Viskositetskoefficient er en nøgleparameter for en arbejdsvæske eller gas. I fysiske termer kan viskositet defineres som den indre friktion forårsaget af bevægelsen af partikler, der udgør massen af et flydende (gasformigt) medium, eller mere enkelt, modstanden mod bevægelse.
Hvad er viskositet
Det enkleste empiriske eksperiment til at bestemme viskositet: den samme mængde vand og olie hældes på en glat skrå overflade på samme tid. Vand dræner hurtigere end olie. Hun er mere flydende. En bevægende olie forhindres i at dræne hurtigt af den højere friktion mellem dens molekyler (indre modstand - viskositet). En væskes viskositet er således omvendt proportional med dens fluiditet.
Viskositetsforhold: formel
I en forenklet form kan processen med bevægelse af en viskøs væske i en rørledning betragtes i form af flade parallelle lag A og B med samme overfladeareal S, hvor afstanden er h.
Disse to lag (A og B) bevæger sig med forskellige hastigheder (V og V+ΔV). Lag A, som har den højeste hastighed (V+ΔV), involverer lag B, som bevæger sig med en lavere hastighed (V). Samtidig har lag B en tendens til at sænke hastigheden af lag A. Den fysiske betydning af viskositetskoefficienten er, at friktionen af molekylerne, som er flowlagenes modstand, danner en kraft, som Isaac Newton beskrev af følgende formel:
F=µ × S × (ΔV/h)
Her:
- ΔV er forskellen i hastighederne af væskestrømningslagene;
- h – afstand mellem lag af væskestrøm;
- S – overfladeareal af væskestrømningslaget;
- Μ (mu) - en koefficient, der afhænger af væskens egenskab, kaldet den absolutte dynamiske viskositet.
I SI-enheder ser formlen således ud:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekund)
Her er F tyngdekraften (vægten) af enhedsvolumenet af arbejdsvæsken.
Viskositetsværdi
I de fleste tilfælde måles den dynamiske viskositetskoefficient i centipoise (cP) i overensstemmelse med CGS-enhedssystemet (centimeter, gram, sekund). I praksis er viskositet relateret til forholdet mellem en væskes masse og dens volumen, det vil sige til væskens massefylde:
ρ=m / V
Her:
- ρ – væskedensitet;
- m – masse af væske;
- V er volumen af væske.
Forholdet mellem dynamisk viskositet (Μ) og massefylde (ρ) kaldes kinematisk viskositet ν (ν – på græsk –nøgen):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Metoderne til bestemmelse af viskositetskoefficienten er i øvrigt forskellige. F.eks. måles kinematisk viskositet stadig i overensstemmelse med CGS-systemet i centistokes (cSt) og i fraktionelle enheder - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Bestemmelse af vands viskositet
Vands viskositet bestemmes ved at måle den tid, det tager for væske at strømme gennem et kalibreret kapillarrør. Denne enhed er kalibreret med en standardvæske med kendt viskositet. For at bestemme den kinematiske viskositet, målt i mm2/s, multipliceres væskestrømningstiden, målt i sekunder, med en konstant.
Sammenligningsenheden er viskositeten af destilleret vand, hvis værdi er næsten konstant, selv når temperaturen ændres. Viskositetskoefficienten er forholdet mellem den tid i sekunder, det tager et fast volumen af destilleret vand at strømme ud af en kalibreret åbning og den af den væske, der testes.
viskometre
Viskositet måles i grader Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") eller grader Redwood (°RJ) afhængigt af den anvendte type viskosimeter. De tre typer viskosimeter adskiller sig kun i mængden af væske strømmer ud.
Viskosimeter, der måler viskositet i den europæiske enhed grad Engler (°E), beregnet200 cm3 udstrømmende flydende medium. Et viskosimeter, der måler viskositeten i Saybolt Universal Seconds ("SUS" eller "SSU" brugt i USA) indeholder 60 cm3 af testvæsken. I England, hvor Redwood-grader (°RJ) bruges, måler viskosimeteret viskositeten af 50 cm3 væske. For eksempel, hvis 200 cm3 af en bestemt olie flyder ti gange langsommere end det samme volumen vand, så er Engler-viskositeten 10°E.
Fordi temperatur er en nøglefaktor ved ændring af viskositetskoefficienten, tages målinger norm alt først ved en konstant temperatur på 20°C og derefter ved højere værdier. Resultatet udtrykkes således ved at tilføje den passende temperatur, for eksempel: 10°E/50°C eller 2,8°E/90°C. Viskositeten af en væske ved 20°C er højere end dens viskositet ved højere temperaturer. Hydraulikolier har følgende viskositeter ved deres respektive temperaturer:
190 cSt ved 20°C=45,4 cSt ved 50°C=11,3 cSt ved 100°C.
Oversæt værdier
Bestemmelse af viskositetskoefficienten sker i forskellige systemer (amerikansk, engelsk, GHS), og derfor er det ofte nødvendigt at overføre data fra et dimensionssystem til et andet. For at konvertere væskeviskositetsværdier udtrykt i grader Engler til centistokes (mm2/s), skal du bruge 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 hurtigt at bestemme standardviskositeten for hydraulikolie kan formlen forenkles som følger:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Med en kinematisk viskositet ν i mm2/s eller cSt, kan du konvertere den til en dynamisk viskositetskoefficient Μ ved at bruge følgende forhold:
M=ν × ρ
Eksempel. Sammenfattende de forskellige konverteringsformler for grader Engler (°E), centistokes (cSt) og centipoise (cP), antag, at en hydraulikolie med en densitet på ρ=910 kg/m3 har en kinematisk viskositet på 12° E, som i enheder af 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, så vil den dynamiske viskositet være:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gasviskositetsfaktor
Det bestemmes af sammensætningen (kemisk, mekanisk) af gassen, effekten af temperatur, tryk og bruges i gasdynamiske beregninger relateret til gassens bevægelse. I praksis tages der hensyn til gassernes viskositet ved design af gasfeltsudviklinger, hvor koefficientændringerne beregnes afhængigt af ændringer i gassammensætningen (især vigtigt for gaskondensatfelter), temperatur og tryk.
Beregn luftens viskositet. Processerne vil lignede to strømme diskuteret ovenfor. Antag, at to gasstrømme U1 og U2 bevæger sig parallelt, men med forskellige hastigheder. Konvektion (gensidig penetration) af molekyler vil forekomme mellem lagene. Som et resultat vil momentum af den hurtigere bevægende luftstrøm falde, og den i starten bevægede langsommere vil accelerere.
Viskositetskoefficienten for luft, ifølge Newtons lov, er udtrykt ved følgende formel:
F=-h × (dU/dZ) × S
Her:
- dU/dZ er hastighedsgradienten;
- S – kraftpåvirkningsområde;
- Koefficient h - dynamisk viskositet.
Viskositetsindeks
Viskositetsindeks (VI) er en parameter, der korrelerer ændringer i viskositet og temperatur. En korrelation er en statistisk sammenhæng, i dette tilfælde to størrelser, hvor en ændring i temperaturen ledsager en systematisk ændring i viskositeten. Jo højere viskositetsindekset er, jo mindre er ændringen mellem de to værdier, dvs. viskositeten af arbejdsfluidet er mere stabil ved temperaturændringer.
Olieviskositet
Baserne i moderne olier har et viskositetsindeks på under 95-100 enheder. Derfor kan der i maskiners og udstyrs hydrauliske systemer anvendes tilstrækkeligt stabile arbejdsvæsker, som begrænser den store ændring i viskositet under forhold med kritiske temperaturer.
"Fordelagtig" viskositetskoefficient kan opretholdes ved at tilføre olien specielle additiver (polymerer) opnået under destillationen af olie. De øger viskositetsindekset for olier forhensyn til at begrænse ændringen af denne karakteristik i det tilladte interval. I praksis kan basisoliens lave viskositetsindeks med indførelsen af den nødvendige mængde additiver øges til 100-105 enheder. Imidlertid forringer blandingen opnået på denne måde dens egenskaber ved højt tryk og varmebelastning, hvorved effektiviteten af tilsætningsstoffet reduceres.
I kraftkredsløbene i kraftige hydrauliske systemer bør der anvendes arbejdsvæsker med et viskositetsindeks på 100 enheder. Arbejdsvæsker med additiver, der øger viskositetsindekset, bruges i hydrauliske styrekredsløb og andre systemer, der opererer i lav-/mellemtryksområdet, i et begrænset temperaturområde, med små utætheder og i batchdrift. Med stigende tryk øges viskositeten også, men denne proces sker ved tryk over 30,0 MPa (300 bar). I praksis bliver denne faktor ofte forsømt.
Måling og indeksering
I overensstemmelse med internationale ISO-standarder er viskositetskoefficienten for vand (og andre flydende medier) udtrykt i centistokes: cSt (mm2/s). Viskositetsmålinger af procesolier bør udføres ved temperaturer på 0°C, 40°C og 100°C. Under alle omstændigheder skal viskositeten i oliekvalitetskoden angives med et tal ved en temperatur på 40 ° C. I GOST er viskositetsværdien angivet ved 50°C. De kvaliteter, der oftest anvendes inden for ingeniørhydraulik, spænder fra ISO VG 22 til ISO VG 68.
Hydraulikolier VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ved 40°C har viskositetsværdier, der svarer til deres mærkning: 22, 32, 46, 68 og 100 cSt. Optimalden kinematiske viskositet af arbejdsvæsken i hydrauliske systemer varierer fra 16 til 36 cSt.
The American Society of Automotive Engineers (SAE) har etableret viskositetsintervaller ved specifikke temperaturer og tildelt dem de relevante koder. Tallet efter W er den absolutte dynamiske viskositet Μ ved 0°F (-17,7°C), og den kinematiske viskositet ν blev bestemt ved 212°F (100°C). Denne indeksering gælder for helårsolier, der anvendes i bilindustrien (transmission, motor osv.).
Viskositetseffekt på hydraulik
Bestemmelse af en væskes viskositetskoefficient er ikke kun af videnskabelig og uddannelsesmæssig interesse, men har også en vigtig praktisk værdi. I hydrauliske systemer overfører arbejdsvæsker ikke kun energi fra pumpen til hydrauliske motorer, men smører også alle dele af komponenterne og fjerner den varme, der genereres fra friktionsparrene. Viskositeten af arbejdsvæsken, der ikke er passende til driftstilstanden, kan alvorligt forringe effektiviteten af al hydraulik.
Høj viskositet af arbejdsvæsken (olie med meget høj densitet) fører til følgende negative fænomener:
- Øget modstand mod hydraulisk væskestrøm forårsager et for stort trykfald i det hydrauliske system.
- Deceleration af kontrolhastighed og mekaniske bevægelser af aktuatorer.
- Udvikling af kavitation i pumpen.
- Nul eller for lav luftudledning fra hydrauliktankolie.
- Mærkbartab af kraft (fald i effektivitet) af hydraulik på grund af høje energiomkostninger for at overvinde væskens indre friktion.
- Øget drejningsmoment på maskinens drivkraft forårsaget af øget pumpebelastning.
- Forøgelse af hydraulikvæsketemperaturen på grund af øget friktion.
Den fysiske betydning af viskositetskoefficienten ligger således i dens indflydelse (positiv eller negativ) på komponenter og mekanismer i køretøjer, maskiner og udstyr.
Tab af hydraulisk kraft
Lav viskositet af arbejdsvæsken (olie med lav densitet) fører til følgende negative fænomener:
- Reduktion i pumpernes volumetriske effektivitet som følge af stigende intern lækage.
- Forøgelse af interne utætheder i de hydrauliske komponenter i hele det hydrauliske system - pumper, ventiler, hydrauliske fordelere, hydrauliske motorer.
- Øget slid på pumpeenheder og blokering af pumper på grund af utilstrækkelig viskositet af arbejdsvæsken, der er nødvendig for at give smøring af gnidningsdele.
Kompressibilitet
Enhver væske komprimeres under tryk. Med hensyn til olier og kølemidler, der anvendes i maskinteknisk hydraulik, er det empirisk fastslået, at kompressionsprocessen er omvendt proportional med væskens masse pr. volumen. Kompressionsforholdet er højere for mineralolier, væsentligt lavere for vand og meget lavere for syntetiske væsker.
I simple hydrauliske lavtrykssystemer har væskens komprimerbarhed ubetydelig effekt på reduktionen af det oprindelige volumen. Men i kraftige maskiner med høj hydrauliktryk og store hydrauliske cylindre, manifesterer denne proces sig mærkbart. For hydrauliske mineralolier ved et tryk på 10,0 MPa (100 bar) falder volumen med 0,7%. Samtidig er ændringen i kompressionsvolumen lidt påvirket af den kinematiske viskositet og olietypen.
Konklusion
Bestemmelse af viskositetskoefficienten giver dig mulighed for at forudsige driften af udstyr og mekanismer under forskellige forhold under hensyntagen til ændringer i sammensætningen af en væske eller gas, tryk, temperatur. Kontrol af disse indikatorer er også relevant i olie- og gassektoren, forsyningsselskaber og andre industrier.
