Koeficient viskoznosti je ključni parameter delovne tekočine ali plina. V fizikalnem smislu lahko viskoznost definiramo kot notranje trenje, ki ga povzroča gibanje delcev, ki sestavljajo maso tekočega (plinastega) medija, ali, bolj preprosto, upor proti gibanju.
Kaj je viskoznost
Najenostavnejši empirični poskus za določanje viskoznosti: na gladko nagnjeno površino se hkrati vlije enako količino vode in olja. Voda odteka hitreje kot olje. Je bolj tekoča. Zaradi večjega trenja med njegovimi molekulami (notranji upor – viskoznost) prepreči hitro odtekanje gibljivega olja. Tako je viskoznost tekočine obratno sorazmerna z njeno fluidnostjo.
Razmerje viskoznosti: formula
V poenostavljeni obliki lahko proces gibanja viskozne tekočine v cevovodu obravnavamo v obliki ravnih vzporednih plasti A in B z enako površino S, razdalja med katerima je h.
Ti dve plasti (A in B) se premikata z različnimi hitrostmi (V in V+ΔV). Plast A, ki ima najvišjo hitrost (V+ΔV), vključuje plast B, ki se premika z nižjo hitrostjo (V). Hkrati plast B teži k upočasnitvi hitrosti plasti A. Fizični pomen koeficienta viskoznosti je, da trenje molekul, ki so upor pretočnih plasti, tvori silo, ki jo je Isaac Newton opisal s naslednja formula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Tukaj:
- ΔV je razlika v hitrosti plasti pretoka tekočine;
- h – razdalja med plastmi pretoka tekočine;
- S – površina plasti pretoka tekočine;
- Μ (mu) - koeficient, odvisen od lastnosti tekočine, imenovan absolutna dinamična viskoznost.
V enotah SI je formula videti takole:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (paskal × sekunda)
Tukaj je F sila teže (teža) enote prostornine delovne tekočine.
Vrednost viskoznosti
V večini primerov se dinamični koeficient viskoznosti meri v centipoazah (cP) v skladu s sistemom enot CGS (centimeter, gram, sekunda). V praksi je viskoznost povezana z razmerjem med maso tekočine in njeno prostornino, torej z gostoto tekočine:
ρ=m / V
Tukaj:
- ρ – gostota tekočine;
- m – masa tekočine;
- V je prostornina tekočine.
Razmerje med dinamično viskoznostjo (Μ) in gostoto (ρ) se imenuje kinematična viskoznost ν (ν – v grščini –gola):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Mimogrede, metode za določanje koeficienta viskoznosti so različne. Kinematična viskoznost se na primer še vedno meri v skladu s sistemom CGS v centistokih (cSt) in v frakcijskih enotah - stokovih (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Določanje viskoznosti vode
Viskoznost vode se določi z merjenjem časa, ki je potreben, da tekočina teče skozi kalibrirano kapilarno cev. Ta naprava je kalibrirana s standardno tekočino znane viskoznosti. Za določitev kinematične viskoznosti, merjeno v mm2/s, se čas pretoka tekočine, merjen v sekundah, pomnoži s konstanto.
Enota za primerjavo je viskoznost destilirane vode, katere vrednost je skoraj konstantna tudi ob spremembi temperature. Koeficient viskoznosti je razmerje med časom v sekundah, ki ga potrebuje določena prostornina destilirane vode, da izteče iz kalibrirane odprtine, do časa preizkušene tekočine.
Viskozimetri
Viskoznost se meri v stopinjah Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") ali stopinjah Redwood (°RJ), odvisno od vrste uporabljenega viskozimetra. Tri vrste viskozimetrov se razlikujejo le po količini tekočina izteka.
Viskozimeter, ki meri viskoznost v evropski enoti stopinj Engler (°E), izračunano200 cm3 iztekajoči tekoči medij. Viskozimeter, ki meri viskoznost v Saybolt Universal Seconds ("SUS" ali "SSU", ki se uporablja v ZDA), vsebuje 60 cm3 testne tekočine. V Angliji, kjer se uporabljajo stopinje Redwood (°RJ), viskozimeter meri viskoznost 50 cm3 tekočine. Na primer, če 200 cm3 določenega olja teče desetkrat počasneje kot enaka količina vode, potem je Englerjeva viskoznost 10°E.
Ker je temperatura ključni dejavnik pri spreminjanju koeficienta viskoznosti, se meritve običajno izvajajo najprej pri konstantni temperaturi 20°C, nato pa pri višjih vrednostih. Rezultat je tako izražen z dodajanjem ustrezne temperature, na primer: 10°E/50°C ali 2,8°E/90°C. Viskoznost tekočine pri 20°C je višja od njene viskoznosti pri višjih temperaturah. Hidravlična olja imajo pri svojih temperaturah naslednje viskoznosti:
190 cSt pri 20°C=45,4 cSt pri 50°C=11,3 cSt pri 100°C.
Prevedi vrednosti
Določanje koeficienta viskoznosti poteka v različnih sistemih (ameriški, angleški, GHS), zato je pogosto potrebno prenašati podatke iz enega dimenzionalnega sistema v drugega. Za pretvorbo vrednosti viskoznosti tekočine, izražene v stopinjah Englerja, v centistoke (mm2/s), uporabite naslednjo empirično formulo:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Na primer:
- 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.
Za hitro določitev standardne viskoznosti hidravličnega olja lahko formulo poenostavimo na naslednji način:
ν(cSt)=7,6 × °E (mm2/s)
Imate kinematično viskoznost ν v mm2/s ali cSt, jo lahko pretvorite v dinamični koeficient viskoznosti Μ z naslednjim razmerjem:
M=ν × ρ
Primer. Če povzamemo različne pretvorbene formule za stopinje Engler (°E), centistokes (cSt) in centipoise (cP), predpostavimo, da ima hidravlično olje z gostoto ρ=910 kg/m3 kinematična viskoznost 12° E, ki je v enotah cSt:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Ker 1cSt=10-6m2/s in 1cP=10-3N×s/m2, potem bo dinamična viskoznost:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Faktor viskoznosti plina
Določeno je s sestavo (kemijsko, mehansko) plina, vplivom temperature, tlaka in se uporablja pri plinskodinamičnih izračunih, povezanih s gibanjem plina. V praksi se pri načrtovanju razvoja plinskega polja upošteva viskoznost plinov, pri čemer se spremembe koeficienta izračunajo glede na spremembe v sestavi plina (še posebej pomembno za plinskokondenzatna polja), temperature in tlaka.
Izračunajte viskoznost zraka. Postopki bodo podobnidva toka, o katerih smo razpravljali zgoraj. Recimo, da se dva plinska toka U1 in U2 premikata vzporedno, vendar z različnimi hitrostmi. Med plastmi bo prišlo do konvekcije (vzajemnega prodiranja) molekul. Posledično se bo zagon hitrejšega zračnega toka zmanjšal, sprva počasnejši tok pa se bo pospešil.
Koeficient viskoznosti zraka po Newtonovem zakonu je izražen z naslednjo formulo:
F=-h × (dU/dZ) × S
Tukaj:
- dU/dZ je gradient hitrosti;
- S – območje udarca sile;
- Koeficient h - dinamična viskoznost.
indeks viskoznosti
Indeks viskoznosti (VI) je parameter, ki povezuje spremembe viskoznosti in temperature. Korelacija je statistično razmerje, v tem primeru dve količini, pri kateri sprememba temperature spremlja sistematično spremembo viskoznosti. Višji kot je indeks viskoznosti, manjša je sprememba med obema vrednostma, to pomeni, da je viskoznost delovne tekočine bolj stabilna pri temperaturnih spremembah.
Viskoznost olja
Osnove sodobnih olj imajo indeks viskoznosti pod 95-100 enot. Zato se v hidravličnih sistemih strojev in opreme lahko uporabljajo dovolj stabilne delovne tekočine, ki omejujejo široko spremembo viskoznosti v pogojih kritičnih temperatur.
"Ugoden" koeficient viskoznosti je mogoče vzdrževati z vnosom v olje posebnih dodatkov (polimerov), pridobljenih med destilacijo olja. Povečajo indeks viskoznosti olj zazaradi omejevanja spremembe te lastnosti v dovoljenem intervalu. V praksi se lahko z uvedbo potrebne količine dodatkov nizki indeks viskoznosti baznega olja poveča na 100-105 enot. Vendar pa tako pridobljena zmes poslabša svoje lastnosti pri visokem tlaku in toplotni obremenitvi, s čimer se zmanjša učinkovitost dodatka.
V napajalnih krogih močnih hidravličnih sistemov je treba uporabljati delovne tekočine z indeksom viskoznosti 100 enot. Delovne tekočine z dodatki, ki povečujejo indeks viskoznosti, se uporabljajo v hidravličnih krmilnih tokokrogih in drugih sistemih, ki delujejo v območju nizkega / srednjega tlaka, v omejenem temperaturnem območju, z majhnimi puščanji in pri serijskem delovanju. Z naraščanjem tlaka se poveča tudi viskoznost, vendar ta proces poteka pri tlakih nad 30,0 MPa (300 barov). V praksi je ta dejavnik pogosto zanemarjen.
Meritev in indeksiranje
V skladu z mednarodnimi standardi ISO je koeficient viskoznosti vode (in drugih tekočih medijev) izražen v centistokih: cSt (mm2/s). Meritve viskoznosti procesnih olj je treba izvajati pri temperaturah 0°C, 40°C in 100°C. V vsakem primeru mora biti v kodi razreda olja viskoznost označena s številko pri temperaturi 40 ° C. V GOST je vrednost viskoznosti podana pri 50 °C. Stopnje, ki se najpogosteje uporabljajo v inženirski hidravliki, segajo od ISO VG 22 do ISO VG 68.
Hidravlična olja VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 pri 40°C imajo vrednosti viskoznosti, ki ustrezajo njihovi oznaki: 22, 32, 46, 68 in 100 cSt. Optimalnokinematična viskoznost delovne tekočine v hidravličnih sistemih se giblje od 16 do 36 cSt.
Ameriško združenje avtomobilskih inženirjev (SAE) je določilo razpone viskoznosti pri določenih temperaturah in jim dodelilo ustrezne kode. Število za W je absolutna dinamična viskoznost Μ pri 0°F (-17,7°C), kinematična viskoznost ν pa je bila določena pri 212°F (100°C). Ta indeksacija velja za olja za vse letne čase, ki se uporabljajo v avtomobilski industriji (menjalnik, motor itd.).
Učinek viskoznosti na hidravliko
Določanje koeficienta viskoznosti tekočine ni le znanstvenega in izobraževalnega pomena, ampak ima tudi pomembno praktično vrednost. V hidravličnih sistemih delovne tekočine ne prenašajo le energije s črpalke na hidravlične motorje, temveč tudi mažejo vse dele komponent in odstranjujejo toploto, ki nastane iz tornih parov. Viskoznost delovne tekočine, ki ni primerna za način delovanja, lahko resno poslabša učinkovitost vse hidravlike.
Visoka viskoznost delovne tekočine (olje zelo visoke gostote) vodi do naslednjih negativnih pojavov:
- Povečana odpornost proti pretoku hidravlične tekočine povzroči prevelik padec tlaka v hidravličnem sistemu.
- Upočasnitev krmilne hitrosti in mehanskih premikov aktuatorjev.
- Razvoj kavitacije v črpalki.
- Nič ali prenizek izpust zraka iz olja hidravličnega rezervoarja.
- Opazitiizguba moči (zmanjšanje učinkovitosti) hidravlike zaradi visokih stroškov energije za premagovanje notranjega trenja tekočine.
- Povečan navor glavnega motorja stroja zaradi povečane obremenitve črpalke.
- Dvig temperature hidravlične tekočine zaradi povečanega trenja.
Tako je fizični pomen koeficienta viskoznosti v njegovem vplivu (pozitivnem ali negativnem) na sestavne dele in mehanizme vozil, strojev in opreme.
Izguba hidravlične moči
Nizka viskoznost delovne tekočine (olje nizke gostote) vodi do naslednjih negativnih pojavov:
- Zmanjšanje volumetrične učinkovitosti črpalk zaradi povečanega notranjega puščanja.
- Povečanje notranjega puščanja v hidravličnih komponentah celotnega hidravličnega sistema - črpalke, ventili, hidravlični razdelilniki, hidravlični motorji.
- Povečana obraba črpalnih enot in zagozditve črpalk zaradi nezadostne viskoznosti delovne tekočine, potrebne za mazanje drgnih delov.
stisljivost
Katera koli tekočina stisne pod pritiskom. V zvezi z olji in hladilnimi sredstvi, ki se uporabljajo v strojni hidravliki, je bilo empirično ugotovljeno, da je proces stiskanja obratno sorazmeren z maso tekočine na prostornino. Kompresijsko razmerje je višje za mineralna olja, bistveno nižje za vodo in veliko nižje za sintetične tekočine.
V preprostih nizkotlačnih hidravličnih sistemih ima stisljivost tekočine zanemarljiv učinek na zmanjšanje začetne prostornine. Toda v močnih strojih z visoko hidravličnotlaka in velikih hidravličnih cilindrov, se ta proces opazno manifestira. Za hidravlična mineralna olja pri tlaku 10,0 MPa (100 bar) se prostornina zmanjša za 0,7%. Hkrati na spremembo kompresijske prostornine nekoliko vplivata kinematična viskoznost in vrsta olja.
Sklep
Določanje koeficienta viskoznosti vam omogoča napovedovanje delovanja opreme in mehanizmov v različnih pogojih, ob upoštevanju sprememb v sestavi tekočine ali plina, tlaku, temperaturi. Poleg tega je nadzor teh kazalnikov pomemben v sektorju nafte in plina, javnih služb in drugih panogah.
