Faktor viskoznosti. Koeficijent dinamičkog viskoziteta. Fizičko značenje koeficijenta viskoznosti

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Koeficijent viskoznosti je ključni parametar radnog fluida ili gasa. U fizičkom smislu, viskoznost se može definirati kao unutrašnje trenje uzrokovano kretanjem čestica koje čine masu tečnog (gasovitog) medija, ili, jednostavnije, otpor kretanju.

Šta je viskozitet

Najjednostavniji empirijski eksperiment za određivanje viskoznosti: ista količina vode i ulja se u isto vrijeme sipa na glatku nagnutu površinu. Voda otječe brže od ulja. Ona je fluidnija. Većim trenjem između njegovih molekula (unutrašnji otpor – viskozitet) sprječava se brzo otjecanje ulja koje se kreće. Dakle, viskoznost tečnosti je obrnuto proporcionalna njenoj fluidnosti.

Odnos viskoziteta: formula

U pojednostavljenom obliku, proces kretanja viskoznog fluida u cevovodu može se posmatrati u obliku ravnih paralelnih slojeva A i B sa istom površinom S, rastojanje 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). Istovremeno, sloj B ima tendenciju da uspori brzinu sloja A. Fizičko značenje koeficijenta viskoznosti je da trenje molekula, koji su otpor slojeva protoka, formira silu koju je Isaac Newton opisao pomoću sljedeća formula:

F=µ × S × (ΔV/h)

Ovdje:

• ΔV je razlika u brzinama slojeva protoka fluida;
• h – udaljenost između slojeva protoka fluida;
• S – površina sloja protoka fluida;
• Μ (mu) - koeficijent koji zavisi od svojstva tečnosti, koji se naziva apsolutni dinamički viskozitet.

U SI jedinicama formula izgleda ovako:

µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (paskal × sekunda)

Ovdje je F sila gravitacije (težina) jedinične zapremine radnog fluida.

Vrijednost viskoziteta

U većini slučajeva, dinamički koeficijent viskoznosti se mjeri u centipoazu (cP) u skladu sa CGS sistemom jedinica (centimetar, gram, sekunda). U praksi, viskoznost je povezana sa odnosom mase tečnosti prema njenoj zapremini, odnosno gustini tečnosti:

ρ=m / V

Ovdje:

• ρ – gustina tečnosti;
• m – masa tečnosti;
• V je zapremina tečnosti.

Odnos između dinamičke viskoznosti (Μ) i gustine (ρ) naziva se kinematička viskoznost ν (ν – na grčkom –gola):

ν=Μ / ρ=[m²/s]

Uzgred, metode za određivanje koeficijenta viskoznosti su različite. Na primjer, kinematička viskoznost se još uvijek mjeri u skladu sa CGS sistemom u centistoksima (cSt) i u frakcionim jedinicama - stokovima (St):

• 1St=10^-4 m²/s=1 cm²/s;
• 1sSt=10^-6 m²/s=1 mm²/s.

Određivanje viskoziteta vode

Viskozitet vode se određuje mjerenjem vremena potrebnog fluidu da prođe kroz kalibriranu kapilarnu cijev. Ovaj uređaj je kalibriran sa standardnom tekućinom poznatog viskoziteta. Za određivanje kinematičke viskoznosti, mjerene u mm²/s, vrijeme protoka fluida, mjereno u sekundama, množi se konstantom.

Jedinica poređenja je viskozitet destilovane vode, čija je vrednost skoro konstantna čak i kada se temperatura promeni. Koeficijent viskoznosti je omjer vremena u sekundama koje je potrebno fiksnoj zapremini destilovane vode da iscuri iz kalibriranog otvora prema onoj tekućine koja se testira.

Viskozimetri

Viskozitet se mjeri u stepenima Englera (°E), Saybolt univerzalne sekunde ("SUS") ili stepeni Redwood (°RJ) u zavisnosti od tipa viskozimetra koji se koristi. Tri tipa viskozimetra se razlikuju samo po količini tečnost istječe.

Viskozimetar koji mjeri viskozitet u evropskim jedinicama stepena Englera (°E), izračunato200cm³ tečni medij. Viskozimetar koji mjeri viskozitet u Saybolt univerzalnim sekundama ("SUS" ili "SSU" koji se koriste u SAD) sadrži 60 cm³ test tečnosti. U Engleskoj, gdje se koriste Redwood stepeni (°RJ), viskozimetar mjeri viskozitet 50 cm³ tečnosti. Na primjer, ako 200 cm³ određenog ulja teče deset puta sporije od iste zapremine vode, tada je Englerov viskozitet 10°E.

Budući da je temperatura ključni faktor u promjeni koeficijenta viskoznosti, mjerenja se obično prvo vrše na konstantnoj temperaturi od 20°C, a zatim na višim vrijednostima. Rezultat se tako izražava dodavanjem odgovarajuće temperature, na primjer: 10°E/50°C ili 2,8°E/90°C. Viskoznost tečnosti na 20°C veća je od njenog viskoziteta na višim temperaturama. Hidraulična ulja imaju sljedeće viskoznosti na odgovarajućim temperaturama:

190 cSt na 20°C=45,4 cSt na 50°C=11,3 cSt na 100°C.

Prevedi vrijednosti

Određivanje koeficijenta viskoznosti se dešava u različitim sistemima (američki, engleski, GHS), te je stoga često potrebno prenijeti podatke iz jednog dimenzionalnog sistema u drugi. Za pretvaranje vrijednosti viskoziteta fluida izražene u stepenima 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.

Da biste brzo odredili standardni viskozitet 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 koeficijent dinamičkog viskoziteta Μ koristeći sljedeći odnos:

M=ν × ρ

Primjer. Sumirajući različite formule konverzije za stepene Engler (°E), centistokes (cSt) i centipoise (cP), pretpostavimo da hidraulično ulje gustine 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.

Zato što 1cSt=10^-6m²/s i 1cP=10^-3N×s/m², tada će dinamički viskozitet biti:

M=ν × ρ=90,3 × 10^-6 910=0,082 N×s/m²=82 cP.

Faktor viskoznosti gasa

Određuje se sastavom (hemijski, mehanički) gasa, uticajem temperature, pritiska i koristi se u gasnodinamičkim proračunima vezanim za kretanje gasa. U praksi, viskoznost gasova se uzima u obzir prilikom projektovanja razvoja gasnog polja, pri čemu se koeficijent promene izračunava u zavisnosti od promena u sastavu gasa (posebno važno za gasno-kondenzatna polja), temperature i pritiska.

Izračunajte viskozitet vazduha. Procesi će biti sličnidva toka o kojima smo gore govorili. Pretpostavimo da se dvije struje plina U1 i U2 kreću paralelno, ali različitim brzinama. Konvekcija (međusobno prodiranje) molekula će se dogoditi između slojeva. Kao rezultat toga, zamah zračne struje koja se brže kreće će se smanjiti, a ona koja se u početku kreće sporije će se ubrzati.

Koeficijent viskoziteta vazduha, prema Newtonovom zakonu, izražava se sljedećom formulom:

F=-h × (dU/dZ) × S

Ovdje:

• dU/dZ je gradijent brzine;
• S – područje udara sile;
• Koeficijent h - dinamički viskozitet.

Indeks viskoziteta

Indeks viskoziteta (VI) je parametar koji povezuje promjene viskoziteta i temperature. Korelacija je statistička veza, u ovom slučaju dvije veličine, u kojoj promjena temperature prati sistematsku promjenu viskoziteta. Što je veći indeks viskoznosti, manja je promjena između dvije vrijednosti, odnosno viskozitet radnog fluida je stabilniji s promjenama temperature.

Viskozitet ulja

Baze modernih ulja imaju indeks viskoziteta ispod 95-100 jedinica. Zbog toga se u hidrauličkim sistemima mašina i opreme mogu koristiti dovoljno stabilne radne tečnosti, koje ograničavaju široku promenu viskoziteta u uslovima kritičnih temperatura.

"Povoljan" koeficijent viskoznosti može se održati unošenjem u ulje posebnih aditiva (polimera) dobijenih destilacijom ulja. Povećavaju indeks viskoznosti ulja zaračuna ograničavanja promjene ove karakteristike u dozvoljenom intervalu. U praksi, uvođenjem potrebne količine aditiva, indeks niskog viskoziteta baznog ulja može se povećati na 100-105 jedinica. Međutim, na ovaj način dobijena smeša pogoršava svoja svojstva pri visokom pritisku i toplotnom opterećenju, čime se smanjuje efikasnost aditiva.

U strujnim krugovima moćnih hidrauličnih sistema treba koristiti radne fluide sa indeksom viskoziteta od 100 jedinica. Radni fluidi sa aditivima koji povećavaju indeks viskoznosti koriste se u hidrauličkim upravljačkim krugovima i drugim sistemima koji rade u opsegu niskog/srednjeg pritiska, u ograničenom temperaturnom opsegu, sa malim curenjem i u serijskom radu. Sa povećanjem pritiska povećava se i viskoznost, ali ovaj proces se odvija pri pritiscima iznad 30,0 MPa (300 bara). U praksi se ovaj faktor često zanemaruje.

Mjerenje i indeksiranje

U skladu sa međunarodnim ISO standardima, koeficijent viskoziteta vode (i drugih tečnih medija) je izražen u centistoksima: cSt (mm²/s). Mjerenje viskoziteta procesnih ulja treba vršiti na temperaturama od 0°C, 40°C i 100°C. U svakom slučaju, u šifri razreda ulja, viskoznost mora biti označena cifrom na temperaturi od 40 ° C. U GOST-u, vrijednost viskoziteta je data na 50°C. Klase koje se najčešće koriste u inženjerskoj hidraulici kreću se od ISO VG 22 do ISO VG 68.

Hidraulična 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 hidrauličnim sistemima kreće se od 16 do 36 cSt.

Američko društvo automobilskih inženjera (SAE) uspostavilo je opsege viskoziteta na određenim temperaturama i dodijelilo im odgovarajuće kodove. Broj iza W je apsolutni dinamički viskozitet Μ na 0°F (-17,7°C), a kinematička viskoznost ν određena je na 212°F (100°C). Ova indeksacija se odnosi na ulja za sva godišnja doba koja se koriste u automobilskoj industriji (mjenjač, motor, itd.).

Uticaj viskoziteta na hidrauliku

Određivanje koeficijenta viskoznosti tečnosti nije samo od naučnog i obrazovnog interesa, već ima i važnu praktičnu vrednost. U hidrauličkim sistemima, radni fluidi ne samo da prenose energiju od pumpe do hidrauličkih motora, već i podmazuju sve delove komponenti i uklanjaju toplotu stvorenu iz frikcionih parova. Viskozitet radnog fluida koji nije prikladan za režim rada može ozbiljno ugroziti efikasnost svih hidraulika.

Visoki viskozitet radnog fluida (ulje veoma velike gustine) dovodi do sledećih negativnih pojava:

• Povećan otpor protoku hidrauličnog fluida uzrokuje preveliki pad pritiska u hidrauličnom sistemu.
• Usporavanje kontrolne brzine i mehaničkih pokreta aktuatora.
• Razvoj kavitacije u pumpi.
• Nulo ili prenisko ispuštanje vazduha iz ulja hidrauličnog rezervoara.
• Primjetnogubitak snage (smanjenje efikasnosti) hidraulike zbog visokih troškova energije za prevazilaženje unutrašnjeg trenja fluida.
• Povećan obrtni moment glavnog pokretača mašine uzrokovan povećanim opterećenjem pumpe.
• Porast temperature hidrauličnog fluida zbog povećanog trenja.

Dakle, fizičko značenje koeficijenta viskoznosti leži u njegovom uticaju (pozitivnom ili negativnom) na komponente i mehanizme vozila, mašina i opreme.

Gubitak hidrauličke snage

Mali viskozitet radnog fluida (ulje male gustine) dovodi do sledećih negativnih pojava:

• Smanjenje zapreminske efikasnosti pumpi kao rezultat povećanja unutrašnjeg curenja.
• Povećanje unutrašnjih curenja u hidrauličkim komponentama čitavog hidrauličkog sistema - pumpe, ventili, hidraulički razdjelnici, hidraulični motori.
• Povećano trošenje pumpnih jedinica i zaglavljivanje pumpi zbog nedovoljnog viskoziteta radnog fluida potrebnog za podmazivanje dijelova koji trljaju.

Kompresibilnost

Svaka tečnost se kompresuje pod pritiskom. Što se tiče ulja i rashladnih tečnosti koje se koriste u mašinskoj hidraulici, empirijski je utvrđeno da je proces kompresije obrnuto proporcionalan masi tečnosti po zapremini. Omjer kompresije je veći za mineralna ulja, znatno niži za vodu i mnogo niži za sintetičke tekućine.

U jednostavnim hidrauličkim sistemima niskog pritiska, kompresibilnost tečnosti ima zanemariv uticaj na smanjenje početne zapremine. Ali u moćnim mašinama sa visokom hidraulikompritiska i velikih hidrauličnih cilindara, ovaj se proces primjetno manifestira. Kod hidrauličkih mineralnih ulja pri pritisku od 10,0 MPa (100 bara), zapremina se smanjuje za 0,7%. Istovremeno, na promjenu zapremine kompresije blago utječu kinematička viskoznost i vrsta ulja.

Zaključak

Određivanje koeficijenta viskoznosti omogućava vam da predvidite rad opreme i mehanizama u različitim uslovima, uzimajući u obzir promene u sastavu tečnosti ili gasa, pritisak, temperaturu. Takođe, kontrola ovih indikatora je relevantna u sektoru nafte i gasa, komunalnoj i drugim industrijama.