Коефициентът на вискозитет е ключов параметър на работен флуид или газ. Във физически термини вискозитетът може да се дефинира като вътрешно триене, причинено от движението на частици, които съставляват масата на течна (газова) среда, или, по-просто, съпротивлението на движение.
Какво е вискозитет
Най-простият емпиричен експеримент за определяне на вискозитета: едно и също количество вода и масло се изливат върху гладка наклонена повърхност по едно и също време. Водата се оттича по-бързо от маслото. Тя е по-течна. Движещо се масло се предотвратява бързото източване от по-високото триене между неговите молекули (вътрешно съпротивление - вискозитет). По този начин вискозитетът на течността е обратно пропорционален на нейната течливост.
Коефициент на вискозитет: формула
В опростена форма процесът на движение на вискозна течност в тръбопровода може да се разглежда под формата на плоски успоредни слоеве A и B със същата повърхност S, разстоянието между които е h.
Тези два слоя (A и B) се движат с различни скорости (V и V+ΔV). Слой A, който има най-висока скорост (V+ΔV), включва слой B, който се движи с по-ниска скорост (V). В същото време слой B има тенденция да забавя скоростта на слой A. Физическият смисъл на коефициента на вискозитет е, че триенето на молекулите, които са съпротивлението на слоевете на потока, образува сила, която Исак Нютон описва от следната формула:
F=µ × S × (ΔV/h)
Тук:
- ΔV е разликата в скоростите на слоевете на флуидния поток;
- h – разстояние между слоевете флуиден поток;
- S – повърхностна площ на слоя на флуидния поток;
- Μ (mu) - коефициент в зависимост от свойството на течността, наречен абсолютен динамичен вискозитет.
В SI единици формулата изглежда така:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (паскал × секунда)
Тук F е силата на гравитацията (теглото) на единицата обем на работния флуид.
Стойност на вискозитета
В повечето случаи коефициентът на динамичен вискозитет се измерва в сантипоаз (cP) в съответствие с CGS системата от единици (сантиметър, грам, секунда). На практика вискозитетът е свързан с съотношението на масата на течността към нейния обем, тоест към плътността на течността:
ρ=m / V
Тук:
- ρ – плътност на течността;
- m – маса на течността;
- V е обемът на течността.
Връзката между динамичния вискозитет (Μ) и плътността (ρ) се нарича кинематичен вискозитет ν (ν – на гръцки –гол):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Между другото методите за определяне на коефициента на вискозитет са различни. Например, кинематичният вискозитет все още се измерва в съответствие със системата CGS в сантистокове (cSt) и в дробни единици - стокове (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Определяне на вискозитета на водата
Вискозитетът на водата се определя чрез измерване на времето, необходимо на течността да тече през калибрирана капилярна тръба. Това устройство е калибрирано със стандартна течност с известен вискозитет. За да се определи кинематичният вискозитет, измерен в mm2/s, времето на потока на течността, измерено в секунди, се умножава по константа.
Единицата за сравнение е вискозитетът на дестилираната вода, чиято стойност е почти постоянна дори при промяна на температурата. Коефициентът на вискозитет е съотношението на времето в секунди, необходимо на фиксиран обем дестилирана вода да изтече от калибриран отвор към този на течността, която се тества.
Вискозиметри
Вискозитетът се измерва в градуси Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") или градуси Redwood (°RJ) в зависимост от вида на използвания вискозиметър. Трите типа вискозиметри се различават само по количеството течност изтича.
Вискозиметър, измерващ вискозитета в европейска единица градус Engler (°E), изчислен200cm3 изтичаща течна среда. Вискозиметър, измерващ вискозитета в Saybolt Universal Seconds („SUS“или „SSU“използвани в САЩ) съдържа 60 cm3 от тестовата течност. В Англия, където се използват градуси на Redwood (°RJ), вискозиметърът измерва вискозитета на 50 cm3 течност. Например, ако 200 cm3 от определено масло тече десет пъти по-бавно от същия обем вода, тогава вискозитетът по Engler е 10°E.
Тъй като температурата е ключов фактор за промяна на коефициента на вискозитет, измерванията обикновено се правят първо при постоянна температура от 20°C, а след това при по-високи стойности. Така резултатът се изразява чрез добавяне на подходяща температура, например: 10°E/50°C или 2,8°E/90°C. Вискозитетът на течността при 20°C е по-висок от нейния вискозитет при по-високи температури. Хидравличните масла имат следните вискозитети при съответните им температури:
190 cSt при 20°C=45,4 cSt при 50°C=11,3 cSt при 100°C.
Превод на стойности
Определянето на коефициента на вискозитет се извършва в различни системи (американска, английска, GHS) и поради това често е необходимо да се прехвърлят данни от една размерна система в друга. За да преобразувате стойностите на вискозитета на течността, изразени в градуси Engler в сантистоки (mm2/s), използвайте следната емпирична формула:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Например:
- 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.
За бързо определяне на стандартния вискозитет на хидравличното масло, формулата може да бъде опростена, както следва:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Имайки кинематичен вискозитет ν в mm2/s или cSt, можете да го преобразувате в динамичен вискозитетен коефициент Μ, като използвате следната връзка:
M=ν × ρ
Пример. Обобщавайки различните формули за преобразуване на градуси Engler (°E), сантистокс (cSt) и сантипоаз (cP), да предположим, че хидравлично масло с плътност ρ=910 kg/m3 има кинематичен вискозитет от 12° E, който в единици cSt е:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Защото 1cSt=10-6m2/s и 1cP=10-3N×s/m2, тогава динамичният вискозитет ще бъде:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Коефициент на вискозитет на газа
Определя се от състава (химичен, механичен) на газа, ефекта на температурата, налягането и се използва в газодинамичните изчисления, свързани с движението на газа. На практика вискозитетът на газовете се взема предвид при проектирането на разработките на газовите находища, където промените в коефициента се изчисляват в зависимост от промените в състава на газа (особено важно за газовите кондензатни находища), температурата и налягането.
Изчислете вискозитета на въздуха. Процесите ще бъдат подобни надвата потока, обсъдени по-горе. Да предположим, че два газови потока U1 и U2 се движат паралелно, но с различни скорости. Между слоевете ще настъпи конвекция (взаимно проникване) на молекулите. В резултат на това импулсът на по-бързо движещия се въздушен поток ще намалее, а първоначално движещият се по-бавно ще се ускори.
Коефициентът на вискозитет на въздуха, съгласно закона на Нютон, се изразява със следната формула:
F=-h × (dU/dZ) × S
Тук:
- dU/dZ е градиентът на скоростта;
- S – зона на силов удар;
- Коефициент h - динамичен вискозитет.
Индекс на вискозитет
Индекс на вискозитета (VI) е параметър, който корелира промените във вискозитета и температурата. Корелацията е статистическа връзка, в този случай две величини, при която промяната в температурата съпътства системна промяна във вискозитета. Колкото по-висок е индексът на вискозитета, толкова по-малка е промяната между двете стойности, тоест вискозитетът на работния флуид е по-стабилен при температурни промени.
Вискозитет на маслото
Базите на съвременните масла имат индекс на вискозитет под 95-100 единици. Следователно в хидравличните системи на машини и съоръжения могат да се използват достатъчно стабилни работни течности, които ограничават широкото изменение на вискозитета при условия на критични температури.
Коефициентът на "благоприятен" вискозитет може да се поддържа чрез въвеждане в маслото на специални добавки (полимери), получени при дестилацията на маслото. Те повишават индекса на вискозитета на маслата запредвид ограничаването на промяната на тази характеристика в допустимия интервал. На практика, с въвеждането на необходимото количество добавки, индексът на ниския вискозитет на базовото масло може да бъде увеличен до 100-105 единици. Въпреки това, получената по този начин смес влошава свойствата си при високо налягане и топлинно натоварване, като по този начин намалява ефективността на добавката.
В захранващите вериги на мощни хидравлични системи трябва да се използват работни течности с индекс на вискозитет от 100 единици. Работните течности с добавки, които повишават индекса на вискозитета, се използват в хидравлични управляващи вериги и други системи, работещи в диапазона на ниско/средно налягане, в ограничен температурен диапазон, с малки течове и при периодична работа. С увеличаване на налягането вискозитетът също се увеличава, но този процес протича при налягания над 30,0 MPa (300 bar). На практика този фактор често се пренебрегва.
Измерване и индексиране
В съответствие с международните стандарти на ISO, коефициентът на вискозитет на водата (и други течни среди) се изразява в сантистокове: cSt (mm2/s). Измерванията на вискозитета на технологичните масла трябва да се извършват при температури от 0°C, 40°C и 100°C. Във всеки случай, в кода на марката на маслото, вискозитетът трябва да бъде обозначен с цифра при температура от 40 ° C. В GOST стойността на вискозитета е дадена при 50°C. Класовете, които най-често се използват в инженерната хидравлика, варират от ISO VG 22 до ISO VG 68.
Хидравличните масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при 40°C имат стойности на вискозитет, съответстващи на тяхната маркировка: 22, 32, 46, 68 и 100 cSt. Оптималнокинематичният вискозитет на работния флуид в хидравличните системи варира от 16 до 36 cSt.
Американското дружество на автомобилните инженери (SAE) е установило граници на вискозитета при определени температури и им е присвоило съответните кодове. Числото след W е абсолютният динамичен вискозитет Μ при 0°F (-17,7°C), а кинематичният вискозитет ν е определен при 212°F (100°C). Тази индексация се прилага за всесезонни масла, използвани в автомобилната индустрия (трансмисия, двигател и др.).
Влияние на вискозитета върху хидравликата
Определянето на коефициента на вискозитет на течност е не само от научен и образователен интерес, но има и важна практическа стойност. В хидравличните системи работните течности не само пренасят енергия от помпата към хидравличните двигатели, но също така смазват всички части на компонентите и отстраняват топлината, генерирана от триещите двойки. Вискозитетът на работния флуид, който не е подходящ за работния режим, може сериозно да влоши ефективността на всички хидравлики.
Високият вискозитет на работния флуид (масло с много висока плътност) води до следните негативни явления:
- Повишената устойчивост на потока на хидравличната течност причинява прекомерен спад на налягането в хидравличната система.
- Забавяне на скоростта на управление и механичните движения на задвижващите механизми.
- Развитие на кавитация в помпата.
- Нулево или твърде ниско изпускане на въздух от маслото на хидравличния резервоар.
- Забележимозагуба на мощност (намаляване на ефективността) на хидравликата поради високи разходи за енергия за преодоляване на вътрешното триене на течността.
- Увеличен въртящ момент на главния двигател, причинен от увеличено натоварване на помпата.
- Повишаване на температурата на хидравличната течност поради повишено триене.
По този начин физическото значение на коефициента на вискозитет се крие в неговото влияние (положително или отрицателно) върху компонентите и механизмите на превозните средства, машините и оборудването.
Загуба на хидравлична мощност
Нисък вискозитет на работния флуид (масло с ниска плътност) води до следните негативни явления:
- Намаляване на обемната ефективност на помпите в резултат на увеличаване на вътрешния теч.
- Увеличаване на вътрешните течове в хидравличните компоненти на цялата хидравлична система - помпи, клапани, хидравлични разпределители, хидравлични двигатели.
- Повишено износване на помпените агрегати и задръстване на помпите поради недостатъчен вискозитет на работния флуид, необходим за осигуряване на смазване на триещите се части.
Сгъваемост
Всички течни компреси под налягане. По отношение на маслата и охлаждащите течности, използвани в хидравликата на машиностроенето, емпирично е установено, че процесът на компресия е обратно пропорционален на масата на течността на обем. Коефициентът на компресия е по-висок за минерални масла, значително по-нисък за вода и много по-нисък за синтетични течности.
В простите хидравлични системи с ниско налягане, свиваемостта на флуида има незначителен ефект върху намаляването на първоначалния обем. Но в мощни машини с висока хидравликаналягане и големи хидравлични цилиндри, този процес се проявява забележимо. За хидравлични минерални масла при налягане 10,0 MPa (100 bar), обемът намалява с 0,7%. В същото време промяната в обема на компресия се влияе леко от кинематичния вискозитет и вида на маслото.
Заключение
Определянето на коефициента на вискозитет ви позволява да прогнозирате работата на оборудването и механизмите при различни условия, като се вземат предвид промените в състава на течност или газ, налягане, температура. Също така, контролът на тези показатели е уместен в нефтения и газовия сектор, комуналните услуги и други индустрии.
