Viskositetskoefficient är en nyckelparameter för en arbetsvätska eller gas. I fysiska termer kan viskositet definieras som den inre friktion som orsakas av rörelsen av partiklar som utgör massan av ett flytande (gasformigt) medium, eller, enklare, motståndet mot rörelse.
Vad är viskositet
Det enklaste empiriska experimentet för att bestämma viskositet: samma mängd vatten och olja hälls på en slät lutande yta samtidigt. Vatten rinner ut snabbare än olja. Hon är mer flytande. En rörlig olja hindras från att rinna ut snabbt av den högre friktionen mellan dess molekyler (inre motstånd - viskositet). Sålunda är en vätskas viskositet omvänt proportionell mot dess flytbarhet.
Viskositetsförhållande: formel
I en förenklad form kan rörelseprocessen för en viskös vätska i en rörledning betraktas i form av plana parallella lager A och B med samma ytarea S, vars avstånd är h.
Dessa två lager (A och B) rör sig med olika hastigheter (V och V+ΔV). Lager A, som har den högsta hastigheten (V+ΔV), involverar lager B, som rör sig med en lägre hastighet (V). Samtidigt tenderar skikt B att sakta ner hastigheten för skikt A. Den fysiska innebörden av viskositetskoefficienten är att friktionen hos molekylerna, som är flödeslagrens motstånd, bildar en kraft som Isaac Newton beskrev av följande formel:
F=µ × S × (ΔV/h)
Här:
- ΔV är skillnaden i hastigheterna för vätskeflödesskikten;
- h – avstånd mellan lager av vätskeflöde;
- S – ytarea av vätskeflödeslagret;
- Μ (mu) - en koefficient beroende på vätskans egenskap, kallad den absoluta dynamiska viskositeten.
I SI-enheter ser formeln ut så här:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekund)
Här är F tyngdkraften (vikten) för enhetsvolymen för arbetsvätskan.
Viskositetsvärde
I de flesta fall mäts den dynamiska viskositetskoefficienten i centipoise (cP) i enlighet med CGS-systemet av enheter (centimeter, gram, sekund). I praktiken är viskositeten relaterad till förhållandet mellan en vätskas massa och dess volym, det vill säga till vätskans densitet:
ρ=m / V
Här:
- ρ – vätskedensitet;
- m – massa av vätska;
- V är volymen vätska.
Släktskapet mellan dynamisk viskositet (Μ) och densitet (ρ) kallas kinematisk viskositet ν (ν – på grekiska –naken):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Förresten, metoderna för att bestämma viskositetskoefficienten är olika. Till exempel mäts kinematisk viskositet fortfarande i enlighet med CGS-systemet i centistokes (cSt) och i bråkdelar - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Bestämma vattnets viskositet
Vattnets viskositet bestäms genom att mäta den tid det tar för vätska att strömma genom ett kalibrerat kapillärrör. Denna anordning är kalibrerad med en standardvätska med känd viskositet. För att bestämma den kinematiska viskositeten, mätt i mm2/s, multipliceras vätskeflödestiden, mätt i sekunder, med en konstant.
Jämförelseenheten är viskositeten för destillerat vatten, vars värde är nästan konstant även när temperaturen ändras. Viskositetskoefficienten är förhållandet mellan den tid i sekunder det tar en fast volym destillerat vatten att rinna ut ur en kalibrerad öppning och den för vätskan som testas.
viskometrar
Viskositeten mäts i grader Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") eller grader Redwood (°RJ) beroende på vilken typ av viskosimeter som används. De tre typerna av viskosimeter skiljer sig endast i mängden vätska rinner ut.
Viskosimeter som mäter viskositet i den europeiska enheten graden Engler (°E), beräknad200cm3 utströmmande flytande medium. En viskosimeter som mäter viskositeten i Saybolt Universal Seconds ("SUS" eller "SSU" som används i USA) innehåller 60 cm3 av testvätskan. I England, där Redwood-grader (°RJ) används, mäter viskosimetern viskositeten på 50 cm3 vätska. Till exempel, om 200 cm3 av en viss olja flyter tio gånger långsammare än samma volym vatten, då är Engler-viskositeten 10°Ö.
Eftersom temperatur är en nyckelfaktor för att ändra viskositetskoefficienten, görs mätningar vanligtvis först vid en konstant temperatur på 20°C och sedan vid högre värden. Resultatet uttrycks således genom att lägga till lämplig temperatur, till exempel: 10°E/50°C eller 2,8°E/90°C. Viskositeten hos en vätska vid 20°C är högre än dess viskositet vid högre temperaturer. Hydrauloljor har följande viskositeter vid sina respektive temperaturer:
190 cSt vid 20°C=45,4 cSt vid 50°C=11,3 cSt vid 100°C.
Översätt värden
Bestämning av viskositetskoefficienten sker i olika system (amerikanska, engelska, GHS), och därför är det ofta nödvändigt att överföra data från ett dimensionssystem till ett annat. För att omvandla vätskeviskositetsvärden uttryckta i grader Engler till centistokes (mm2/s), använd följande empiriska formel:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Till exempel:
- 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.
För att snabbt bestämma standardviskositeten för hydraulolja kan formeln förenklas enligt följande:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Med en kinematisk viskositet ν i mm2/s eller cSt, kan du konvertera den till en dynamisk viskositetskoefficient Μ genom att använda följande förhållande:
M=ν × ρ
Exempel. Genom att sammanfatta de olika omvandlingsformlerna för graderna Engler (°E), centistokes (cSt) och centipoise (cP), anta att en hydraulolja med en densitet på ρ=910 kg/m3 har en kinematisk viskositet på 12° Ö, vilket i enheter av cSt är:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Because 1cSt=10-6m2/s och 1cP=10-3N×s/m2, då blir den dynamiska viskositeten:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gasviskositetsfaktor
Det bestäms av sammansättningen (kemisk, mekanisk) av gasen, effekten av temperatur, tryck och används i gasdynamiska beräkningar relaterade till gasens rörelse. I praktiken beaktas gasernas viskositet vid design av gasfältsutvecklingar, där koefficientförändringarna beräknas beroende på förändringar i gassammansättningen (särskilt viktigt för gaskondensatfält), temperatur och tryck.
Beräkna luftens viskositet. Processerna kommer att liknade två strömmarna som diskuterats ovan. Antag att två gasströmmar U1 och U2 rör sig parallellt, men med olika hastighet. Konvektion (ömsesidig penetration) av molekyler kommer att ske mellan lagren. Som ett resultat kommer momentumet för den snabbare rörliga luftströmmen att minska, och den initi alt rörliga långsammare kommer att accelerera.
Viskositetskoefficienten för luft, enligt Newtons lag, uttrycks med följande formel:
F=-h × (dU/dZ) × S
Här:
- dU/dZ är hastighetsgradienten;
- S – kraftpåverkansområde;
- Koefficient h - dynamisk viskositet.
Viskositetsindex
Viskositetsindex (VI) är en parameter som korrelerar förändringar i viskositet och temperatur. En korrelation är ett statistiskt samband, i detta fall två storheter, där en temperaturförändring följer med en systematisk förändring av viskositeten. Ju högre viskositetsindex, desto mindre är förändringen mellan de två värdena, det vill säga att arbetsvätskans viskositet är stabilare vid temperaturförändringar.
Oljeviskositet
Baserna i moderna oljor har ett viskositetsindex under 95-100 enheter. Därför kan tillräckligt stabila arbetsvätskor användas i maskiners och utrustnings hydraulsystem, vilket begränsar den breda förändringen i viskositet under förhållanden med kritiska temperaturer.
Den "gynnsamma" viskositetskoefficienten kan upprätthållas genom att tillsätta speciella tillsatser (polymerer) som erhålls under destillation av olja i oljan. De ökar viskositetsindexet för oljor förhänsyn till att begränsa förändringen av denna egenskap i det tillåtna intervallet. I praktiken, med införandet av den erforderliga mängden tillsatser, kan basoljans låga viskositetsindex ökas till 100-105 enheter. Den på detta sätt erhållna blandningen försämrar dock sina egenskaper vid högt tryck och värmebelastning, vilket minskar tillsatsens effektivitet.
I kraftkretsarna i kraftfulla hydraulsystem bör arbetsvätskor med ett viskositetsindex på 100 enheter användas. Arbetsvätskor med tillsatser som ökar viskositetsindexet används i hydrauliska styrkretsar och andra system som arbetar i låg-/medeltrycksområdet, i ett begränsat temperaturområde, med små läckor och i batchdrift. Med ökande tryck ökar även viskositeten, men denna process sker vid tryck över 30,0 MPa (300 bar). I praktiken försummas denna faktor ofta.
Mätning och indexering
I enlighet med internationella ISO-standarder uttrycks viskositetskoefficienten för vatten (och andra flytande medier) i centistokes: cSt (mm2/s). Viskositetsmätningar av processoljor bör utföras vid temperaturer på 0°C, 40°C och 100°C. I alla fall, i oljeklasskoden, måste viskositeten anges med en siffra vid en temperatur på 40 ° C. I GOST anges viskositetsvärdet vid 50°C. De kvaliteter som oftast används inom teknisk hydraulik sträcker sig från ISO VG 22 till ISO VG 68.
Hydrauloljor VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 vid 40°C har viskositetsvärden som motsvarar deras märkning: 22, 32, 46, 68 och 100 cSt. Optimalden kinematiska viskositeten för arbetsvätskan i hydrauliska system sträcker sig från 16 till 36 cSt.
The American Society of Automotive Engineers (SAE) har fastställt viskositetsintervall vid specifika temperaturer och tilldelat dem lämpliga koder. Siffran efter W är den absoluta dynamiska viskositeten Μ vid 0°F (-17,7°C) och den kinematiska viskositeten ν bestämdes vid 212°F (100°C). Denna indexering gäller för alla säsongsoljor som används inom bilindustrin (växellåda, motor etc.).
Viskositetseffekt på hydraulik
Bestämning av en vätskas viskositetskoefficient är inte bara av vetenskapligt och pedagogiskt intresse, utan har också ett viktigt praktiskt värde. I hydrauliska system överför arbetsvätskor inte bara energi från pumpen till hydraulmotorer, utan smörjer också alla delar av komponenterna och tar bort värmen som genereras från friktionsparen. Viskositeten hos arbetsvätskan som inte är lämplig för driftläget kan allvarligt försämra effektiviteten hos all hydraulik.
Hög viskositet hos arbetsvätskan (olja med mycket hög densitet) leder till följande negativa fenomen:
- Ökat motstånd mot hydraulvätskeflödet orsakar ett för stort tryckfall i hydraulsystemet.
- Retardation av reglerhastighet och mekaniska rörelser hos ställdon.
- Utveckling av kavitation i pumpen.
- Noll eller för låg luftutsläpp från hydraultankolja.
- Märkbarteffektförlust (minskning i effektivitet) för hydraulik på grund av höga energikostnader för att övervinna vätskans inre friktion.
- Ökat vridmoment för maskinens drivmotor orsakat av ökad pumpbelastning.
- Ökning av hydraulvätsketemperaturen på grund av ökad friktion.
Den fysiska innebörden av viskositetskoefficienten ligger alltså i dess inverkan (positiv eller negativ) på komponenterna och mekanismerna i fordon, maskiner och utrustning.
Förlust av hydraulisk kraft
Låg viskositet hos arbetsvätskan (olja med låg densitet) leder till följande negativa fenomen:
- Minskade pumpars volymetriska effektivitet till följd av ökat internt läckage.
- Ökning av interna läckor i de hydrauliska komponenterna i hela hydraulsystemet - pumpar, ventiler, hydrauliska fördelare, hydraulmotorer.
- Ökat slitage på pumpenheter och blockering av pumpar på grund av otillräcklig viskositet hos arbetsvätskan som är nödvändig för att ge smörjning av gnidningsdelar.
Kompressibilitet
All vätska komprimeras under tryck. När det gäller oljor och kylmedel som används i mekanisk hydraulik har det empiriskt fastställts att kompressionsprocessen är omvänt proportionell mot vätskans massa per volym. Kompressionsförhållandet är högre för mineraloljor, betydligt lägre för vatten och mycket lägre för syntetiska vätskor.
I enkla hydrauliska lågtryckssystem har vätskans kompressibilitet en försumbar effekt på minskningen av den initiala volymen. Men i kraftfulla maskiner med hög hydrauliktryck och stora hydraulcylindrar, manifesterar denna process sig märkbart. För hydrauliska mineraloljor vid ett tryck på 10,0 MPa (100 bar) minskar volymen med 0,7 %. Samtidigt påverkas förändringen i kompressionsvolym något av den kinematiska viskositeten och typen av olja.
Slutsats
Bestämning av viskositetskoefficienten gör att du kan förutsäga driften av utrustning och mekanismer under olika förhållanden, med hänsyn till förändringar i sammansättningen av en vätska eller gas, tryck, temperatur. Kontrollen av dessa indikatorer är också relevant inom olje- och gassektorn, allmännyttiga företag och andra industrier.
