Koeficient viskozity. Koeficient dynamickej viskozity. Fyzický význam koeficientu viskozity

Koeficient viskozity je kľúčovým parametrom pracovnej kvapaliny alebo plynu. Z fyzikálnych hľadísk môže byť viskozita definovaná ako vnútorné trenie spôsobené pohybom častíc tvoriacich hmotu kvapalného (plynného) média alebo, jednoducho, odolnosťou voči pohybu.

Čo je viskozita?

Najjednoduchšie empirické skúsenosti s určením viskozity: hladké množstvo vody sa súčasne naleje na hladký naklonený povrch s rovnakým množstvom vody a oleja. Voda vypúšťa rýchlejšie ako olej. Je to viac tekuté. Premiestňovanie oleja zabraňuje rýchlemu prúdeniu väčšieho trenia medzi jeho molekulami (vnútorný odpor - viskozita). Viskozita kvapaliny je teda nepriamo úmerná jej tekutosti.

Koeficient viskozity: vzorec

V zjednodušenej forme môže byť proces pohybu viskóznej kvapaliny v potrubí považovaný za rovinné rovnobežné vrstvy A a B s rovnakou plochou S, ktorej vzdialenosť je h.

Tieto dve vrstvy (A a B) sa pohybujú rôznymi rýchlosťami (V a V + ΔV). Vrstva A s najvyššou rýchlosťou (V + ΔV) zahŕňa vrstvu B pohybujúcu sa pri nižšej rýchlosti (V). Súčasne vrstva B má tendenciu spomaľovať rýchlosť vrstvy A. Fyzikálny význam koeficientu viskozity spočíva v tom, že trenie molekúl, ktoré predstavujú odolnosť prietokových vrstiev, tvorí silu, ktorú Isaac Newton opísal nasledujúcim vzorcom:

F = μ × S × (ΔV / h)

tu:

• ΔV je rozdiel v rýchlosti pohybu pohyblivých vrstiev tekutiny;
• H je vzdialenosť medzi vrstvami prietoku tekutiny;
• S je plocha povrchu prietokovej kvapaliny;
• M (mu) je koeficient, ktorý závisí od vlastnosti tekutiny nazývanej absolútna dynamická viskozita.

V jednotkách systému SI je vzorec nasledovný:

M = (F × h) / (S × ΔV) = [Pa × s] (Pascal × sekunda)

Tu F je hmotnosť (hmotnosť) jednotkového objemu pracovnej tekutiny.

Hodnota viskozity

Vo väčšine prípadov sa koeficient dynamickej viskozity meria v centipoisech (cps) v súlade so systémom jednotiek CGS (centimetre, gram, druhý). V praxi sa viskozita vzťahuje pomerom hmotnosti kvapaliny k jej objemu, to znamená hustote kvapaliny:

P = m / V

tu:

• P je hustota kvapaliny;
• M je hmotnosť kvapaliny;
• V je objem kvapaliny.

Vzťah medzi dynamickou viskozitou (μ) a hustotou (ρ) sa nazýva kinematická viskozita ν (ν - v gréčtine):

N = μ / ρ = [m2 / s]

Mimochodom, spôsoby stanovenia koeficientu viskozity sú rôzne. Napríklad kinematická viskozita sa stále meria v súlade so systémom CGS v centistokoch (cSt) av stolcoch (St):

• 1Cm = ^10-4 m2 / s = 1 cm2 / s;
• 1 cSt = 10 ^-6 m ² / s = 1 mm ² / s.

Stanovenie viskozity vody

Koeficient viskozity vody sa určuje meraním času prúdenia kvapaliny cez kalibrovanú kapilárnu trubicu. Toto zariadenie je kalibrované pomocou štandardnej kvapaliny so známou viskozitou. Na stanovenie kinematickej viskozity meranej v mm2 / s sa čas tečenia kvapaliny meraný v sekundách vynásobí konštantnou hodnotou.

Ako porovnávacia jednotka sa používa viskozita destilovanej vody, ktorej hodnota je takmer konštantná aj pri zmene teploty. Koeficient viskozity je pomer času v sekundách, ktorý vyžaduje, aby vytekal z kalibrovaného otvoru pevný objem destilovanej vody na podobnú hodnotu pre testovanú kvapalinu.

viskozimetre

Viskozita sa meria v stupňoch Engler (° E), univerzálnych sekundách Saybolt ("SUS") alebo v stupňoch Redwood (° RJ) v závislosti od použitého typu viskozimetra. Tieto tri typy viskozimetrov sa líšia len množstvom vytekajúcej kvapaliny.

Viskozimetr, ktorý meria viskozitu v európskej jednotke, je Englerov stupeň (° E), vypočítaný pre 200 cm3 kvapalnej tekutiny. Viskozimetr, ktorý meria viskozitu v univerzálnych sekundách Saybolt ("SUS" alebo "SSU") použitý v USA, obsahuje 60 cm3 testovanej kvapaliny. V Anglicku, kde sa používajú stupne Redwood (° RJ), viskozimeter meria viskozitu 50 cm3 kvapaliny. Napríklad, ak 200 cm3 určitého oleja preteká desaťkrát pomalšie ako podobný objem vody, viskozita firmy Engler je 10 ° E.

Keďže teplota je kľúčovým faktorom, ktorý mení koeficient viskozity, merania sa zvyčajne vykonávajú najprv pri konštantnej teplote 20 ° C a potom pri vyšších teplotách. Výsledok sa vyjadruje pridaním vhodnej teploty, napríklad: 10 ° C / 50 ° C alebo 2,8 ° C / 90 ° C. Viskozita kvapaliny pri 20 ° C je vyššia ako jej viskozita pri vyšších teplotách. Hydraulické oleje majú pri príslušných teplotách nasledujúcu viskozitu:

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

Preklad významov

Určenie koeficientu viskozity sa vyskytuje v rôznych systémoch (americký, anglický, GHS), a preto je často potrebné prekladať údaje z jedného rozmerového systému do druhého. Ak chcete preložiť hodnoty viskozity kvapaliny vyjadrené v Englerových stupňoch na centistoky (mm ² / s), použite nasledujúci empirický vzorec:

N (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 x 9 x (1-1 / 93) = 68,4 x (0,9986) = 68,3 cSt.

Aby sa rýchlo určila štandardná viskozita hydraulického oleja, môže byť vzorec zjednodušený nasledovne:

N (cSt) = 7,6 × ° E (mm2 / s)

S kinematickou viskozitou ν v mm2 / s alebo cSt sa môže previesť na koeficient dynamickej viskozity μ použitím nasledujúceho vzťahu:

Μ = ν × ρ

Príklad. Zhrňujúc rôzne vzorce pre prepis Englerových stupňov (centistokes (cSt) a centipoise (cp), predpokladáme, že hydraulický olej s hustotou ρ = 910 kg / m3 má kinematickú viskozitu 12 ° E, čo je v jednotkách cSt:

N = 7,6 x 12 x (1-1 / 123) = 91,2 x (0,99) = 90,3 mm2 / s.

Pretože 1σSt = ^10-6 m ² / s a 1σP = 10 ^-3 N s / m ² , dynamická viskozita bude rovná:

Μ = ν × ρ = 90,3 x 10 ^-6 ; 910 = 0,082 N × s / m ² = 82 cp.

Koeficient viskozity plynu

Je určená zložením (chemická, mechanická) plynu, ktorá ovplyvňuje teplotu, tlak a používa sa pri plyno-dynamických výpočtoch súvisiacich s pohybom plynu. V praxi sa pri navrhovaní vývoja plynových polí zohľadňuje viskozita plynov, kde sa uskutočňuje výpočet zmien koeficientov v závislosti od zmien v zložení plynu (obzvlášť relevantných pre polia plynového kondenzátu), teploty a tlaku.

Vypočítajte koeficient viskozity vzduchu. Procesy budú podobné tým dvomi prúdom vody, ktoré sme diskutovali vyššie. Predpokladajme, že dva prúdy plynu U1 a U2 sa pohybujú paralelne, ale pri rôznych rýchlostiach. Medzi vrstvami bude konvekcia (vzájomná penetrácia) molekúl. V dôsledku toho sa rýchlosť pohyblivého prúdu vzduchu rýchlejšie zníži a spočiatku sa bude pohybovať pomalšie.

Koeficient viskozity vzduchu podľa Newtonovho zákona je vyjadrený nasledujúcim vzorcom:

F = -h × (dU / dZ) × S

tu:

• DU / dZ je rýchlostný gradient;
• S je oblasť pôsobenia sily;
• Koeficientom h je dynamická viskozita.

Index viskozity

Viskozitný index (IV) je parameter, ktorý koreluje zmenu viskozity a teploty. Korelačná závislosť je štatistický vzťah, v tomto prípade dve množstvá, pri ktorých dochádza k systematickému zmenám viskozity. Čím je index viskozity vyšší, tým menšia je zmena medzi týmito dvomi hodnotami, to znamená, že viskozita pracovnej tekutiny je stabilnejšia, keď sa teplota mení.

Viskozita olejov

Na základe moderných olejov je index viskozity menší ako 95-100 jednotiek. Preto v hydraulických systémoch strojov a zariadení možno použiť dostatočne stabilné pracovné kvapaliny, ktoré obmedzujú veľké zmeny viskozity pri kritických teplotách.

"Priaznivý" koeficient viskozity môže byť udržiavaný pridaním špeciálnych prísad (polymérov) do oleja získaného pri destilácii oleja. Zvyšujú index viskozity olejov tým, že obmedzujú variáciu tejto charakteristiky v rámci prípustného rozsahu. V praxi, keď sa zavádza požadované množstvo prísad, môže sa index nízkej viskozity základného oleja zvýšiť na 100 až 105 jednotiek. Zároveň takto získaná zmes zhoršuje svoje vlastnosti pri vysokom tlaku a tepelnom zaťažení, čím sa znižuje účinnosť prísady.

V silových okruhoch výkonných hydraulických systémov by sa mali používať pracovné kvapaliny s indexom viskozity 100 jednotiek. Pracovné kvapaliny s zlepšovačmi indexu viskozity sa používajú v hydraulických riadiacich obvodoch a iných systémoch pracujúcich v rozsahu nízkych alebo stredných tlakov v obmedzenom rozsahu teplotných zmien s malými netesnosťami a v dávkovom režime. S rastúcim tlakom sa tiež zvyšuje viskozita, ale tento proces sa vyskytuje pri tlakoch nad 300 MPa (300 barov). V praxi sa tento faktor často zanedbáva.

Meranie a indexovanie

V súlade s medzinárodnými normami ISO sa koeficient viskozity vody (a iných tekutých médií) vyjadruje v centistokoch: cSt (mm ² / s). Meranie viskozity procesných olejov by sa malo vykonávať pri teplotách 0 ° C, 40 ° C a 100 ° C. V každom prípade v kóde oleja musí byť viskozita označená číslom pri teplote 40 ° C. V GOST sa hodnota viskozity uvádza pri 50 ° C. Najbežnejšie používané značky v strojárskej hydraulike sa pohybujú od ISO VG 22 po 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. Optimálna kinematická viskozita hydraulickej kvapaliny v hydraulických systémoch leží v rozmedzí od 16 do 36 cSt.

Americká spoločnosť automobilových inžinierov (SAE) stanovila rozsah zmien viskozity pri špecifických teplotách a im priradil príslušné kódy. Obrázok nasledujúci za písmenom W je absolútny dynamický viskozitný koeficient μ pri 0 ° F (-17,7 ° C) a kinematická viskozita ν bola stanovená pri 100 ° C (212 ° F). Táto indexácia sa týka celoročných olejov používaných v automobilovom priemysle (prenos, motor, atď.).

Vplyv viskozity na činnosť hydrauliky

Stanovenie koeficientu viskozity kvapaliny nie je len vedeckým a kognitívnym záujmom, ale má aj významný praktický význam. V hydraulických systémoch pracovné kvapaliny prenášajú nielen energiu z čerpadla do hydraulických motorov, ale tiež namazajú všetky komponenty komponentov a odvádzajú uvoľnené teplo z trecích párov. Viskozita pracovnej kvapaliny, ktorá nezodpovedá prevádzkovému režimu, môže vážne ovplyvniť účinnosť celej hydrauliky.

Vysoká viskozita pracovnej tekutiny (olej s veľmi vysokou hustotou) vedie k nasledujúcim negatívnym javom:

• Zvýšená odolnosť voči prietoku hydraulickej kvapaliny spôsobuje nadmerný pokles tlaku v hydraulickom systéme.
• Zníženie rýchlosti riadenia a mechanické pohyby pohonov.
• Vývoj kavitácie v pumpe.
• Nulové alebo príliš nízke uvoľnenie vzduchu z oleja v nádrži.
• Znateľná strata výkonu (znížená účinnosť) hydrauliky v dôsledku vysokých nákladov na energiu na prekonanie vnútorného trenia kvapaliny.
• Zvýšený krútiaci moment primárneho motora stroja spôsobený zvyšujúcim sa zaťažením čerpadla.
• Zvýšenie teploty hydraulickej kvapaliny spôsobené zvýšeným trením.

Fyzický význam viskozitného koeficientu teda spočíva v jeho vplyve (kladnom alebo zápornom) na uzly a mechanizmy vozidiel, strojov a zariadení.

Strata hydraulického výkonu

Nízka viskozita pracovnej kvapaliny (olej s nízkou hustotou) vedie k nasledujúcim negatívnym javom:

• Pokles objemovej účinnosti čerpadiel v dôsledku zvýšených vnútorných únikov.
• Zvýšenie vnútorných netesností hydraulických komponentov celého hydraulického systému - čerpadlá, ventily, hydraulické rozdeľovače, hydraulické motory.
• Zvýšené opotrebenie výkyvných zostáv a uviaznutie čerpadiel v dôsledku nedostatočnej viskozity pracovnej tekutiny, nevyhnutnej na zabezpečenie mazania trecích častí.

stlačiteľnosť

Každá kvapalina pod tlakom je stlačená. Čo sa týka olejov a chladív používaných v strojárskej hydraulike, je empiricky zistené, že kompresný proces je nepriamo úmerný hmotnosti kvapaliny na jej objem. Množstvo kompresie je vyššie pre minerálne oleje, oveľa nižšie pre vodu a oveľa nižšie pre syntetické kvapaliny.

V jednoduchých nízkotlakových hydraulických systémoch stlačiteľnosť kvapaliny zanedbateľne ovplyvňuje zníženie pôvodného objemu. Ale vo výkonných strojoch s vysokotlakovým hydraulickým pohonom a veľkými hydraulickými valcami sa tento proces výrazne prejavuje. Pri hydraulických minerálnych olejoch pri tlaku 10,0 MPa (100 bar) sa objem znižuje o 0,7%. Súčasne kinematická viskozita a typ oleja ovplyvňujú zmenu objemu kompresie v malej miere.

záver

Určenie koeficientu viskozity umožňuje predpovedať prevádzku zariadenia a mechanizmov za rôznych podmienok, berúc do úvahy zmeny zloženia kvapaliny alebo plynu, tlak, teplotu. Monitorovanie týchto ukazovateľov je relevantné aj v sektore ropy a zemného plynu, komunálnych služieb a iných priemyselných odvetviach.