Viskositeettikerroin on käyttönesteen tai kaasun keskeinen parametri. Fysikaalisesti viskositeetti voidaan määritellä nestemäisen (kaasumaisen) väliaineen massan muodostavien hiukkasten liikkeen aiheuttamaksi sisäiseksi kitkaksi tai yksinkertaisemmin liikkeen vastustukseksi.
Mikä on viskositeetti
Yksinkertaisin empiirinen koe viskositeetin määrittämiseksi: tasaiselle k altevalle pinnalle kaadetaan sama määrä vettä ja öljyä samanaikaisesti. Vesi valuu nopeammin kuin öljy. Hän on nestemäisempi. Liikkuvaa öljyä estää nopean valumisen sen molekyylien välinen suurempi kitka (sisäinen vastus - viskositeetti). Näin ollen nesteen viskositeetti on kääntäen verrannollinen sen juoksevuuteen.
Viskositeettisuhde: kaava
Yksinkertaistetussa muodossa viskoosin nesteen liikkeen prosessia putkilinjassa voidaan tarkastella tasaisten samansuuntaisten kerrosten A ja B muodossa, joilla on sama pinta-ala S ja joiden välinen etäisyys on h.
Nämä kaksi kerrosta (A ja B) liikkuvat eri nopeuksilla (V ja V+ΔV). Kerros A, jolla on suurin nopeus (V+ΔV), sisältää kerroksen B, joka liikkuu pienemmällä nopeudella (V). Samalla kerros B pyrkii hidastamaan kerroksen A nopeutta. Viskositeettikertoimen fysikaalinen merkitys on, että virtauskerrosten vastusta vastaavien molekyylien kitka muodostaa voiman, jonka Isaac Newton kuvaili seuraava kaava:
F=µ × S × (ΔV/h)
Tässä:
- ΔV on nesteen virtauskerrosten nopeuksien ero;
- h – nestevirtauskerrosten välinen etäisyys;
- S – nesteen virtauskerroksen pinta-ala;
- Μ (mu) - nesteen ominaisuuksista riippuva kerroin, jota kutsutaan absoluuttiseksi dynaamiseksi viskositeetiksi.
SI-yksiköissä kaava näyttää tältä:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekunti)
Tässä F on käyttönesteen yksikkötilavuuden painovoima (paino).
Viskositeettiarvo
Useimmissa tapauksissa dynaaminen viskositeettikerroin mitataan senttipoiseina (cP) CGS-yksikköjärjestelmän mukaisesti (senttimetri, gramma, sekunti). Käytännössä viskositeetti liittyy nesteen massan suhteeseen sen tilavuuteen eli nesteen tiheyteen:
ρ=m / V
Tässä:
- ρ – nesteen tiheys;
- m – nesteen massa;
- V on nesteen tilavuus.
Dynaamisen viskositeetin (Μ) ja tiheyden (ρ) välistä suhdetta kutsutaan kinemaattiseksi viskositeetiksi ν (ν – kreikaksi –alaston):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Muuten, menetelmät viskositeettikertoimen määrittämiseksi ovat erilaisia. Esimerkiksi kinemaattista viskositeettia mitataan edelleen CGS-järjestelmän mukaisesti sentistokeina (cSt) ja murto-osina - stokeina (St):
- 1st=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Veden viskositeetin määrittäminen
Veden viskositeetti määritetään mittaamalla aika, joka kuluu nesteen virtaamiseen kalibroidun kapillaariputken läpi. Tämä laite on kalibroitu vakionesteellä, jonka viskositeetti on tunnettu. Kinemaattisen viskositeetin määrittämiseksi, mitattuna mm2/s, nesteen virtausaika sekunneissa mitattuna kerrotaan vakiolla.
Vertailuyksikkö on tislatun veden viskositeetti, jonka arvo on lähes vakio myös lämpötilan muuttuessa. Viskositeettikerroin on sen ajan suhde sekunteina, joka kuluu kiinteän tilavuuden tislattua vettä virtaamaan ulos kalibroidusta aukosta, ja testattavan nesteen vastaavaan määrään.
Viskosimetrit
Viskositeetti mitataan Engler-asteina (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") tai Redwood-asteina (°RJ) käytetyn viskosimetrin tyypistä riippuen. Kolme viskosimetrityyppiä eroavat toisistaan vain nestettä virtaa ulos.
Viskosimetri mittaa viskositeettia Euroopan yksikköasteina Engler (°E), laskettu200cm3 ulosvirtaava nestemäinen väliaine. Viskosimetri, joka mittaa viskositeettia Saybolt Universal Seconds -yksiköissä ("SUS" tai "SSU" käytetään Yhdysvalloissa), sisältää 60 cm3 testinestettä. Englannissa, jossa käytetään Redwood-asteita (°RJ), viskosimetri mittaa nesteen viskositeetin 50 cm3. Jos esimerkiksi 200 cm3 tietystä öljystä virtaa kymmenen kertaa hitaammin kuin sama määrä vettä, niin Engler-viskositeetti on 10°E.
Koska lämpötila on avaintekijä viskositeettikertoimen muuttamisessa, mittaukset tehdään yleensä ensin vakiolämpötilassa 20°C ja sitten korkeammissa arvoissa. Tulos ilmaistaan siten lisäämällä sopiva lämpötila, esimerkiksi: 10°E/50°C tai 2,8°E/90°C. Nesteen viskositeetti 20°C:ssa on korkeampi kuin sen viskositeetti korkeammissa lämpötiloissa. Hydrauliöljyillä on seuraavat viskositeetit vastaavissa lämpötiloissaan:
190 cSt 20 °C:ssa=45,4 cSt 50 °C:ssa=11,3 cSt 100 °C:ssa.
Käännä arvot
Viskositeettikertoimen määritys tapahtuu eri järjestelmissä (amerikkalainen, englantilainen, GHS), ja siksi usein on tarpeen siirtää tietoja yhdestä ulottuvuudesta toiseen. Muuntaaksesi Engler-asteina ilmaistut nesteen viskositeettiarvot sentistokeiksi (mm2/s), käytä seuraavaa empiiristä kaavaa:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Esimerkki:
- 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.
Hydrauliöljyn vakioviskositeetin määrittämiseksi nopeasti kaavaa voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Jos kinemaattinen viskositeetti ν on mm2/s tai cSt, voit muuntaa sen dynaamiseksi viskositeettikertoimeksi Μ käyttämällä seuraavaa suhdetta:
M=ν × ρ
Esimerkki. Yhteenvetona eri muunnoskaavat Engler-asteille (°E), sentistokes (cSt) ja senttipoise (cP) oletetaan, että hydrauliöljyllä, jonka tiheys on ρ=910 kg/m3, on kinemaattinen viskositeetti 12° E, joka cSt:n yksiköissä on:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Koska 1cSt=10-6m2/s ja 1cP=10-3N×s/m2, niin dynaaminen viskositeetti on:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Kaasun viskositeettitekijä
Se määräytyy kaasun koostumuksen (kemiallinen, mekaaninen) perusteella, lämpötilan ja paineen vaikutuksesta, ja sitä käytetään kaasun liikkeeseen liittyvissä kaasudynaamisissa laskelmissa. Käytännössä kaasujen viskositeetti otetaan huomioon suunniteltaessa kaasukentän kehitystä, jossa kerroinmuutokset lasketaan riippuen kaasun koostumuksen (etenkin kaasun lauhdekentille tärkeä), lämpötilan ja paineen muutoksista.
Laske ilman viskositeetti. Prosessit ovat samanlaisiakaksi edellä käsiteltyä virtaa. Oletetaan, että kaksi kaasuvirtaa U1 ja U2 liikkuvat rinnakkain, mutta eri nopeuksilla. Molekyylien konvektio (keskinäinen tunkeutuminen) tapahtuu kerrosten välillä. Tämän seurauksena nopeammin liikkuvan ilmavirran vauhti pienenee ja alun perin liikkuva hitaampi kiihtyy.
Ilman viskositeettikerroin Newtonin lain mukaan ilmaistaan seuraavalla kaavalla:
F=-h × (dU/dZ) × S
Tässä:
- dU/dZ on nopeusgradientti;
- S – voiman iskualue;
- Kerroin h - dynaaminen viskositeetti.
Viskositeettiindeksi
Viskositeettiindeksi (VI) on parametri, joka korreloi viskositeetin ja lämpötilan muutoksia. Korrelaatio on tilastollinen suhde, tässä tapauksessa kaksi suuretta, jossa lämpötilan muutos seuraa systemaattista viskositeetin muutosta. Mitä korkeampi viskositeettiindeksi on, sitä pienempi on muutos näiden kahden arvon välillä, eli käyttönesteen viskositeetti on vakaampi lämpötilan muutoksilla.
Öljyn viskositeetti
Nykyaikaisten öljyjen perusöljyjen viskositeettiindeksi on alle 95-100 yksikköä. Siksi koneiden ja laitteiden hydraulijärjestelmissä voidaan käyttää riittävän stabiileja työnesteitä, jotka rajoittavat viskositeetin laajaa muutosta kriittisten lämpötilojen olosuhteissa.
"Suotuisa" viskositeettikerroin voidaan ylläpitää lisäämällä öljyyn erityisiä lisäaineita (polymeerejä), joita saadaan öljyn tislauksen aikana. Ne lisäävät öljyjen viskositeettiindeksiätämän ominaisuuden muutoksen rajoittaminen sallitulla aikavälillä. Käytännössä tarvittavalla määrällä lisäaineita voidaan perusöljyn matalaviskositeettiindeksi nostaa 100-105 yksikköön. Tällä tavalla saatu seos kuitenkin huonontaa ominaisuuksiaan korkeassa paineessa ja lämpökuormituksessa, mikä heikentää lisäaineen tehokkuutta.
Tehokkaiden hydraulijärjestelmien tehopiireissä tulee käyttää työnesteitä, joiden viskositeettiindeksi on 100 yksikköä. Työnesteitä, joissa on viskositeettiindeksiä lisääviä lisäaineita, käytetään hydraulisissa ohjauspiireissä ja muissa järjestelmissä, jotka toimivat matala-/keskipainealueella, rajoitetulla lämpötila-alueella, pienillä vuodoilla ja eräkäytössä. Paineen kasvaessa myös viskositeetti kasvaa, mutta tämä prosessi tapahtuu paineissa, jotka ovat yli 30,0 MPa (300 bar). Käytännössä tämä tekijä jätetään usein huomiotta.
Mittaus ja indeksointi
Kansainvälisten ISO-standardien mukaisesti veden (ja muiden nestemäisten väliaineiden) viskositeettikerroin ilmaistaan sentistokeina: cSt (mm2/s). Prosessiöljyjen viskositeettimittaukset tulee suorittaa lämpötiloissa 0°C, 40°C ja 100°C. Joka tapauksessa öljylaatukoodissa viskositeetti on osoitettava numerolla 40 ° C:n lämpötilassa. GOST:ssa viskositeettiarvo on annettu 50 °C:ssa. Teknisessä hydrauliikassa yleisimmin käytetyt laatuluokat vaihtelevat ISO VG 22:sta ISO VG 68:aan.
Hydrauliöljyillä VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40°C:ssa viskositeettiarvot vastaavat niiden merkintää: 22, 32, 46, 68 ja 100 cSt. Optimaalinenkäyttönesteen kinemaattinen viskositeetti hydraulijärjestelmissä vaihtelee välillä 16-36 cSt.
American Society of Automotive Engineers (SAE) on määrittänyt viskositeettialueet tietyissä lämpötiloissa ja antanut niille asianmukaiset koodit. W:tä seuraava luku on absoluuttinen dynaaminen viskositeetti Μ lämpötilassa 0 °F (-17,7 °C) ja kinemaattinen viskositeetti ν määritettiin lämpötilassa 212 °F (100 °C). Tämä indeksointi koskee autoteollisuudessa (vaihteisto, moottori jne.) käytettäviä ympärivuotisöljyjä.
Viskositeetin vaikutus hydrauliikkaan
Nesteen viskositeettikertoimen määrittäminen ei ole pelkästään tieteellistä ja opetuksellista, vaan sillä on myös tärkeä käytännön arvo. Hydraulijärjestelmissä käyttönesteet eivät ainoastaan siirrä energiaa pumpusta hydraulimoottoreihin, vaan myös voitelevat komponenttien kaikki osat ja poistavat kitkapareista syntyneen lämmön. Käyttönesteen viskositeetti, joka ei sovi käyttötilaan, voi heikentää vakavasti kaiken hydrauliikan tehoa.
Työnesteen korkea viskositeetti (erittäin tiheä öljy) johtaa seuraaviin negatiivisiin ilmiöihin:
- Hydraulinesteen virtauksen lisääntynyt vastus aiheuttaa liiallisen paineen laskun hydraulijärjestelmässä.
- Ohjausnopeuden ja toimilaitteiden mekaanisten liikkeiden hidastuminen.
- Kavitaation kehittyminen pumpussa.
- Nolla tai liian vähän ilman vapautumista hydraulisäiliön öljystä.
- Huomattavahydrauliikan tehon menetys (hyötysuhteen lasku) korkeista energiakustannuksista johtuen nesteen sisäisen kitkan voittamiseksi.
- Koneen voimalaitoksen vääntömomentti lisääntynyt pumpun lisääntyneen kuormituksen vuoksi.
- Hydrauliöljyn lämpötilan nousu lisääntyneen kitkan vuoksi.
Viskositeettikertoimen fysikaalinen merkitys on siis sen vaikutuksessa (positiivinen tai negatiivinen) ajoneuvojen, koneiden ja laitteiden komponentteihin ja mekanismeihin.
Hydraulivoiman menetys
Työnesteen alhainen viskositeetti (pientiheyksinen öljy) johtaa seuraaviin negatiivisiin ilmiöihin:
- Pumppujen tilavuushyötysuhteen lasku lisääntyvän sisäisen vuodon seurauksena.
- Sisäisten vuotojen lisääntyminen koko hydraulijärjestelmän hydraulikomponenteissa - pumput, venttiilit, hydrauliset jakajat, hydraulimoottorit.
- Pumppuyksiköiden lisääntynyt kuluminen ja pumppujen tukkeutuminen johtuen käyttönesteen riittämättömästä viskositeetista, joka tarvitaan hankaavien osien voiteluun.
Pakkaus
Kaikki neste puristuu paineen alaisena. Koneenrakennushydrauliikassa käytettävien öljyjen ja jäähdytysnesteiden os alta on empiirisesti osoitettu, että puristusprosessi on kääntäen verrannollinen nesteen massaan tilavuutta kohti. Puristussuhde on korkeampi mineraaliöljyillä, huomattavasti pienempi vedellä ja paljon pienempi synteettisillä nesteillä.
Yksinkertaisissa matalapainehydrauliikkajärjestelmissä nesteen kokoonpuristuvuuden vaikutus alkuperäisen tilavuuden pienenemiseen on mitätön. Mutta tehokkaissa koneissa, joissa on korkea hydrauliikkapaine ja suuret hydraulisylinterit, tämä prosessi ilmenee selvästi. Hydraulisilla mineraaliöljyillä, joiden paine on 10,0 MPa (100 bar), tilavuus pienenee 0,7 %. Samaan aikaan kinemaattinen viskositeetti ja öljyn tyyppi vaikuttavat hieman puristustilavuuden muutokseen.
Johtopäätös
Viskositeettikertoimen määrittäminen mahdollistaa laitteiden ja mekanismien toiminnan ennustamisen eri olosuhteissa ottaen huomioon muutokset nesteen tai kaasun koostumuksessa, paineessa, lämpötilassa. Näiden indikaattoreiden hallinta on myös olennaista öljy- ja kaasualalla, yleishyödyllisissä laitoksissa ja muilla teollisuudenaloilla.
