Współczynnik lepkości to kluczowy parametr cieczy roboczej lub gazu. Pod względem fizycznym lepkość można zdefiniować jako tarcie wewnętrzne spowodowane ruchem cząstek, które tworzą masę ośrodka płynnego (gazowego), lub prościej, oporem ruchu.
Co to jest lepkość
Najprostszy eksperyment empiryczny określający lepkość: tę samą ilość wody i oleju wylewa się jednocześnie na gładką, pochyloną powierzchnię. Woda spływa szybciej niż olej. Jest bardziej płynna. Poruszający się olej zapobiega szybkiemu spływaniu dzięki większemu tarciu między jego cząsteczkami (opór wewnętrzny - lepkość). Zatem lepkość cieczy jest odwrotnie proporcjonalna do jej płynności.
Współczynnik lepkości: formuła
W uproszczonej formie proces przemieszczania się lepkiego płynu w rurociągu można rozpatrywać w postaci płaskich równoległych warstw A i B o tej samej powierzchni S, pomiędzy którymi odległość wynosi h.
Te dwie warstwy (A i B) poruszają się z różnymi prędkościami (V i V+ΔV). Warstwa A, która ma największą prędkość (V+ΔV), obejmuje warstwę B, która porusza się z mniejszą prędkością (V). Jednocześnie warstwa B ma tendencję do spowalniania prędkości warstwy A. Fizyczne znaczenie współczynnika lepkości polega na tym, że tarcie cząsteczek, które są oporem warstw przepływu, tworzy siłę, którą Isaac Newton opisał przez następujący wzór:
F=µ × S × (ΔV/h)
Tutaj:
- ΔV jest różnicą prędkości warstw przepływu płynu;
- h – odległość między warstwami przepływu płynu;
- S – pole powierzchni warstwy przepływu płynu;
- Μ (mu) - współczynnik zależny od właściwości cieczy, zwany bezwzględną lepkością dynamiczną.
W jednostkach SI wzór wygląda tak:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Paskal × sekunda)
Tutaj F jest siłą grawitacji (ciężaru) jednostkowej objętości płynu roboczego.
Wartość lepkości
W większości przypadków współczynnik lepkości dynamicznej jest mierzony w centypuazach (cP) zgodnie z systemem jednostek CGS (centymetr, gram, sekunda). W praktyce lepkość związana jest ze stosunkiem masy cieczy do jej objętości, czyli do gęstości cieczy:
ρ=m / V
Tutaj:
- ρ – gęstość cieczy;
- m – masa płynu;
- V to objętość cieczy.
Zależność między lepkością dynamiczną (Μ) a gęstością (ρ) nazywa się lepkością kinematyczną ν (ν – po grecku –nago):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Nawiasem mówiąc, metody wyznaczania współczynnika lepkości są różne. Na przykład lepkość kinematyczna jest nadal mierzona zgodnie z systemem CGS w centystoksach (cSt) oraz w jednostkach ułamkowych - stokesach (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Określanie lepkości wody
Lepkość wody jest określana poprzez pomiar czasu potrzebnego na przepływ płynu przez skalibrowaną rurkę kapilarną. To urządzenie jest kalibrowane standardowym płynem o znanej lepkości. Aby określić lepkość kinematyczną, mierzoną w mm2/s, czas przepływu płynu, mierzony w sekundach, mnoży się przez stałą.
Jednostką porównawczą jest lepkość wody destylowanej, której wartość jest prawie stała nawet przy zmianach temperatury. Współczynnik lepkości to stosunek czasu w sekundach, przez jaki stała objętość wody destylowanej wypływa ze skalibrowanego otworu do objętości badanego płynu.
Wiskozymetry
Lepkość jest mierzona w stopniach Englera (°E), uniwersalnych sekundach Saybolta ("SUS") lub stopniach sekwoi (°RJ) w zależności od typu użytego lepkościomierza. Trzy typy lepkościomierzy różnią się tylko ilością płyn wypływa.
Wiskozymetr mierzący lepkość w europejskich jednostkach stopni Englera (°E), obliczona200cm3 wypływający płynny środek. Lepkościomierz mierzący lepkość w Saybolt Universal Seconds ("SUS" lub "SSU" używany w USA) zawiera 60 cm płynu testowego. W Anglii, gdzie stosuje się stopnie Redwooda (°RJ), wiskozymetr mierzy lepkość 50 cm3 płynu. Na przykład, jeśli 200 cm3 określonego oleju przepływa dziesięć razy wolniej niż ta sama objętość wody, to lepkość Englera wynosi 10°E.
Ponieważ temperatura jest kluczowym czynnikiem zmiany współczynnika lepkości, pomiary są zwykle wykonywane najpierw w stałej temperaturze 20°C, a następnie przy wyższych wartościach. Wynik wyraża się zatem przez dodanie odpowiedniej temperatury, na przykład: 10°E/50°C lub 2,8°E/90°C. Lepkość cieczy w 20°C jest wyższa niż jej lepkość w wyższych temperaturach. Oleje hydrauliczne mają następujące lepkości w odpowiednich temperaturach:
190 cSt przy 20°C=45,4 cSt przy 50°C=11,3 cSt przy 100°C.
Przetłumacz wartości
Wyznaczanie współczynnika lepkości odbywa się w różnych systemach (amerykański, angielski, GHS), dlatego często konieczne jest przenoszenie danych z jednego systemu wymiarowego do drugiego. Aby przeliczyć wartości lepkości płynu wyrażone w stopniach Englera na centystokes (mm2/s), użyj następującego wzoru empirycznego:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Na przykład:
- 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.
Aby szybko określić standardową lepkość oleju hydraulicznego, wzór można uprościć w następujący sposób:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Mając lepkość kinematyczną ν w mm2/s lub cSt, można ją przeliczyć na współczynnik lepkości dynamicznej Μ, korzystając z następującej zależności:
M=ν × ρ
Przykład. Podsumowując różne wzory konwersji dla stopni Englera (°E), centystoksów (cSt) i centypuazów (cP), załóżmy, że olej hydrauliczny o gęstości ρ=910 kg/m3 ma lepkość kinematyczna 12° E, która w jednostkach cSt wynosi:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Ponieważ 1cSt=10-6m2/s i 1cP=10-3N×s/m2, to lepkość dynamiczna będzie wynosić:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Współczynnik lepkości gazu
Wyznacza się ją składem (chemicznym, mechanicznym) gazu, wpływem temperatury, ciśnienia i jest wykorzystywana w obliczeniach dynamiki gazu związanych z ruchem gazu. W praktyce lepkość gazów brana jest pod uwagę przy projektowaniu zagospodarowań pól gazowych, gdzie obliczane są zmiany współczynnika w zależności od zmian składu gazu (szczególnie ważne w przypadku pól kondensatu gazowego), temperatury i ciśnienia.
Oblicz lepkość powietrza. Procesy będą podobne dodwa strumienie omówione powyżej. Załóżmy, że dwa strumienie gazu U1 i U2 poruszają się równolegle, ale z różnymi prędkościami. Pomiędzy warstwami nastąpi konwekcja (wzajemna penetracja) cząsteczek. W rezultacie pęd szybciej poruszającego się strumienia powietrza zmniejszy się, a początkowo poruszający się wolniej przyspieszy.
Współczynnik lepkości powietrza, zgodnie z prawem Newtona, jest wyrażony następującym wzorem:
F=-h × (dU/dZ) × S
Tutaj:
- dU/dZ to gradient prędkości;
- S – obszar uderzenia siły;
- Współczynnik h - lepkość dynamiczna.
Wskaźnik lepkości
Wskaźnik lepkości (VI) to parametr, który koreluje zmiany lepkości i temperatury. Korelacja to zależność statystyczna, w tym przypadku dwie wielkości, w której zmianie temperatury towarzyszy systematyczna zmiana lepkości. Im wyższy wskaźnik lepkości, tym mniejsza zmiana między tymi dwiema wartościami, czyli lepkość płynu roboczego jest bardziej stabilna wraz ze zmianami temperatury.
Lepkość oleju
Zasady nowoczesnych olejów mają wskaźnik lepkości poniżej 95-100 jednostek. Dlatego w układach hydraulicznych maszyn i urządzeń można stosować dostatecznie stabilne płyny robocze, które ograniczają duże zmiany lepkości w warunkach temperatur krytycznych.
„Korzystny” współczynnik lepkości można utrzymać wprowadzając do oleju specjalne dodatki (polimery) otrzymywane podczas destylacji oleju. Zwiększają wskaźnik lepkości olejów dlauwagę ograniczenia zmiany tej cechy w dopuszczalnym przedziale. W praktyce, po wprowadzeniu wymaganej ilości dodatków, niski wskaźnik lepkości oleju bazowego można zwiększyć do 100-105 jednostek. Jednak uzyskana w ten sposób mieszanina pogarsza swoje właściwości przy wysokim ciśnieniu i obciążeniu cieplnym, zmniejszając tym samym skuteczność dodatku.
W obwodach zasilania potężnych układów hydraulicznych należy stosować płyny robocze o wskaźniku lepkości 100 jednostek. Płyny robocze z dodatkami podwyższającymi wskaźnik lepkości stosowane są w hydraulicznych obwodach sterujących i innych układach pracujących w zakresie niskiego/średniego ciśnienia, w ograniczonym zakresie temperatur, z małymi wyciekami oraz w pracy wsadowej. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również lepkość, ale proces ten zachodzi przy ciśnieniu powyżej 30,0 MPa (300 bar). W praktyce ten czynnik jest często zaniedbywany.
Pomiar i indeksowanie
Zgodnie z międzynarodowymi normami ISO, współczynnik lepkości wody (i innych płynnych mediów) jest wyrażany w centystoksach: cSt (mm2/s). Pomiary lepkości olejów procesowych należy przeprowadzać w temperaturach 0°C, 40°C i 100°C. W każdym przypadku w kodzie klasy oleju lepkość musi być wskazana cyfrą w temperaturze 40 ° C. W GOST wartość lepkości jest podawana w temperaturze 50°C. Gatunki najczęściej używane w hydraulice inżynierskiej obejmują zakres od ISO VG 22 do ISO VG 68.
Oleje hydrauliczne VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 w temperaturze 40°C mają lepkości odpowiadające ich oznaczeniu: 22, 32, 46, 68 i 100 cSt. Optymalnylepkość kinematyczna cieczy roboczej w układach hydraulicznych waha się od 16 do 36 cSt.
American Society of Automotive Engineers (SAE) ustaliło zakresy lepkości w określonych temperaturach i przypisało im odpowiednie kody. Liczba następująca po W to bezwzględna lepkość dynamiczna Μ w 0°F (-17,7°C), a lepkość kinematyczna ν została określona w 212°F (100°C). Indeksacja ta dotyczy olejów całorocznych stosowanych w motoryzacji (skrzynia biegów, silnik itp.).
Wpływ lepkości na hydraulikę
Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy ma nie tylko znaczenie naukowe i edukacyjne, ale również niesie ze sobą ważną wartość praktyczną. W układach hydraulicznych płyny robocze nie tylko przekazują energię z pompy do silników hydraulicznych, ale także smarują wszystkie części podzespołów i usuwają ciepło wytwarzane z par ciernych. Lepkość płynu roboczego, która nie jest odpowiednia dla trybu pracy, może poważnie pogorszyć sprawność całej hydrauliki.
Wysoka lepkość płynu roboczego (olej o bardzo dużej gęstości) prowadzi do następujących negatywnych zjawisk:
- Zwiększona odporność na przepływ płynu hydraulicznego powoduje nadmierny spadek ciśnienia w układzie hydraulicznym.
- Zwalnianie prędkości sterowania i ruchów mechanicznych siłowników.
- Rozwój kawitacji w pompie.
- Zerowe lub zbyt niskie uwalnianie powietrza ze zbiornika oleju hydraulicznego.
- Zauważalnyutrata mocy (spadek sprawności) hydrauliki z powodu wysokich kosztów energii w celu przezwyciężenia tarcia wewnętrznego płynu.
- Zwiększony moment rozruchowy maszyny spowodowany zwiększonym obciążeniem pompy.
- Wzrost temperatury płynu hydraulicznego z powodu zwiększonego tarcia.
W związku z tym fizyczne znaczenie współczynnika lepkości polega na jego wpływie (dodatnim lub ujemnym) na elementy i mechanizmy pojazdów, maszyn i urządzeń.
Utrata mocy hydraulicznej
Niska lepkość płynu roboczego (oleju o małej gęstości) prowadzi do następujących negatywnych zjawisk:
- Spadek wydajności objętościowej pomp w wyniku wzrostu nieszczelności wewnętrznej.
- Wzrost nieszczelności wewnętrznych w elementach hydraulicznych całego układu hydraulicznego - pompy, zawory, rozdzielacze hydrauliczne, silniki hydrauliczne.
- Zwiększone zużycie zespołów pompujących i zacinanie się pomp spowodowane niewystarczającą lepkością płynu roboczego niezbędną do zapewnienia smarowania części trących.
Kompresowalność
Każda ciecz ściska się pod ciśnieniem. W odniesieniu do olejów i chłodziw stosowanych w hydraulice budowy maszyn ustalono empirycznie, że proces sprężania jest odwrotnie proporcjonalny do masy cieczy na objętość. Stopień sprężania jest wyższy dla olejów mineralnych, znacznie niższy dla wody i znacznie niższy dla płynów syntetycznych.
W prostych niskociśnieniowych układach hydraulicznych ściśliwość płynu ma nieistotny wpływ na zmniejszenie objętości początkowej. Ale w potężnych maszynach z wysoką hydraulikąciśnienie i duże cylindry hydrauliczne, proces ten przejawia się zauważalnie. W przypadku hydraulicznych olejów mineralnych pod ciśnieniem 10,0 MPa (100 barów) objętość zmniejsza się o 0,7%. Jednocześnie na zmianę objętości sprężania w niewielkim stopniu wpływa lepkość kinematyczna i rodzaj oleju.
Wniosek
Wyznaczenie współczynnika lepkości pozwala przewidzieć działanie urządzeń i mechanizmów w różnych warunkach, z uwzględnieniem zmian składu cieczy lub gazu, ciśnienia, temperatury. Również kontrola tych wskaźników jest istotna w sektorze ropy i gazu, użyteczności publicznej i innych branżach.
