Coeficient de viscozitate. Coeficientul de vâscozitate dinamică. Sensul fizic al coeficientului de vâscozitate

Coeficientul de vâscozitate este parametrul cheie al fluidului de lucru sau al gazului. În termeni fizici, vâscozitatea poate fi definită ca o frecare internă cauzată de mișcarea particulelor care constituie masa mediului lichid (gazos) sau, mai simplu, rezistența la mișcare.

Ce este vâscozitatea?

Cea mai simplă experiență empirică de determinare a vâscozității: o cantitate netedă de apă se toarnă simultan pe o suprafață înclinată netedă, cu aceeași cantitate de apă și ulei. Apa se scurge mai repede decât uleiul. Este mai fluid. Uleiul de mișcare împiedică curgerea rapidă a fricțiunii mai mari între moleculele sale (rezistență internă - vâscozitate). Astfel, viscozitatea unui lichid este invers proporțională cu fluiditatea acestuia.

Coeficientul de vâscozitate: formula

Într-o formă simplificată, procesul de mișcare a unui lichid vâscos într-o conductă poate fi considerat sub formă de planuri paralele plane A și B cu aceeași suprafață S, distanța dintre care este h.

Aceste două straturi (A și B) se mișcă cu viteze diferite (V și V + Delta-V). Stratul A, având viteza cea mai mare (V + Delta-V), implică un strat B care se deplasează cu o viteză mai mică (V). În același timp, stratul B tinde să încetinească viteza stratului A. Sensul fizic al coeficientului de vâscozitate este acela că frecarea moleculelor care reprezintă rezistența straturilor fluxului formează o forță care Isaac Newton descrisă de următoarea formulă:

F = micro- × S × (Delta-V / h)

aici:

• Delta-V este diferența în vitezele mișcărilor straturilor de fluid;
• h este distanța dintre straturile fluxului de fluid;
• S este suprafața stratului de curgere a lichidului;
• mu- (mu) este un coeficient care depinde de proprietăți ale lichidului, se numește vâscozitatea dinamică absolută.

În unitățile sistemului SI, formula este după cum urmează:

micro- = (F × h) / (S × Delta-V) = [Pa × s] (Pascal × secundă)

Aici F este greutatea (greutatea) unui volum unitar al fluidului de lucru.

Valoarea vâscozității

În majoritatea cazurilor, coeficientul vâscozitate dinamică este măsurat în centipoise (cps) în conformitate cu sistemul de unități CGS (centimetru, gram, al doilea). În practică, viscozitatea este legată de raportul dintre masa lichidului și volumul acestuia, adică densitatea lichidului:

rho = m / V

aici:

• rho este densitatea lichidului;
• m este masa lichidului;
• V este volumul lichidului.

Raportul dintre vâscozitatea dinamică (mu-) și densitatea (rho-) se numește viscozitatea cinematică nu- (nu- - în greacă - nu):

nu- = mu- / rho- = [m²/ s]

Apropo, metodele de determinare a coeficientului de vâscozitate sunt diferite. De exemplu, vâscozitatea cinematică se măsoară încă în conformitate cu sistemul GHS în centistoke (cSt) și în stol (St):

• 1Cm = 10^-4 m²/ s = 1 cm²/ s;
• 1 сСт = 10^-6 m²/ s = 1 mm²/ s.

Determinarea vâscozității apei

Coeficientul de vâscozitate a apei se determină prin măsurarea timpului de curgere al lichidului printr-un tub capilar calibrat. Acest dispozitiv este calibrat folosind un fluid standard de vâscozitate cunoscută. Pentru a determina vâscozitatea cinematică, măsurată în mm²/ s, timpul de curgere a fluidului, măsurat în secunde, este înmulțit cu o valoare constantă.

Ca unitate de comparație, este utilizată vâscozitatea apei distilate, a cărei valoare este aproape constantă chiar și cu o schimbare a temperaturii. Coeficientul de vâscozitate este raportul dintre timpul în secunde în care o cantitate fixă ​​de apă distilată este necesară pentru a curge dintr-o gaură calibrată, la o valoare similară pentru fluidul de testare.

Viscozimetre

Vâscozitatea se măsoară în grade secunde Engler (° E) Saybolt universale ( „SUS) sau grade rosu (RJ °), în funcție de tipul de reometru. Există trei tipuri de viscozimetre diferă numai cantitatea de curgere mediu lichid.

Viscozimetrul care măsoară viscozitatea în unitatea europeană este gradul Engler (° E), calculat la 200 cm³ care curge în mediu lichid. Viscozimetrul care măsoară vâscozitatea în secundele Universal Saybolt ("SUS sau" SSU ") utilizat în SUA conține 60 cm³ lichid de testare. În Anglia, unde se utilizează gradele Redwood (° RJ), viscozimetrul măsoară vâscozitățile de 50 cm³ lichid. De exemplu, dacă este 200 cm³ a unui anumit ulei curge de zece ori mai lent decât un volum similar de apă, atunci vâscozitatea lui Engler este de 10 ° E.

Deoarece temperatura este un factor cheie care modifică coeficientul de vâscozitate, măsurătorile sunt de obicei efectuate mai întâi la o temperatură constantă de 20 ° C și apoi la temperaturi mai ridicate. Rezultatul este astfel exprimat prin adăugarea unei temperaturi corespunzătoare, de exemplu: 10 ° E / 50 ° C sau 2,8 ° E / 90 ° C. Viscozitatea lichidului la 20 ° C este mai mare decât vâscozitatea la temperaturi mai ridicate. Uleiurile hidraulice au următoarea vâscozitate la temperaturile corespunzătoare:

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

Traducerea valorilor

Determinarea coeficientului de vâscozitate are loc în diferite sisteme (americană, engleză, GHS) și, prin urmare, este adesea necesar să se traducă datele dintr-un sistem dimensional în altul. Pentru a traduce valorile de viscozitate ale lichidului, exprimate în grade Engler, la centistokes (mm²/ c) utilizați următoarea formulă empirică:

nu- (cSt) = 7,6 × ° E × (1-1 / ° E3)

De exemplu:

• 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.

Pentru a determina rapid vâscozitatea standard a uleiului hidraulic, formula poate fi simplificată după cum urmează:

nu- (cSt) = 7,6 × ° E (mm²/ c)

Având vâscozitate cinematică nu- în mm²/ с sau сСт, este posibil să-l traducem în coeficientul de vâscozitate dinamică mu-, utilizând următoarea relație:

mu- = nu- × ρ

Un exemplu. Rezumând diferitele formule pentru traducerea gradelor Engler (° E), centistokes (cSt) și centipoise (cp), presupunem că un ulei hidraulic cu o densitate rho = 910 kg / m³ are o vâscozitate cinematică de 12 ° E, care în unități de cSt este:

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

Deoarece lcCm = 10^-6m²/ c și lc = 10^-3 H × s / m², atunci vâscozitatea dinamică va fi:

mu- = nu- × rho- = 90,3 × 10^-6 middot-910 = 0,082 N × s / m² = 82 cP.

Coeficientul de vâscozitate al gazului

Se determină prin compoziția (chimică, mecanică) a gazului, prin temperatura și presiunea care afectează, și se utilizează în calculele dinamice din punct de vedere al gazelor legate de mișcarea gazului. În practică, se ia în considerare vâscozitatea gazelor atunci când se proiectează dezvoltarea câmpurilor de gaz, unde se modifică calculul coeficientului în funcție de modificările compoziției gazului (în special relevante pentru câmpurile de condens de gaz), temperatură și presiune.

Calculați coeficientul de vâscozitate al aerului. Procesele vor fi similare cu cele două fluxuri de apă discutate mai sus. Să presupunem că două fluxuri de gaz U1 și U2 se mișcă în paralel, dar la viteze diferite. Între straturi va exista convecție (penetrare reciprocă) a moleculelor. Ca rezultat, impulsul fluxului de aer în mișcare va scădea mai repede, iar în curând se va accelera mai încet.

Coeficientul de vâscozitate al aerului, conform Legea lui Newton, este exprimată prin următoarea formulă:

F = -h × (dU / dZ) × S

aici:

• dU / dZ este gradientul de viteză;
• S este zona de impact a forței;
• Coeficientul h este vâscozitatea dinamică.

Indice de viscozitate

Indicele de vâscozitate (IV) este un parametru care corelează variația vâscozității și temperaturii. Dependența de corelație este o relație statistică, în acest caz a două cantități, la care schimbarea de temperatură însoțește o schimbare sistematică a vâscozității. Cu cât indicele de vâscozitate este mai mare, cu atât schimbarea dintre cele două valori este mai mică, adică vâscozitatea fluidului de lucru este mai stabilă atunci când temperatura se schimbă.

Viscozitatea uleiurilor

La baza uleiurilor moderne, indicele de viscozitate este sub 95-100 de unități. Prin urmare, în sistemele hidraulice ale mașinilor și echipamentelor pot fi utilizate fluide de lucru suficient de stabile care limitează variația largă a vâscozității la temperaturi critice.

Coeficientul de vâscozitate "favorabil" poate fi menținut prin introducerea unor aditivi speciali (polimeri) distilarea uleiului. Ele măresc indicele de vâscozitate al uleiurilor prin limitarea variației acestei caracteristici în intervalul admisibil. În practică, la introducerea cantității necesare de aditivi, un indice de viscozitate scăzut al uleiului de bază poate fi mărit la 100-105 unități. În același timp, amestecul astfel obținut își deteriorează proprietățile sub presiune ridicată și sarcină termică, reducând astfel eficiența aditivului.

În circuitele de putere ale sistemelor hidraulice puternice, ar trebui utilizate fluide de lucru cu un indice de vâscozitate de 100 de unități. Fluidele de lucru cu amelioratori ai indicelui de vâscozitate sunt utilizate în circuitele de comandă hidraulică și în alte sisteme care funcționează în domeniul presiunii joase / medii, într-o gamă limitată de schimbări de temperatură, cu scurgere redusă și în mod discontinuu. Cu o presiune tot mai mare, viscozitatea crește, dar acest proces are loc la presiuni mai mari de 30,0 MPa (300 bari). În practică, acest factor este deseori neglijat.

Măsurarea și indexarea

În conformitate cu standardele internaționale ISO, coeficientul de vâscozitate al apei (și al altor medii lichide) este exprimat în centistokes: cSt (mm²/ s). Măsurătorile de vâscozitate ale uleiurilor de proces ar trebui efectuate la temperaturi de 0 ° C, 40 ° C și 100 ° C. În orice caz, în codul de clasă de ulei, vâscozitatea trebuie indicată de cifră la o temperatură de 40 ° C. În GOST, valoarea viscozității este dată la 50 ° C. Marcile utilizate cel mai frecvent in industria hidraulica inginerie variaza de la ISO VG 22 la ISO VG 68.

Uleiurile hidraulice VG 22, VG ​​32, VG ​​46, VG 68, VG 100 la 40 ° C au valori de vâscozitate corespunzătoare marcajului lor: 22, 32, 46, 68 și 100 cSt. Viscozitatea cinematică optimă a fluidului hidraulic în sistemele hidraulice se situează în intervalul de la 16 la 36 cSt.

Societatea Americană a Inginerilor de Automobile (SAE) a stabilit gamele de variație a vâscozității la temperaturi specifice și le-a atribuit coduri corespunzătoare. Figura urmând litera W este coeficientul absolut dinamic de vâscozitate (-17,7 ° C) și viscozitatea cinematică nu a fost determinat la 100 ° C (212 ° F). Această indexare se referă la uleiurile de sezon utilizate în industria automobilelor (transmisie, motor etc.).

Efectul vâscozității asupra funcționării hidraulicii

Determinarea vâscozității fluidului nu este numai un interes științific și educațional, dar, de asemenea, poartă o semnificație importantă practică. Fluidele hidraulice transfera nu numai energie de la pompa la motorul hidraulic, dar, de asemenea, pentru a lubrifia toate piesele și componentele se îndepărtează căldura eliberată din perechile de frecare. Viscozitatea fluidului de lucru care nu corespunde modului de funcționare poate afecta grav eficiența întregii hidraulice.

Viscozitatea ridicată a fluidului de lucru (ulei de densitate foarte mare) conduce la următoarele fenomene negative:

• Creșterea rezistenței la curgerea fluidului hidraulic determină o scădere excesivă a presiunii în sistemul hidraulic.
• Decelerarea vitezei de comandă și a mișcărilor mecanice ale dispozitivelor de acționare.
• Dezvoltarea cavitației în pompă.
• Eliberarea aerului de la uleiul din rezervor este scăzută sau prea scăzută.
• Pierderea semnificativă a puterii (eficiența redusă) a sistemelor hidraulice datorită costurilor ridicate ale energiei pentru a depăși frecare internă a fluidului.
• Creșterea cuplului motorului primar al mașinii, cauzată de creșterea încărcării pompei.
• Creșterea temperaturii lichidului hidraulic cauzată de frecare crescută.

Astfel, sensul fizic al coeficientului de vâscozitate constă în influența sa (pozitivă sau negativă) asupra nodurilor și mecanismelor vehiculelor, mașinilor și echipamentelor.

Pierdere de putere hidraulică

Vâscozitatea scăzută a fluidului de lucru (ulei de joasă densitate) conduce la următoarele fenomene negative:

• Scăderea eficienței volumetrice a pompelor ca urmare a creșterii pierderilor interne.
• Creșterea scurgerilor interne în componentele hidraulice ale întregului sistem hidraulic - pompe, supape, distribuitoare hidraulice, motoare hidraulice.
• Uzura sporită a ansamblurilor swinging și înclinarea pompelor datorită vâscozității insuficiente a fluidului de lucru necesar pentru a asigura lubrifierea pieselor de frecare.

compresibilitate

Orice lichid sub presiune este comprimat. În ceea ce privește uleiurile și lichidele de răcire utilizate în industria hidraulică a construcțiilor de mașini, se stabilește empiric că procesul de comprimare este invers proporțional cu masa lichidului pe volum. Cantitatea de compresie este mai mare pentru uleiurile minerale, mult mai scăzute pentru apă și mult mai scăzute pentru lichidele sintetice.

În sistemele hidraulice simple cu presiune joasă, compresibilitatea fluidului afectează în mod neglijabil scăderea volumului inițial. Dar în mașini puternice, cu o transmisie hidraulică de înaltă presiune și cilindri hidraulici mari, acest proces se manifestă în mod vizibil. În hidraulic uleiuri minerale la o presiune de 10,0 MPa (100 bari), volumul scade cu 0,7%. În același timp, vâscozitatea cinematică și tipul de ulei influențează într-o mică măsură schimbarea volumului de comprimare.

producție

Determinarea viscozității permite prezice funcționarea echipamentului și a mașinilor în diferite condiții, ținând cont de schimbările în compoziția fluid sau gaz, presiunea, temperatura. De asemenea, controlul acestor indicatori este relevant în sectorul petrolului și al gazelor naturale, al economiei municipale și al altor industrii.