Koeficijent viskoznosti je ključni parametar radnog fluida ili plina. U fizičkom smislu, viskoznost se može definirati kao unutarnje trenje uzrokovano kretanjem čestica koje čine masu tekućeg (plinovitog) medija, ili, jednostavnije, otpor kretanju.
Što je viskozitet
Najjednostavniji empirijski pokus za određivanje viskoznosti: ista količina vode i ulja ulijeva se na glatku nagnutu površinu u isto vrijeme. Voda otječe brže od ulja. Ona je fluidnija. Većim trenjem između njegovih molekula (unutarnji otpor – viskoznost) sprječava se brzo istjecanje ulja koje se kreće. Dakle, viskoznost tekućine obrnuto je proporcionalna njenoj fluidnosti.
Omjer viskoznosti: formula
U pojednostavljenom obliku, proces kretanja viskozne tekućine u cjevovodu može se promatrati u obliku ravnih paralelnih slojeva A i B s istom površinom S, udaljenost između kojih je h.
Ova dva sloja (A i B) kreću se različitim brzinama (V i V+ΔV). Sloj A, koji ima najveću brzinu (V+ΔV), uključuje sloj B, koji se kreće manjom brzinom (V). U isto vrijeme, sloj B ima tendenciju usporavanja brzine sloja A. Fizičko značenje koeficijenta viskoznosti je da trenje molekula, koje su otpor slojeva protoka, tvori silu koju je Isaac Newton opisao sljedeća formula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Ovdje:
- ΔV je razlika u brzinama slojeva protoka tekućine;
- h – udaljenost između slojeva protoka tekućine;
- S – površina sloja protoka tekućine;
- Μ (mu) - koeficijent koji ovisi o svojstvu tekućine, koji se naziva apsolutna dinamička viskoznost.
U SI jedinicama formula izgleda ovako:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (paskal × sekunda)
Ovdje je F sila gravitacije (težina) jedinične zapremine radne tekućine.
Vrijednost viskoziteta
U većini slučajeva, dinamički koeficijent viskoznosti mjeri se u centipoise (cP) u skladu s CGS sustavom jedinica (centimetar, gram, sekunda). U praksi, viskoznost je povezana s omjerom mase tekućine i njenog volumena, odnosno gustoće tekućine:
ρ=m / V
Ovdje:
- ρ – gustoća tekućine;
- m – masa tekućine;
- V je volumen tekućine.
Odnos između dinamičke viskoznosti (Μ) i gustoće (ρ) naziva se kinematička viskoznost ν (ν – na grčkom –gola):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Usput, metode za određivanje koeficijenta viskoznosti su različite. Na primjer, kinematička viskoznost se još uvijek mjeri u skladu s CGS sustavom u centistokama (cSt) i u frakcijskim jedinicama - stokovima (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Određivanje viskoziteta vode
Viskoznost vode se određuje mjerenjem vremena potrebnog da tekućina prođe kroz kalibriranu kapilarnu cijev. Ovaj uređaj je kalibriran sa standardnom tekućinom poznate viskoznosti. Za određivanje kinematičke viskoznosti, mjerene u mm2/s, vrijeme protoka tekućine, mjereno u sekundama, množi se s konstantom.
Jedinica za usporedbu je viskozitet destilirane vode, čija je vrijednost gotovo konstantna čak i kada se temperatura promijeni. Koeficijent viskoznosti je omjer vremena u sekundama koje je potrebno da fiksni volumen destilirane vode iscuri iz kalibriranog otvora prema onoj tekućine koja se ispituje.
Viskozimetri
Viskozitet se mjeri u stupnjevima Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") ili stupnjevima Redwood (°RJ) ovisno o vrsti korištenog viskozimetra. Tri vrste viskozimetara razlikuju se samo po količini tekućina istječe.
Viskozimetar koji mjeri viskozitet u europskoj jedinici stupnja Engler (°E), izračunato200cm3 tekući medij. Viskozimetar koji mjeri viskoznost u Saybolt univerzalnim sekundama ("SUS" ili "SSU" koji se koriste u SAD-u) sadrži 60 cm3 ispitne tekućine. U Engleskoj, gdje se koriste Redwood stupnjevi (°RJ), viskozimetar mjeri viskozitet 50 cm3 tekućine. Na primjer, ako 200 cm3 teče deset puta sporije od istog volumena vode, tada je Englerov viskozitet 10°E.
Budući da je temperatura ključni čimbenik u promjeni koeficijenta viskoznosti, mjerenja se obično prvo vrše pri konstantnoj temperaturi od 20°C, a zatim pri višim vrijednostima. Rezultat se tako izražava dodavanjem odgovarajuće temperature, na primjer: 10°E/50°C ili 2,8°E/90°C. Viskoznost tekućine na 20°C veća je od njezine viskoznosti na višim temperaturama. Hidraulička ulja imaju sljedeće viskoznosti pri svojim temperaturama:
190 cSt pri 20°C=45,4 cSt pri 50°C=11,3 cSt pri 100°C.
Prevedi vrijednosti
Određivanje koeficijenta viskoznosti događa se u različitim sustavima (američki, engleski, GHS), te je stoga često potrebno prenijeti podatke iz jednog dimenzionalnog sustava u drugi. Za pretvaranje vrijednosti viskoznosti tekućine izražene u stupnjevima Englera u centistoke (mm2/s), koristite sljedeću empirijsku formulu:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Na primjer:
- 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 brzo određivanje standardne viskoznosti hidrauličkog ulja, formula se može pojednostaviti na sljedeći način:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Imajući kinematičku viskoznost ν u mm2/s ili cSt, možete ga pretvoriti u dinamički koeficijent viskoznosti Μ koristeći sljedeći odnos:
M=ν × ρ
Primjer. Rezimirajući različite formule pretvorbe za stupnjeve Engler (°E), centistokes (cSt) i centipoise (cP), pretpostavimo da hidrauličko ulje gustoće ρ=910 kg/m3 ima kinematička viskoznost od 12° E, koja u jedinicama cSt iznosi:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Jer 1cSt=10-6m2/s i 1cP=10-3N×s/m2, tada će dinamička viskoznost biti:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Faktor viskoznosti plina
Određuje se sastavom (kemijski, mehanički) plina, učinkom temperature, tlaka i koristi se u plinodinamičkim proračunima vezanim za kretanje plina. U praksi se pri projektiranju razvoja plinskog polja uzima u obzir viskoznost plinova, pri čemu se promjene koeficijenta izračunavaju ovisno o promjenama u sastavu plina (osobito važno za plinsko-kondenzatna polja), temperaturi i tlaku.
Izračunajte viskozitet zraka. Procesi će biti sličnidvije gore navedene struje. Pretpostavimo da se dvije struje plina U1 i U2 kreću paralelno, ali različitim brzinama. Između slojeva doći će do konvekcije (međusobnog prodiranja) molekula. Kao rezultat toga, zamah zračne struje koja se brže kreće će se smanjiti, a ona koja se u početku kretala sporije će se ubrzati.
Koeficijent viskoznosti zraka, prema Newtonovom zakonu, izražava se sljedećom formulom:
F=-h × (dU/dZ) × S
Ovdje:
- dU/dZ je gradijent brzine;
- S – područje udara sile;
- Koeficijent h - dinamička viskoznost.
Indeks viskoznosti
Indeks viskoznosti (VI) je parametar koji povezuje promjene u viskoznosti i temperaturi. Korelacija je statistički odnos, u ovom slučaju dvije veličine, u kojem promjena temperature prati sustavnu promjenu viskoznosti. Što je veći indeks viskoznosti, manja je promjena između dvije vrijednosti, odnosno viskoznost radnog fluida je stabilnija s promjenama temperature.
Viskozitet ulja
Baze modernih ulja imaju indeks viskoznosti ispod 95-100 jedinica. Stoga se u hidrauličkim sustavima strojeva i opreme mogu koristiti dovoljno stabilne radne tekućine, koje ograničavaju široku promjenu viskoziteta u uvjetima kritičnih temperatura.
"Povoljan" koeficijent viskoznosti može se održavati uvođenjem u ulje posebnih aditiva (polimera) dobivenih destilacijom ulja. Povećavaju indeks viskoznosti ulja zaračuna ograničavanja promjene ove karakteristike u dopuštenom intervalu. U praksi, s uvođenjem potrebne količine aditiva, niski indeks viskoznosti baznog ulja može se povećati na 100-105 jedinica. Međutim, tako dobivena smjesa pogoršava svoja svojstva pri visokom tlaku i toplinskom opterećenju, čime se smanjuje učinkovitost aditiva.
U strujnim krugovima snažnih hidrauličkih sustava treba koristiti radne tekućine s indeksom viskoznosti od 100 jedinica. Radni fluidi s aditivima koji povećavaju indeks viskoznosti koriste se u hidrauličkim upravljačkim krugovima i drugim sustavima koji rade u području niskog / srednjeg tlaka, u ograničenom temperaturnom rasponu, s malim curenjem i u serijskom radu. S povećanjem tlaka raste i viskoznost, ali se taj proces događa pri tlakovima iznad 30,0 MPa (300 bara). U praksi se ovaj faktor često zanemaruje.
Mjerenje i indeksiranje
U skladu s međunarodnim ISO standardima, koeficijent viskoznosti vode (i drugih tekućih medija) izražava se u centistoksima: cSt (mm2/s). Mjerenje viskoznosti procesnih ulja treba provoditi na temperaturama od 0°C, 40°C i 100°C. U svakom slučaju, u šifri razreda ulja, viskoznost mora biti označena brojkom pri temperaturi od 40 ° C. U GOST-u, vrijednost viskoznosti je navedena na 50°C. Ocjene koje se najčešće koriste u inženjerskoj hidraulici kreću se od ISO VG 22 do ISO VG 68.
Hidraulička ulja VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 na 40°C imaju vrijednosti viskoziteta koje odgovaraju njihovoj oznaci: 22, 32, 46, 68 i 100 cSt. Optimalnokinematička viskoznost radnog fluida u hidrauličkim sustavima kreće se od 16 do 36 cSt.
Američko društvo automobilskih inženjera (SAE) uspostavilo je raspone viskoznosti na određenim temperaturama i dodijelilo im odgovarajuće kodove. Broj iza W je apsolutna dinamička viskoznost Μ na 0°F (-17,7°C), a kinematička viskoznost ν određena je na 212°F (100°C). Ova se indeksacija odnosi na ulja za sva godišnja doba koja se koriste u automobilskoj industriji (mjenjač, motor, itd.).
Utjecaj viskoznosti na hidrauliku
Određivanje koeficijenta viskoznosti tekućine nije samo od znanstvenog i obrazovnog interesa, već ima i važnu praktičnu vrijednost. U hidrauličkim sustavima radni fluidi ne samo da prenose energiju s pumpe na hidrauličke motore, već i podmazuju sve dijelove komponenti i uklanjaju toplinu koja nastaje iz tarnih parova. Viskoznost radne tekućine koja nije prikladna za način rada može ozbiljno narušiti učinkovitost sve hidraulike.
Visoka viskoznost radnog fluida (ulje vrlo velike gustoće) dovodi do sljedećih negativnih pojava:
- Povećan otpor protoku hidrauličke tekućine uzrokuje prekomjeran pad tlaka u hidrauličkom sustavu.
- Usporavanje brzine upravljanja i mehaničkih pokreta aktuatora.
- Razvoj kavitacije u pumpi.
- Nulo ili prenisko ispuštanje zraka iz ulja hidrauličkog spremnika.
- Primjetnogubitak snage (smanjenje učinkovitosti) hidraulike zbog visokih troškova energije za prevladavanje unutarnjeg trenja tekućine.
- Povećan okretni moment glavnog pokretača stroja uzrokovan povećanim opterećenjem pumpe.
- Porast temperature hidrauličke tekućine zbog povećanog trenja.
Dakle, fizičko značenje koeficijenta viskoznosti leži u njegovom utjecaju (pozitivnom ili negativnom) na komponente i mehanizme vozila, strojeva i opreme.
Gubitak hidrauličke snage
Mala viskoznost radnog fluida (ulje male gustoće) dovodi do sljedećih negativnih pojava:
- Smanjenje volumetrijske učinkovitosti crpki kao rezultat povećanja unutarnjeg curenja.
- Povećanje unutarnjih propuštanja u hidrauličkim komponentama cijelog hidrauličkog sustava - pumpe, ventili, hidraulički razdjelnici, hidraulični motori.
- Povećano trošenje crpnih jedinica i zaglavljivanje pumpi zbog nedovoljne viskoznosti radnog fluida potrebnog za podmazivanje dijelova koji trljaju.
Kompresibilnost
Svaka tekućina se komprimira pod pritiskom. S obzirom na ulja i rashladna sredstva koja se koriste u hidraulici strojarstva, empirijski je utvrđeno da je proces kompresije obrnuto proporcionalan masi tekućine po volumenu. Omjer kompresije je veći za mineralna ulja, znatno niži za vodu i puno niži za sintetičke tekućine.
U jednostavnim niskotlačnim hidrauličkim sustavima, kompresibilnost tekućine ima zanemariv učinak na smanjenje početnog volumena. Ali u snažnim strojevima s visokom hidraulikomtlaka i velikih hidrauličnih cilindara, ovaj se proces očito očituje. Za hidraulička mineralna ulja pri tlaku od 10,0 MPa (100 bara) volumen se smanjuje za 0,7%. Istodobno, na promjenu volumena kompresije neznatno utječu kinematička viskoznost i vrsta ulja.
Zaključak
Određivanje koeficijenta viskoznosti omogućuje predviđanje rada opreme i mehanizama u različitim uvjetima, uzimajući u obzir promjene u sastavu tekućine ili plina, tlaku, temperaturi. Također, kontrola ovih pokazatelja je relevantna u sektoru nafte i plina, komunalnim djelatnostima i drugim industrijama.
