El coeficient de viscositat és un paràmetre clau d'un fluid o gas de treball. En termes físics, la viscositat es pot definir com la fricció interna provocada pel moviment de les partícules que formen la massa d'un medi líquid (gasós) o, més simplement, la resistència al moviment.
Què és la viscositat
L'experiment empíric més senzill per determinar la viscositat: s'aboca la mateixa quantitat d'aigua i oli sobre una superfície llisa inclinada alhora. L'aigua drena més ràpid que l'oli. Ella és més fluida. Un oli en moviment s'impedeix drenar ràpidament per la major fricció entre les seves molècules (resistència interna - viscositat). Així, la viscositat d'un líquid és inversament proporcional a la seva fluïdesa.
Ràtio de viscositat: fórmula
En una forma simplificada, el procés de moviment d'un fluid viscós en una canonada es pot considerar en forma de capes planes paral·leles A i B amb la mateixa superfície S, la distància entre les quals és h.
Aquestes dues capes (A i B) es mouen a diferents velocitats (V i V+ΔV). La capa A, que té la velocitat més alta (V+ΔV), implica la capa B, que es mou a una velocitat més baixa (V). Al mateix temps, la capa B tendeix a frenar la velocitat de la capa A. El significat físic del coeficient de viscositat és que la fricció de les molècules, que són la resistència de les capes de flux, forma una força que Isaac Newton va descriure per la fórmula següent:
F=µ × S × (ΔV/h)
Aquí:
- ΔV és la diferència de velocitats de les capes de flux de fluids;
- h: distància entre capes de flux de fluid;
- S - àrea superficial de la capa de flux de fluids;
- Μ (mu): un coeficient que depèn de la propietat del líquid, anomenat viscositat dinàmica absoluta.
En unitats SI, la fórmula té aquest aspecte:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × segon)
Aquí F és la força de gravetat (pes) de la unitat de volum del fluid de treball.
Valor de viscositat
En la majoria dels casos, el coeficient de viscositat dinàmica es mesura en centipoise (cP) d'acord amb el sistema d'unitats CGS (centímetre, gram, segon). A la pràctica, la viscositat està relacionada amb la relació entre la massa d'un líquid i el seu volum, és a dir, amb la densitat del líquid:
ρ=m / V
Aquí:
- ρ - densitat líquida;
- m – massa de fluid;
- V és el volum de líquid.
La relació entre la viscositat dinàmica (Μ) i la densitat (ρ) s'anomena viscositat cinemàtica ν (ν – en grec –nu):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Per cert, els mètodes per determinar el coeficient de viscositat són diferents. Per exemple, la viscositat cinemàtica encara es mesura d'acord amb el sistema CGS en centistokes (cSt) i en unitats fraccionades - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Determinació de la viscositat de l'aigua
La viscositat de l'aigua es determina mesurant el temps que triga el fluid a fluir per un tub capil·lar calibrat. Aquest dispositiu està calibrat amb un fluid estàndard de viscositat coneguda. Per determinar la viscositat cinemàtica, mesurada en mm2/s, el temps de flux del fluid, mesurat en segons, es multiplica per una constant.
La unitat de comparació és la viscositat de l'aigua destil·lada, el valor de la qual és gairebé constant fins i tot quan la temperatura canvia. El coeficient de viscositat és la relació entre el temps en segons que triga un volum fix d'aigua destil·lada a sortir d'un orifici calibrat i el del fluid que s'està provant.
Viscosímetres
La viscositat es mesura en graus Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") o graus Redwood (°RJ), segons el tipus de viscosímetre utilitzat. Els tres tipus de viscosímetres només difereixen en la quantitat de fluid que surt.
Viscosímetre que mesura la viscositat en la unitat europea grau Engler (°E), calculat200 cm3 mitjà líquid que surt. Un viscosímetre que mesura la viscositat en segons Saybolt Universal ("SUS" o "SSU" utilitzat als EUA) conté 60 cm3 del fluid de prova. A Anglaterra, on s'utilitzen els graus Redwood (°RJ), el viscosímetre mesura la viscositat d'un fluid de 50 cm3. Per exemple, si 200 cm3 d'un determinat oli flueixen deu vegades més lent que el mateix volum d'aigua, aleshores la viscositat d'Engler és de 10°E.
Com que la temperatura és un factor clau per canviar el coeficient de viscositat, les mesures es fan normalment primer a una temperatura constant de 20 °C i després a valors més alts. Així, el resultat s'expressa afegint la temperatura adequada, per exemple: 10°E/50°C o 2,8°E/90°C. La viscositat d'un líquid a 20 °C és superior a la seva viscositat a temperatures més altes. Els olis hidràulics tenen les viscositats següents a les seves respectives temperatures:
190 cSt a 20 °C=45,4 cSt a 50 °C=11,3 cSt a 100 °C.
Tradueix valors
La determinació del coeficient de viscositat es produeix en diferents sistemes (americà, anglès, GHS), i per tant sovint és necessari transferir dades d'un sistema dimensional a un altre. Per convertir els valors de viscositat del fluid expressats en graus Engler a centistokes (mm2/s), utilitzeu la fórmula empírica següent:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Per exemple:
- 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.
Per determinar ràpidament la viscositat estàndard de l'oli hidràulic, la fórmula es pot simplificar de la següent manera:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Tenint una viscositat cinemàtica ν en mm2/s o cSt, podeu convertir-la en un coeficient de viscositat dinàmica Μ utilitzant la relació següent:
M=ν × ρ
Exemple. Resumint les diverses fórmules de conversió per a graus Engler (°E), centistokes (cSt) i centipoise (cP), suposem que un oli hidràulic amb una densitat de ρ=910 kg/m3 té una viscositat cinemàtica de 12° E, que en unitats de cSt és:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Perquè 1cSt=10-6m2/s i 1cP=10-3N×s/m2, aleshores la viscositat dinàmica serà:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Factor de viscositat del gas
Està determinat per la composició (química, mecànica) del gas, l'efecte de la temperatura, la pressió, i s'utilitza en càlculs dinàmics de gas relacionats amb el moviment del gas. A la pràctica, la viscositat dels gasos es té en compte a l'hora de dissenyar els desenvolupaments de camps de gas, on els canvis de coeficient es calculen en funció dels canvis en la composició del gas (especialment important per als camps de condensats de gas), la temperatura i la pressió.
Calculeu la viscositat de l'aire. Els processos seran similars ales dues corrents comentades anteriorment. Suposem que dos corrents de gas U1 i U2 es mouen en paral·lel, però a velocitats diferents. La convecció (penetració mútua) de molècules es produirà entre les capes. Com a resultat, l'impuls del corrent d'aire que es mou més ràpid disminuirà i el que es mou inicialment més lent s'accelerarà.
El coeficient de viscositat de l'aire, segons la llei de Newton, s'expressa mitjançant la fórmula següent:
F=-h × (dU/dZ) × S
Aquí:
- dU/dZ és el gradient de velocitat;
- S: àrea d'impacte de força;
- Coeficient h - viscositat dinàmica.
Índex de viscositat
L'índex de viscositat (VI) és un paràmetre que correlaciona els canvis de viscositat i temperatura. Una correlació és una relació estadística, en aquest cas de dues magnituds, en la qual un canvi de temperatura acompanya un canvi sistemàtic de viscositat. Com més alt sigui l'índex de viscositat, menor serà el canvi entre els dos valors, és a dir, la viscositat del fluid de treball és més estable amb els canvis de temperatura.
Viscositat de l'oli
Les bases dels olis moderns tenen un índex de viscositat inferior a 95-100 unitats. Per tant, en els sistemes hidràulics de màquines i equips, es poden utilitzar fluids de treball prou estables, que limiten l'ampli canvi de viscositat en condicions de temperatures crítiques.
El coeficient de viscositat "favorable" es pot mantenir introduint a l'oli additius especials (polímers) obtinguts durant la destil·lació de l'oli. Augmenten l'índex de viscositat dels olis percompte de limitar el canvi d'aquesta característica en l'interval admissible. A la pràctica, amb la introducció de la quantitat necessària d'additius, el baix índex de viscositat de l'oli base es pot augmentar a 100-105 unitats. Tanmateix, la mescla obtinguda d'aquesta manera deteriora les seves propietats a alta pressió i càrrega tèrmica, reduint així l'eficàcia de l'additiu.
En els circuits de potència de sistemes hidràulics potents, s'han d'utilitzar fluids de treball amb un índex de viscositat de 100 unitats. Els fluids de treball amb additius que augmenten l'índex de viscositat s'utilitzen en circuits de control hidràulic i altres sistemes que operen en el rang de pressió baixa / mitjana, en un rang de temperatura limitat, amb petites fuites i en funcionament per lots. Amb l'augment de la pressió, la viscositat també augmenta, però aquest procés es produeix a pressions superiors a 30,0 MPa (300 bar). A la pràctica, aquest factor sovint es descuida.
Mesura i indexació
D'acord amb les normes ISO internacionals, el coeficient de viscositat de l'aigua (i altres mitjans líquids) s'expressa en centistokes: cSt (mm2/s). Les mesures de viscositat dels olis de procés s'han de dur a terme a temperatures de 0 °C, 40 °C i 100 °C. En qualsevol cas, en el codi de grau d'oli, la viscositat s'ha d'indicar amb una xifra a una temperatura de 40 °C. A GOST, el valor de viscositat es dóna a 50 °C. Els graus més utilitzats en enginyeria hidràulica van des de ISO VG 22 fins a ISO VG 68.
Els olis hidràulics VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 a 40°C tenen valors de viscositat corresponents al seu marcatge: 22, 32, 46, 68 i 100 cSt. Òptimala viscositat cinemàtica del fluid de treball en sistemes hidràulics oscil·la entre 16 i 36 cSt.
La Societat Americana d'Enginyers d'Automoció (SAE) ha establert intervals de viscositat a temperatures específiques i els ha assignat els codis adequats. El nombre que segueix a la W és la viscositat dinàmica absoluta Μ a 0 °F (-17,7 °C) i la viscositat cinemàtica ν es va determinar a 212 °F (100 °C). Aquesta indexació s'aplica als olis per a totes les estacions utilitzats a la indústria de l'automòbil (transmissió, motor, etc.).
Efecte de la viscositat sobre la hidràulica
La determinació del coeficient de viscositat d'un líquid no només té interès científic i educatiu, sinó que també té un valor pràctic important. En els sistemes hidràulics, els fluids de treball no només transfereixen energia de la bomba als motors hidràulics, sinó que també lubriquen totes les parts dels components i eliminen la calor generada pels parells de fricció. La viscositat del fluid de treball que no és adequada per al mode de funcionament pot afectar seriosament l'eficiència de tota la hidràulica.
La viscositat elevada del fluid de treball (oli de molt alta densitat) provoca els següents fenòmens negatius:
- L'augment de la resistència al flux de fluid hidràulic provoca una caiguda de pressió excessiva al sistema hidràulic.
- Desacceleració de la velocitat de control i moviments mecànics dels actuadors.
- Desenvolupament de cavitació a la bomba.
- Emissió d'aire zero o massa baixa de l'oli del dipòsit hidràulic.
- Notablepèrdua de potència (disminució de l'eficiència) de la hidràulica a causa dels elevats costos energètics per superar la fricció interna del fluid.
- Augment del parell del motor principal de la màquina causat per l'augment de la càrrega de la bomba.
- Augment de la temperatura del fluid hidràulic a causa de l'augment de la fricció.
Així, el significat físic del coeficient de viscositat rau en la seva influència (positiva o negativa) en els components i mecanismes dels vehicles, màquines i equips.
Pèrdua de potència hidràulica
La baixa viscositat del fluid de treball (oli de baixa densitat) provoca els següents fenòmens negatius:
- Disminució de l'eficiència volumètrica de les bombes com a resultat de l'augment de les fuites internes.
- Augment de les fuites internes en els components hidràulics de tot el sistema hidràulic: bombes, vàlvules, distribuïdors hidràulics, motors hidràulics.
- Augment del desgast de les unitats de bombeig i embussos de les bombes a causa de la viscositat insuficient del fluid de treball necessari per lubricar les peces de fregament.
Compressibilitat
Qualsevol líquid es comprimeix sota pressió. Pel que fa als olis i refrigerants utilitzats en la hidràulica de l'enginyeria mecànica, s'ha establert empíricament que el procés de compressió és inversament proporcional a la massa del líquid per volum. La relació de compressió és més alta per als olis minerals, molt més baixa per a l'aigua i molt més baixa per als fluids sintètics.
En sistemes hidràulics senzills de baixa pressió, la compressibilitat del fluid té un efecte insignificant en la reducció del volum inicial. Però en màquines potents amb alta hidràulicapressió i grans cilindres hidràulics, aquest procés es manifesta notablement. Per als olis minerals hidràulics a una pressió de 10,0 MPa (100 bar), el volum disminueix un 0,7%. Al mateix temps, el canvi de volum de compressió es veu lleugerament afectat per la viscositat cinemàtica i el tipus d'oli.
Conclusió
La determinació del coeficient de viscositat permet predir el funcionament d'equips i mecanismes en diverses condicions, tenint en compte els canvis en la composició d'un líquid o gas, la pressió, la temperatura. A més, el control d'aquests indicadors és rellevant en el sector del petroli i el gas, els serveis públics i altres indústries.
