Koeficient viskozity je kľúčovým parametrom pracovnej tekutiny alebo plynu. Z fyzikálneho hľadiska môže byť viskozita definovaná ako vnútorné trenie spôsobené pohybom častíc, ktoré tvoria hmotu kvapalného (plynného) média, alebo jednoduchšie ako odpor voči pohybu.
Čo je viskozita
Najjednoduchší empirický experiment na určenie viskozity: na hladký naklonený povrch sa súčasne naleje rovnaké množstvo vody a oleja. Voda steká rýchlejšie ako olej. Je tekutejšia. Väčším trením medzi jeho molekulami (vnútorný odpor - viskozita) bráni rýchlemu vytekaniu pohybujúceho sa oleja. Viskozita kvapaliny je teda nepriamo úmerná jej tekutosti.
Viskozitný pomer: vzorec
V zjednodušenej forme možno proces pohybu viskóznej tekutiny v potrubí uvažovať vo forme plochých paralelných vrstiev A a B s rovnakým povrchom S, pričom vzdialenosť medzi nimi je h.
Tieto dve vrstvy (A a B) sa pohybujú rôznymi rýchlosťami (V a V+ΔV). Vrstva A, ktorá má najvyššiu rýchlosť (V+ΔV), zahŕňa vrstvu B, ktorá sa pohybuje nižšou rýchlosťou (V). Vrstva B má zároveň tendenciu spomaľovať rýchlosť vrstvy A. Fyzikálny význam viskozitného koeficientu spočíva v tom, že trenie molekúl, ktoré sú odporom vrstiev prúdenia, vytvára silu, ktorú Isaac Newton opísal tzv. nasledujúci vzorec:
F=µ × S × (ΔV/h)
Tu:
- ΔV je rozdiel v rýchlostiach vrstiev prúdenia tekutiny;
- h – vzdialenosť medzi vrstvami toku tekutiny;
- S – povrchová plocha vrstvy toku tekutiny;
- Μ (mu) - koeficient závislý od vlastnosti kvapaliny, nazývaný absolútna dynamická viskozita.
V jednotkách SI vzorec vyzerá takto:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (pascal × sekunda)
F je gravitačná sila (hmotnosť) jednotkového objemu pracovnej tekutiny.
Hodnota viskozity
Vo väčšine prípadov sa koeficient dynamickej viskozity meria v centipoise (cP) v súlade so systémom jednotiek CGS (centimeter, gram, sekunda). V praxi viskozita súvisí s pomerom hmotnosti kvapaliny k jej objemu, to znamená k hustote kvapaliny:
ρ=m / V
Tu:
- ρ – hustota kvapaliny;
- m – hmotnosť tekutiny;
- V je objem kvapaliny.
Vzťah medzi dynamickou viskozitou (Μ) a hustotou (ρ) sa nazýva kinematická viskozita ν (ν – po grécky –nahá):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Mimochodom, metódy na určenie koeficientu viskozity sú rôzne. Napríklad kinematická viskozita sa stále meria v súlade so systémom CGS v centistokes (cSt) a v zlomkových jednotkách - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Určenie viskozity vody
Viskozita vody sa určuje meraním času, ktorý kvapalina potrebuje na to, aby pretiekla cez kalibrovanú kapiláru. Toto zariadenie je kalibrované štandardnou kvapalinou so známou viskozitou. Na určenie kinematickej viskozity meranej v mm2/s sa čas prietoku tekutiny meraný v sekundách vynásobí konštantou.
Porovnávacou jednotkou je viskozita destilovanej vody, ktorej hodnota je takmer konštantná aj pri zmene teploty. Koeficient viskozity je pomer času v sekundách, počas ktorého pevný objem destilovanej vody vytečie z kalibrovaného otvoru k objemu testovanej kvapaliny.
Viskozimetre
Viskozita sa meria v stupňoch Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") alebo stupňoch Redwood (°RJ) v závislosti od typu použitého viskozimetra. Tieto tri typy viskozimetrov sa líšia iba množstvom vytekajúca tekutina.
Viskozimeter merajúci viskozitu v európskej jednotke stupeň Engler (°E), vypočítané200 cm3 vytekajúce kvapalné médium. Viskozimeter merajúci viskozitu v Saybolt Universal Seconds ("SUS" alebo "SSU" používaný v USA) obsahuje 60 cm3 testovacej tekutiny. V Anglicku, kde sa používajú stupne Redwood (°RJ), viskozimeter meria viskozitu 50 cm3 tekutiny. Napríklad, ak 200 cm3 určitého oleja tečie desaťkrát pomalšie ako rovnaký objem vody, potom Englerova viskozita je 10°E.
Keďže teplota je kľúčovým faktorom pri zmene viskozitného koeficientu, merania sa zvyčajne vykonávajú najskôr pri konštantnej teplote 20 °C a potom pri vyšších hodnotách. Výsledok je teda vyjadrený pripočítaním vhodnej teploty, napríklad: 10°E/50°C alebo 2,8°E/90°C. Viskozita kvapaliny pri 20°C je vyššia ako jej viskozita pri vyšších teplotách. Hydraulické oleje majú pri príslušných teplotách nasledujúce viskozity:
190 cSt pri 20 °C=45,4 cSt pri 50 °C=11,3 cSt pri 100 °C.
Preložiť hodnoty
Stanovenie viskozitného koeficientu prebieha v rôznych systémoch (americký, anglický, GHS), a preto je často potrebné prenášať údaje z jedného rozmerového systému do druhého. Ak chcete previesť hodnoty viskozity kvapaliny vyjadrené v stupňoch Englera na centistokes (mm2/s), použite nasledujúci empirický vzorec:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Napríklad:
- 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.
Na rýchle určenie štandardnej viskozity hydraulického oleja možno vzorec zjednodušiť takto:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Máte-li kinematickú viskozitu ν v mm2/s alebo cSt, môžete ju previesť na dynamický viskozitný koeficient Μ pomocou nasledujúceho vzťahu:
M=ν × ρ
Príklad. Ak zhrnieme rôzne vzorce prepočtu pre stupne Engler (°E), centistokes (cSt) a centipoise (cP), predpokladajme, že hydraulický olej s hustotou ρ=910 kg/m3 má kinematická viskozita 12° E, čo v jednotkách cSt je:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Pretože 1cSt=10-6m2/s a 1cP=10-3N×s/m2, potom dynamická viskozita bude:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Faktor viskozity plynu
Je určená zložením (chemickým, mechanickým) plynu, vplyvom teploty, tlaku a používa sa v plynodynamických výpočtoch súvisiacich s pohybom plynu. V praxi sa viskozita plynov berie do úvahy pri navrhovaní vývoja plynových polí, kde sa zmeny koeficientu počítajú v závislosti od zmien zloženia plynu (dôležité najmä pre polia plynového kondenzátu), teploty a tlaku.
Vypočítajte viskozitu vzduchu. Procesy budú podobnédva vyššie diskutované prúdy. Predpokladajme, že dva prúdy plynu U1 a U2 sa pohybujú paralelne, ale rôznymi rýchlosťami. Medzi vrstvami dôjde ku konvekcii (vzájomnému prenikaniu) molekúl. V dôsledku toho sa hybnosť rýchlejšie sa pohybujúceho prúdu vzduchu zníži a pôvodne sa pohybujúci pomalší prúd zrýchli.
Viskozitný koeficient vzduchu podľa Newtonovho zákona je vyjadrený nasledujúcim vzorcom:
F=-h × (dU/dZ) × S
Tu:
- dU/dZ je gradient rýchlosti;
- S – oblasť silového nárazu;
- Koeficient h – dynamická viskozita.
Viskozitný index
Viskozitný index (VI) je parameter, ktorý koreluje so zmenami viskozity a teploty. Korelácia je štatistický vzťah, v tomto prípade dvoch veličín, v ktorých zmena teploty sprevádza systematickú zmenu viskozity. Čím vyšší je index viskozity, tým menšia je zmena medzi týmito dvoma hodnotami, to znamená, že viskozita pracovnej tekutiny je stabilnejšia pri zmenách teploty.
Viskozita oleja
Základy moderných olejov majú index viskozity nižší ako 95-100 jednotiek. Preto v hydraulických systémoch strojov a zariadení možno použiť dostatočne stabilné pracovné kvapaliny, ktoré obmedzujú širokú zmenu viskozity v podmienkach kritických teplôt.
"Priaznivý" viskozitný koeficient je možné udržiavať zavedením špeciálnych prísad (polymérov) získaných pri destilácii oleja do oleja. Zvyšujú index viskozity olejov prezohľadnenie obmedzenia zmeny tejto charakteristiky v prípustnom intervale. V praxi sa zavedením požadovaného množstva prísad môže nízky index viskozity základného oleja zvýšiť na 100-105 jednotiek. Takto získaná zmes však pri vysokom tlaku a tepelnom zaťažení zhoršuje svoje vlastnosti a tým znižuje účinnosť aditíva.
V silových obvodoch výkonných hydraulických systémov by sa mali používať pracovné kvapaliny s indexom viskozity 100 jednotiek. Pracovné kvapaliny s prísadami zvyšujúcimi viskozitný index sa používajú v hydraulických riadiacich obvodoch a iných systémoch pracujúcich v rozsahu nízkeho/stredného tlaku, v obmedzenom rozsahu teplôt, s malými únikmi a v dávkovej prevádzke. So zvyšujúcim sa tlakom rastie aj viskozita, ale tento proces nastáva pri tlakoch nad 30,0 MPa (300 barov). V praxi sa tento faktor často zanedbáva.
Meranie a indexovanie
V súlade s medzinárodnými normami ISO je koeficient viskozity vody (a iných kvapalných médií) vyjadrený v centistoke: cSt (mm2/s). Merania viskozity procesných olejov by sa mali vykonávať pri teplotách 0 °C, 40 °C a 100 °C. V každom prípade musí byť v kóde triedy oleja viskozita označená číslom pri teplote 40 ° C. V GOST je hodnota viskozity uvedená pri 50°C. Typy najbežnejšie používané v strojárskej hydraulike siahajú od ISO VG 22 do ISO VG 68.
Hydraulické oleje VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 pri 40°C majú hodnoty viskozity zodpovedajúce ich označeniu: 22, 32, 46, 68 a 100 cSt. Optimálnekinematická viskozita pracovnej kvapaliny v hydraulických systémoch sa pohybuje od 16 do 36 cSt.
Americká spoločnosť automobilových inžinierov (SAE) stanovila rozsahy viskozity pri špecifických teplotách a priradila im príslušné kódy. Číslo za W je absolútna dynamická viskozita Μ pri 0 °F (-17,7 °C) a kinematická viskozita v bola určená pri 212 °F (100 °C). Táto indexácia sa vzťahuje na celoročné oleje používané v automobilovom priemysle (prevodové, motorové atď.).
Vplyv viskozity na hydrauliku
Stanovenie koeficientu viskozity kvapaliny má nielen vedecký a vzdelávací význam, ale má aj dôležitú praktickú hodnotu. V hydraulických systémoch pracovné kvapaliny nielen prenášajú energiu z čerpadla do hydromotorov, ale tiež premazávajú všetky časti komponentov a odvádzajú teplo vznikajúce z trecích párov. Viskozita pracovnej kvapaliny, ktorá nie je vhodná pre prevádzkový režim, môže vážne zhoršiť účinnosť celej hydrauliky.
Vysoká viskozita pracovnej tekutiny (olej s veľmi vysokou hustotou) vedie k nasledujúcim negatívnym javom:
- Zvýšený odpor voči prietoku hydraulickej kvapaliny spôsobuje nadmerný pokles tlaku v hydraulickom systéme.
- Spomalenie rýchlosti ovládania a mechanické pohyby pohonov.
- Vývoj kavitácie v čerpadle.
- Nulové alebo príliš nízke uvoľňovanie vzduchu z oleja hydraulickej nádrže.
- Poznateľnéstrata výkonu (zníženie účinnosti) hydrauliky v dôsledku vysokých nákladov na energiu na prekonanie vnútorného trenia kvapaliny.
- Zvýšený krútiaci moment hlavného pohonu stroja spôsobený zvýšeným zaťažením čerpadla.
- Zvýšenie teploty hydraulickej kvapaliny v dôsledku zvýšeného trenia.
Fyzikálny význam koeficientu viskozity teda spočíva v jeho vplyve (pozitívnom alebo negatívnom) na komponenty a mechanizmy vozidiel, strojov a zariadení.
Strata hydraulickej sily
Nízka viskozita pracovnej tekutiny (olej s nízkou hustotou) vedie k nasledujúcim negatívnym javom:
- Pokles objemovej účinnosti čerpadiel v dôsledku zvýšenia vnútorného úniku.
- Zvýšenie vnútorných netesností v hydraulických komponentoch celého hydraulického systému - čerpadlá, ventily, hydraulické rozvádzače, hydromotory.
- Zvýšené opotrebenie čerpacích jednotiek a zasekávanie čerpadiel v dôsledku nedostatočnej viskozity pracovnej tekutiny potrebnej na zabezpečenie mazania trecích častí.
Stlačiteľnosť
Akákoľvek kvapalina sa stlačí pod tlakom. Pokiaľ ide o oleje a chladiace kvapaliny používané v strojárskej hydraulike, empiricky sa zistilo, že proces kompresie je nepriamo úmerný hmotnosti kvapaliny na objem. Kompresný pomer je vyšší pre minerálne oleje, výrazne nižší pre vodu a oveľa nižší pre syntetické kvapaliny.
V jednoduchých nízkotlakových hydraulických systémoch má stlačiteľnosť kvapaliny zanedbateľný vplyv na zmenšenie počiatočného objemu. Ale vo výkonných strojoch s vysokou hydraulikoutlakových a veľkých hydraulických valcov sa tento proces prejavuje citeľne. Pri hydraulických minerálnych olejoch pri tlaku 10,0 MPa (100 bar) sa objem zníži o 0,7 %. Zároveň je zmena kompresného objemu mierne ovplyvnená kinematickou viskozitou a typom oleja.
Záver
Určenie koeficientu viskozity vám umožňuje predpovedať činnosť zariadení a mechanizmov za rôznych podmienok, berúc do úvahy zmeny v zložení kvapaliny alebo plynu, tlaku, teploty. Kontrola týchto ukazovateľov je dôležitá aj v ropnom a plynárenskom sektore, verejnoprospešných službách a iných priemyselných odvetviach.
