, med innføringen av den nødvendige mengden tilsetningsstoffer, kan den lave viskositetsindeksen til basisoljen økes til 100-105 enheter. Imidlertid forringer blandingen oppnådd på denne måten sine egenskaper ved høyt trykk og varmebelastning, og reduserer derved effektiviteten til tilsetningsstoffet.
I kraftkretsene til kraftige hydrauliske systemer bør det brukes arbeidsvæsker med en viskositetsindeks på 100 enheter. Arbeidsvæsker med tilsetningsstoffer som øker viskositetsindeksen brukes i hydrauliske kontrollkretser og andre systemer som opererer i lavt/middels trykkområde, i et begrenset temperaturområde, med små lekkasjer og i batchdrift. Med økende trykk øker også viskositeten, men denne prosessen skjer ved trykk over 30,0 MPa (300 bar). I praksis blir denne faktoren ofte neglisjert.
Måling og indeksering
I samsvar med internasjonale ISO-standarder er viskositetskoeffisienten til vann (og andre flytende medier) uttrykt i centistokes: cSt (mm2/s). Viskositetsmålinger av prosessoljer bør utføres ved temperaturer på 0°C, 40°C og 100°C. I alle fall, i oljekvalitetskoden, må viskositeten angis med en figur ved en temperatur på 40 ° C. I GOST er viskositetsverdien gitt ved 50°C. Karakterene som er mest brukt i ingeniørhydraulikk varierer fra ISO VG 22 til ISO VG 68.
Hydraulikkoljer VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ved 40°C har viskositetsverdier som tilsvarer deres merking: 22, 32, 46, 68 og 100 cSt. Optimalden kinematiske viskositeten til arbeidsvæsken i hydrauliske systemer varierer fra 16 til 36 cSt.
The American Society of Automotive Engineers (SAE) har etablert viskositetsområder ved spesifikke temperaturer og tildelt dem de riktige kodene. Tallet etter W er den absolutte dynamiske viskositeten Μ ved 0°F (-17,7°C) og den kinematiske viskositeten ν ble bestemt ved 212°F (100°C). Denne indekseringen gjelder for helårsoljer som brukes i bilindustrien (transmisjon, motor osv.).
Viskositetseffekt på hydraulikk
Bestemmelse av viskositetskoeffisienten til en væske er ikke bare av vitenskapelig og pedagogisk interesse, men har også en viktig praktisk verdi. I hydrauliske systemer overfører arbeidsvæsker ikke bare energi fra pumpen til hydrauliske motorer, men smører også alle deler av komponentene og fjerner varmen som genereres fra friksjonsparene. Viskositeten til arbeidsvæsken som ikke er egnet for driftsmodusen kan alvorlig svekke effektiviteten til all hydraulikk.
Høy viskositet til arbeidsvæsken (olje med svært høy tetthet) fører til følgende negative fenomener:
- Økt motstand mot hydraulisk væskestrøm forårsaker et for stort trykkfall i det hydrauliske systemet.
- Retardasjon av kontrollhastighet og mekaniske bevegelser av aktuatorer.
- Utvikling av kavitasjon i pumpen.
- Null eller for lite luftutslipp fra hydraulikktankolje.
- Merkbarttap av kraft (reduksjon i effektivitet) av hydraulikk på grunn av høye energikostnader for å overvinne den interne friksjonen til væsken.
- Økt drivkraftmoment på maskinen forårsaket av økt pumpebelastning.
- Økning i hydraulikkvæsketemperaturen på grunn av økt friksjon.
Den fysiske betydningen av viskositetskoeffisienten ligger altså i dens innflytelse (positiv eller negativ) på komponentene og mekanismene til kjøretøy, maskiner og utstyr.
Tap av hydraulisk kraft
Lav viskositet av arbeidsvæsken (olje med lav tetthet) fører til følgende negative fenomener:
- Reduksjon i volumetrisk effektivitet til pumper som følge av økende intern lekkasje.
- Økning i interne lekkasjer i de hydrauliske komponentene i hele hydraulikksystemet - pumper, ventiler, hydrauliske fordelere, hydrauliske motorer.
- Økt slitasje på pumpeenheter og blokkering av pumper på grunn av utilstrekkelig viskositet av arbeidsvæsken som er nødvendig for å gi smøring av gnidningsdeler.
komprimerbarhet
Enhver væske komprimeres under trykk. Når det gjelder oljer og kjølevæsker som brukes i maskinteknisk hydraulikk, er det empirisk fastslått at kompresjonsprosessen er omvendt proporsjonal med massen av væsken per volum. Kompresjonsforholdet er høyere for mineraloljer, betydelig lavere for vann og mye lavere for syntetiske væsker.
I enkle hydrauliske lavtrykkssystemer har komprimerbarheten til væsken ubetydelig effekt på reduksjonen av det opprinnelige volumet. Men i kraftige maskiner med høy hydraulikktrykk og store hydrauliske sylindre, manifesterer denne prosessen seg merkbart. For hydrauliske mineraloljer ved et trykk på 10,0 MPa (100 bar), reduseres volumet med 0,7 %. Samtidig påvirkes endringen i kompresjonsvolum litt av den kinematiske viskositeten og oljetypen.
Konklusjon
Bestemmelse av viskositetskoeffisienten lar deg forutsi driften av utstyr og mekanismer under forskjellige forhold, under hensyntagen til endringer i sammensetningen av en væske eller gass, trykk, temperatur. Kontrollen av disse indikatorene er også relevant i olje- og gasssektoren, verktøy og andre næringer.
