A viszkozitási együttható a munkaközeg vagy gáz egyik kulcsparamétere. Fizikai értelemben a viszkozitás a folyékony (gáznemű) közeg tömegét alkotó részecskék mozgása által okozott belső súrlódásként, vagy egyszerűbben a mozgással szembeni ellenállásként definiálható.
Mi a viszkozitás
A viszkozitás meghatározásának legegyszerűbb empirikus kísérlete: egy sima ferde felületre azonos mennyiségű vizet és olajat öntünk egyszerre. A víz gyorsabban folyik le, mint az olaj. Folyékonyabb. A mozgó olajat a molekulái közötti nagyobb súrlódás (belső ellenállás - viszkozitás) akadályozza meg a gyors lefolyásban. Így a folyadék viszkozitása fordítottan arányos a folyékonyságával.
Viszkozitási arány: képlet
Egyszerűsített formában a viszkózus folyadék csővezetékben történő mozgásának folyamata sík, párhuzamos A és B rétegek formájában tekinthető azonos S felülettel, amelyek távolsága h.
Ez a két réteg (A és B) különböző sebességgel mozog (V és V+ΔV). Az A réteg, amelynek a legnagyobb sebessége (V+ΔV), a B réteget foglalja magában, amely kisebb sebességgel (V) mozog. Ugyanakkor a B réteg hajlamos lelassítani az A réteg sebességét. A viszkozitási együttható fizikai jelentése az, hogy az áramlási rétegek ellenállását jelentő molekulák súrlódása olyan erőt képez, amelyet Isaac Newton leírt a a következő képlet:
F=µ × S × (ΔV/h)
Itt:
- ΔV a folyadékáramlási rétegek sebességének különbsége;
- h – távolság a folyadékáramlás rétegei között;
- S – a folyadékáramlási réteg felülete;
- Μ (mu) - a folyadék tulajdonságaitól függő együttható, amelyet abszolút dinamikus viszkozitásnak neveznek.
SI-egységekben a képlet így néz ki:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × másodperc)
Itt F a munkafolyadék térfogategységének gravitációs ereje (súlya).
Viszkozitásérték
A legtöbb esetben a dinamikus viszkozitási együtthatót centipoise-ban (cP) mérik a CGS mértékegységrendszerének megfelelően (centiméter, gramm, másodperc). A gyakorlatban a viszkozitás a folyadék tömegének és térfogatának arányához, azaz a folyadék sűrűségéhez kapcsolódik:
ρ=m / V
Itt:
- ρ – folyadék sűrűsége;
- m – folyadék tömege;
- V a folyadék térfogata.
A dinamikus viszkozitás (Μ) és a sűrűség (ρ) közötti összefüggést kinematikai viszkozitásnak nevezzük ν (ν – görögül –meztelen):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
A viszkozitási együttható meghatározásának módszerei egyébként eltérőek. Például a kinematikai viszkozitást továbbra is a CGS-rendszer szerint mérik centistokes-ban (cSt) és tört egységekben - stoke-ban (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
A víz viszkozitásának meghatározása
A víz viszkozitását úgy határozzuk meg, hogy megmérjük azt az időt, amely alatt a folyadék átfolyik egy kalibrált kapilláris csövön. Ez a készülék ismert viszkozitású szabványos folyadékkal van kalibrálva. A mm2/s-ban mért kinematikai viszkozitás meghatározásához a másodpercben mért folyadékáramlási időt meg kell szorozni egy állandóval.
Az összehasonlítás mértékegysége a desztillált víz viszkozitása, melynek értéke a hőmérséklet változása esetén is szinte állandó. A viszkozitási együttható annak az időnek a hányadosa, másodpercben, ameddig egy meghatározott térfogatú desztillált víz kifolyik a kalibrált nyíláson, és a vizsgált folyadék idejéhez viszonyítva.
Viszkoziméterek
A viszkozitás mértéke Engler-fokban (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") vagy Redwood-fokban (°RJ) a használt viszkoziméter típusától függően. A három típusú viszkoziméter csak a viszkoziméter mértékében tér el egymástól. kifolyó folyadék.
Viszkoziméter méri a viszkozitást európai mértékegységben Engler (°E), számított200cm3 kiáramló folyékony közeg. A viszkozitást Saybolt Universal Seconds-ban mérő viszkoziméter (az USA-ban használt "SUS" vagy "SSU") 60 cm3 tesztfolyadékot tartalmaz. Angliában, ahol Redwood fokokat (°RJ) használnak, a viszkoziméter 50 cm3 folyadék viszkozitását méri. Például, ha egy bizonyos olajból 200 cm3 tízszer lassabban folyik, mint azonos térfogatú víz, akkor az Engler-viszkozitás 10°K.
Mivel a hőmérséklet kulcsfontosságú tényező a viszkozitási együttható megváltoztatásában, a méréseket általában először állandó, 20°C-os hőmérsékleten, majd magasabb értékeken végzik. Az eredményt tehát a megfelelő hőmérséklet hozzáadásával fejezzük ki, például: 10°E/50°C vagy 2,8°E/90°C. A folyadék viszkozitása 20°C-on nagyobb, mint magasabb hőmérsékleten. A hidraulikaolajok viszkozitása a következő hőmérsékleten:
190 cSt 20 °C-on=45,4 cSt 50 °C-on=11,3 cSt 100 °C-on.
Értékek fordítása
A viszkozitási együttható meghatározása különböző rendszerekben történik (amerikai, angol, GHS), ezért gyakran szükséges az adatok átvitele egyik dimenziós rendszerből a másikba. Az Engler-fokban kifejezett folyadékviszkozitási értékek centistokes-ra (mm2/s) konvertálásához használja a következő empirikus képletet:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Például:
- 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.
A hidraulikaolaj standard viszkozitásának gyors meghatározásához a képlet a következőképpen egyszerűsíthető:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Ha kinematikai viszkozitása ν mm-ben2/s vagy cSt, átválthatja dinamikus viszkozitási együtthatóvá Μ a következő összefüggés segítségével:
M=ν × ρ
Példa. Összefoglalva az Engler-fok (°E), centistokes (cSt) és centipoise (cP) különböző átváltási képleteit, tegyük fel, hogy egy ρ=910 kg/m3 sűrűségű hidraulikaolaj kinematikai viszkozitása 12° E, ami cSt egységekben:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Mert 1cSt=10-6m2/s és 1cP=10-3N×s/m2, akkor a dinamikus viszkozitás a következő lesz:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gázviszkozitási tényező
A gáz összetétele (kémiai, mechanikai), a hőmérséklet, nyomás hatása határozza meg, és a gázmozgással kapcsolatos gázdinamikai számításoknál használják. A gyakorlatban a gázok viszkozitását a gázmező-fejlesztések tervezésekor veszik figyelembe, ahol az együttható változásokat a gáz összetételének (különösen a gázkondenzációs mezőknél fontos), a hőmérséklet és a nyomás változásától függően számítják ki.
Számítsa ki a levegő viszkozitását. A folyamatok hasonlóak leszneka fent tárgy alt két folyam. Tegyük fel, hogy két U1 és U2 gázáram párhuzamosan, de eltérő sebességgel mozog. A molekulák konvekciója (kölcsönös behatolása) megy végbe a rétegek között. Ennek eredményeként a gyorsabban mozgó légáram lendülete csökken, a kezdetben lassabban haladó pedig felgyorsul.
A levegő viszkozitási együtthatóját a Newton-törvény szerint a következő képlet fejezi ki:
F=-h × (dU/dZ) × S
Itt:
- dU/dZ a sebességgradiens;
- S – erő hatásterület;
- H együttható – dinamikus viszkozitás.
Viszkozitási index
A viszkozitási index (VI) egy olyan paraméter, amely korrelálja a viszkozitás és a hőmérséklet változásait. A korreláció egy statisztikai összefüggés, jelen esetben két mennyiség, amelyben a hőmérséklet változása szisztematikus viszkozitásváltozással jár együtt. Minél magasabb a viszkozitási index, annál kisebb a változás a két érték között, vagyis a munkafolyadék viszkozitása stabilabb a hőmérséklet változásaival.
Olaj viszkozitása
A modern olajok alapjainak viszkozitási indexe 95-100 egység alatt van. Ezért a gépek és berendezések hidraulikus rendszereiben kellően stabil munkafolyadékok használhatók, amelyek korlátozzák a viszkozitás nagymértékű változását kritikus hőmérsékleti körülmények között.
A "kedvező" viszkozitási együttható az olaj desztillációja során nyert speciális adalékanyagok (polimerek) olajba való bejuttatásával tartható fenn. Növelik az olajok viszkozitási indexétfigyelembe véve e jellemző változásának korlátozását a megengedett intervallumban. A gyakorlatban a szükséges mennyiségű adalékanyag bevezetésével az alapolaj alacsony viszkozitási indexe 100-105 egységre növelhető. Az így kapott keverék azonban nagy nyomás és hőterhelés hatására rontja tulajdonságait, ezáltal csökkenti az adalékanyag hatékonyságát.
Erőteljes hidraulikus rendszerek áramköreiben 100 egység viszkozitási indexű munkafolyadékokat kell használni. A viszkozitási indexet növelő adalékanyagokat tartalmazó munkafolyadékokat hidraulikus vezérlőkörökben és egyéb alacsony / közepes nyomástartományban, korlátozott hőmérsékleti tartományban, kis szivárgásokkal és szakaszos üzemben működő rendszerekben használják. A nyomás növekedésével a viszkozitás is nő, de ez a folyamat 30,0 MPa (300 bar) feletti nyomáson megy végbe. A gyakorlatban ezt a tényezőt gyakran figyelmen kívül hagyják.
Mérés és indexelés
A nemzetközi ISO szabványoknak megfelelően a víz (és más folyékony közegek) viszkozitási együtthatója centistokes-ban van kifejezve: cSt (mm2/s). A technológiai olajok viszkozitásmérését 0°C, 40°C és 100°C hőmérsékleten kell elvégezni. Mindenesetre az olajminőség kódjában a viszkozitást egy számmal kell jelezni 40 ° C hőmérsékleten. A GOST-ban a viszkozitás értéke 50 °C-on van megadva. A műszaki hidraulikában leggyakrabban használt minőségek az ISO VG 22-től az ISO VG 68-ig terjednek.
A VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 hidraulika olajok 40°C-on a jelölésüknek megfelelő viszkozitási értékekkel rendelkeznek: 22, 32, 46, 68 és 100 cSt. Optimálisa munkafolyadék kinematikai viszkozitása hidraulikus rendszerekben 16-36 cSt.
Az American Society of Automotive Engineers (SAE) meghatározott hőmérsékleteken viszkozitási tartományokat határozott meg, és hozzárendelte a megfelelő kódokat. A W-t követő szám az abszolút dinamikus viszkozitás Μ 0 °F-on (-17,7 °C), a kinematikai viszkozitást ν pedig 212 °F-on (100 °C) határoztuk meg. Ez az indexálás az autóiparban használt egész évszakos olajokra vonatkozik (hajtómű, motor stb.).
A viszkozitás hatása a hidraulikára
A folyadék viszkozitási együtthatójának meghatározása nem csak tudományos és oktatási jelentőségű, hanem fontos gyakorlati értéket is hordoz. A hidraulikus rendszerekben a munkafolyadékok nemcsak energiát adnak át a szivattyúból a hidraulikus motoroknak, hanem megkenik az alkatrész minden részét, és eltávolítják a súrlódási párokból keletkező hőt. A munkafolyadék viszkozitása, amely nem megfelelő az üzemmódhoz, súlyosan ronthatja az összes hidraulika hatékonyságát.
A munkafolyadék magas viszkozitása (nagyon nagy sűrűségű olaj) a következő negatív jelenségekhez vezet:
- A hidraulikafolyadék áramlásának megnövekedett ellenállása túlzott nyomásesést okoz a hidraulikus rendszerben.
- A vezérlési sebesség és a működtetők mechanikus mozgásának lassulása.
- Kavitáció kialakulása a szivattyúban.
- Nulla vagy túl alacsony a levegőkibocsátás a hidraulikatartály olajából.
- Észrevehetőa hidraulika teljesítményvesztése (hatékonyság csökkenése) a folyadék belső súrlódásának leküzdésére szolgáló magas energiaköltségek miatt.
- A megnövekedett szivattyúterhelés okozta megnövekedett gépfőmozgató nyomaték.
- A hidraulikafolyadék hőmérsékletének emelkedése a megnövekedett súrlódás miatt.
Így a viszkozitási együttható fizikai jelentése a járművek, gépek és berendezések alkatrészeire és mechanizmusaira gyakorolt (pozitív vagy negatív) hatásában rejlik.
A hidraulikus teljesítmény elvesztése
A munkafolyadék alacsony viszkozitása (kis sűrűségű olaj) a következő negatív jelenségekhez vezet:
- A szivattyúk térfogati hatásfokának csökkenése a növekvő belső szivárgás következtében.
- Növekszik a belső szivárgás a teljes hidraulikus rendszer hidraulikus alkatrészeiben – szivattyúk, szelepek, hidraulikus elosztók, hidraulikus motorok.
- A szivattyúegységek fokozott kopása és a szivattyúk elakadása a dörzsölő részek kenéséhez szükséges munkafolyadék elégtelen viszkozitása miatt.
Tömöríthetőség
Bármilyen folyadék nyomás alatt összenyomódik. A gépipari hidraulikában használt olajok és hűtőfolyadékok tekintetében tapasztalati úton megállapították, hogy a kompressziós folyamat fordítottan arányos a folyadék térfogatonkénti tömegével. A tömörítési arány magasabb ásványolajoknál, lényegesen alacsonyabb víznél és sokkal alacsonyabb szintetikus folyadékoknál.
Egyszerű alacsony nyomású hidraulikus rendszerekben a folyadék összenyomhatósága elhanyagolható hatással van a kezdeti térfogat csökkentésére. De nagy teljesítményű, magas hidraulikával rendelkező gépekbennyomás és nagy hidraulikus hengerek, ez a folyamat észrevehetően megnyilvánul. 10,0 MPa (100 bar) nyomású hidraulikus ásványolajoknál a térfogat 0,7%-kal csökken. Ugyanakkor a kompressziós térfogat változását kis mértékben befolyásolja a kinematikai viszkozitás és az olaj típusa.
Következtetés
A viszkozitási együttható meghatározása lehetővé teszi a berendezések és mechanizmusok működésének előrejelzését különböző körülmények között, figyelembe véve a folyadék vagy gáz összetételének, nyomásának, hőmérsékletének változásait. Ezen mutatók ellenőrzése az olaj- és gázszektorban, a közművekben és más iparágakban is releváns.
