Коефициент на вискозитет. Коефициентът на динамичен вискозитет. Физическото значение на коефициента на вискозитет

Коефициентът на вискозитет е основният параметър на работния флуид или газ. От физическа гледна точка вискозитетът може да се дефинира като вътрешно триене, причинено от движението на частици, съставляващи масата на течната (газообразна) среда или по-просто съпротивлението на движението.

Какъв е вискозитетът?

Най-простият емпиричен опит за определяне на вискозитета: гладко количество вода се излива едновременно върху гладка наклонена повърхност със същото количество вода и масло. Водата се оттича по-бързо от нефта. Тя е по-течна. Преместването на маслото предотвратява бързото протичане на по-голямо триене между неговите молекули (вътрешно съпротивление - вискозитет). По този начин вискозитетът на течността е обратно пропорционален на нейната плавност.

Коефициент на вискозитет: формула

В опростена форма процесът на движение на вискозна течност в тръбопровода може да се разглежда под формата на равнинни паралелни слоеве А и В със същата повърхност S, разстоянието между които е h.

Тези два слоя (А и Б) се движат с различни скорости (V и V + ΔV). Слоят А с най-висока скорост (V + ΔV) включва слой В, движещ се с по-ниска скорост (V). Същевременно слоят В има тенденция да забавя скоростта на слой А. Физическото значение на коефициента на вискозитет е, че триенето на молекулите, които представляват съпротивлението на поточните слоеве, формира сила, която Исак Нютон описва със следната формула:

F = μ × S × (ΔV / ч)

тук:

• ΔV е разликата в скоростите на движенията на пластовите потоци;
• H е разстоянието между слоевете на флуидния поток;
• S е повърхностната площ на слоя течен поток;
• М (mu) е коефициент, който зависи от свойството на течността, наречено абсолютен динамичен вискозитет.

В единици от системата SI, формулата е, както следва:

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

Тук F е тежестта (теглото) на единица обем на работния флуид.

Стойността на вискозитета

В повечето случаи динамичният коефициент на вискозитета се измерва в сантипоази (cps) в съответствие със системата от единици CGS (сантиметър, грам, секунда). На практика вискозитетът е свързан със съотношението на масата на течността към нейния обем, т.е. плътността на течността:

Р = m / V

тук:

• Р е плътността на течността;
• M е масата на течността;
• V е обемът на течността.

Връзката между динамичния вискозитет (μ) и плътността (ρ) се нарича кинематичен вискозитет ν (ν - на гръцки):

N = μ / ρ = [т2 / s]

Между другото, методите за определяне на коефициента на вискозитет са различни. Например, кинематичният вискозитет все още се измерва в съответствие със системата CGS в centistokes (cSt) и в stolks (St):

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

Определяне на вискозитета на водата

Коефициентът на вискозитета на водата се определя чрез измерване на времето за протичане на течността през калибрирана капилярна тръба. Това устройство се калибрира, като се използва стандартен флуид с известен вискозитет. За да се определи кинематичният вискозитет, измерен в mm ² / s, времето за течливост на течността, измерено в секунди, се умножава по константна стойност.

Като единица за сравнение се използва вискозитетът на дестилирана вода, чиято стойност е почти постоянна дори при промяна на температурата. Коефициентът на вискозитет е съотношението на времето в секунди, когато се изисква фиксиран обем дестилирана вода да изтече от калибрирания отвор, до подобна стойност за тестваната течност.

вискозиметри

Вискозитетът се измерва в градуси Engler (° E), Saybolt универсални секунди ("SUS") или градуси Redwood (° RJ) в зависимост от вида на използвания вискозиметър. Трите типа вискозиметри се различават само по отношение на количеството изтичаща течност.

Вискозиметърът, измерващ вискозитета в европейската единица, е степента Engler (° E), изчислена за 200 cm ^{3 от} изходящата течност. Вискозиметърът, измерващ вискозитета в универсалните Saybolt секунди ("SUS" или "SSU"), използван в САЩ, съдържа 60 cm ^{3 от} тестваната течност. В Англия, където се използват степените Redwood (° RJ), вискозитетът измерва вискозитета на 50 cc течност. Например, ако 200 см3 ^от определено масло тече десет пъти по-бавно от подобен обем вода, тогава вискозитетът на Engler е 10 ° Е.

Тъй като температурата е ключов фактор, който променя коефициента на вискозитет, измерванията обикновено се извършват най-напред при постоянна температура от 20 ° C и след това при по-високи температури. Резултатът се изразява чрез добавяне на подходяща температура, например: 10 ° E / 50 ° C или 2.8 ° E / 90 ° C. Вискозитетът на течността при 20 ° С е по-висок от вискозитета й при по-високи температури. Хидравличните масла имат следния вискозитет при подходящи температури:

190 cSt при 20 ° С = 45,4 cSt при 50 ° C = 11,3 cSt при 100 ° C.

Превод на ценности

Определянето на коефициента на вискозитет се извършва в различни системи (американски, английски, GHS) и поради това често се изисква да се превеждат данни от една измерена система на друга. За да преведете стойностите на вискозитета на флуида, изразени в градуси на Engler в centistokes (mm ² / s), използвайте следната емпирична формула:

N (cSt) = 7,6 × ° E × (1-1 / ° E3)

Например:

• 2 ° E = 7,6 × 2 × (1-1 / 23) = 15,2 × (0,875) = 13,3 cSt;
• 9 ° Е = 7.6 х 9 х (1-1 / 93) = 68.4 х (0.9986) = 68.3 cSt.

За да се определи бързо стандартния вискозитет на хидравличното масло, формулата може да бъде опростена, както следва:

N (cSt) = 7,6 х ° Е (mm ² / s)

С кинематичен вискозитет v в mm ² / s или cSt, той може да се превърне в коефициент на динамичен вискозитет μ, използвайки следната зависимост:

Μ = ν × ρ

Пример. Обобщавайки различните формули за преобразуване на градусите на Engler (° E), centistokes (cSt) и centipoise (cp), предполагаме, че хидравлично масло с плътност ρ = 910 kg / m3 има кинематичен вискозитет 12 ° E, което в cSt единици е:

N = 7.6 х 12 х (1-1 / 123) = 91.2 х (0.99) = 90.3 mm ² / s.

Тъй като 1сСт = ^10-6 m ² / s и 1сП = 10 ^-3 N s / m ² , динамичният вискозитет ще бъде равен на:

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

Коефициент на вискозитет на газа

Тя се определя от състава (химически, механичен) на газа, който влияе върху температурата, налягането и се използва при газо-динамични изчисления, свързани с движението на газа. На практика, при проектиране на развитието на газови полета се взема предвид вискозитетът на газовете, при който се извършва изчисляването на промените в коефициента в зависимост от промените в газовия състав (особено за полетата на газовата кондензация), температурата и налягането.

Изчислява се коефициентът на вискозитета на въздуха. Процесите ще бъдат подобни на двата потока вода, обсъдени по-горе. Да предположим, че два газови потока U1 и U2 се движат успоредно, но при различни скорости. Между слоевете ще има конвекция (взаимно проникване) на молекулите. В резултат на това скоростта на движещия се въздушен поток ще намалее по-бързо и първоначално ще се забави бавно.

Коефициентът на вискозитет на въздуха, съгласно закона на Нютон, се изразява със следната формула:

F = -h × (dU / dZ) × S

тук:

• DU / dZ е градиентът на скоростта;
• S е зоната на въздействие на силата;
• Коефициентът h е динамичният вискозитет.

Индекс на вискозитет

Индексът на вискозитета (IV) е параметър, който корелира промяната на вискозитета и температурата. Корелационната зависимост е статистическа връзка, в случая на две количества, при които температурата се придружава от системна промяна на вискозитета. Колкото е по-висок индексът на вискозитета, толкова по-малка е промяната между двете стойности, т.е. вискозитетът на работния флуид е по-стабилен, когато температурата се промени.

Вискозитет на масла

В основата на съвременните масла индексът на вискозитета е по-малък от 95-100 единици. Поради това в хидравличните системи на машините и оборудването могат да се използват достатъчно стабилни работни флуиди, които ограничават голямото вариране на вискозитета при критични температури.

"Благоприятният" коефициент на вискозитета може да се поддържа чрез добавяне на специални добавки (полимери) към маслото, получено при дестилацията на маслото. Те повишават индекса на вискозитета на масла, като ограничават вариацията на тази характеристика в допустимия диапазон. На практика, когато се въвежда необходимото количество добавки, индексът на нисък вискозитет на основното масло може да бъде увеличен до 100-105 единици. В същото време така получената смес влошава свойствата си под високо налягане и топлинен товар, като по този начин намалява ефективността на добавката.

В силовите вериги на мощни хидравлични системи трябва да се използват работни течности с индекс на вискозитет от 100 единици. Работните течности с подобрители на показателя за вискозитет се използват в хидравличните контролни вериги и други системи, работещи в диапазона на ниско / средно налягане в ограничен диапазон от температурни промени с малки течове и в режим на партида. При повишаване на налягането вискозитетът също се увеличава, но този процес се осъществява при налягания над 30,0 МРа (300 бара). На практика този фактор често се пренебрегва.

Измерване и индексиране

В съответствие с международните стандарти ISO коефициентът на вискозитета на водата (и другите течни среди) се изразява в centistokes: cSt (mm ² / s). Измерванията на вискозитета на технологичните масла трябва да се извършват при температури от 0 ° С, 40 ° С и 100 ° С. Във всеки случай в кода на маслото трябва да се посочи вискозитетът при фигура при температура 40 ° С. В GOST стойността на вискозитета се дава при 50 ° С. Най-често използваните марки в инженерната хидравлика варират от ISO VG 22 до ISO VG 68.

Хидравличните масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при 40 ° C имат стойности на вискозитета, съответстващи на тяхната маркировка: 22, 32, 46, 68 и 100 cSt. Оптималният кинематичен вискозитет на хидравличната течност в хидравличните системи е в границите от 16 до 36 cSt.

Американското дружество на автомобилните инженери (SAE) установи диапазони на изменение на вискозитета при специфични температури и им присвои съответните кодове. Фигурата, следваща буквата W, е абсолютният динамичен коефициент на вискозитета μ при 0 ° F (-17.7 ° C), а кинематичният вискозитет v е определен при 100 ° С (212 ° F). Тази индексация се отнася за всички сезони на масла, използвани в автомобилната промишленост (трансмисия, двигател и др.).

Ефект на вискозитета върху работата на хидравликата

Определянето на коефициента на вискозитет на течността е не само от научен и когнитивен интерес, но и има важно практическо значение. При хидравличните системи работните течности не само прехвърлят енергия от помпата към хидравличните двигатели, но също така смазват всички компоненти на компонентите и отклоняват топлината от двойките на триене. Вискозитетът на работния флуид, който не съответства на режима на работа, може сериозно да повлияе на ефективността на цялата хидравлика.

Високият вискозитет на работната течност (масло с много висока плътност) води до следните негативни явления:

• Повишеното съпротивление на потока хидравлични течности води до прекомерно намаляване на налягането в хидравличната система.
• Намаляване на скоростта на управление и механичните движения на задвижващите механизми.
• Развитие на кавитация в помпата.
• Нулево или твърде ниско освобождаване на въздух от маслото в резервоара.
• Забележима загуба на мощност (намалена ефективност) на хидравликата поради високите разходи за енергия, за да се преодолее вътрешното триене на флуида.
• Увеличеният въртящ момент на първичния двигател на машината, причинен от нарастващото натоварване на помпата.
• Повишаването на температурата на хидравличния флуид, причинено от увеличеното триене.

По този начин физическото значение на коефициента на вискозитет се крие в неговото влияние (положително или отрицателно) върху възлите и механизмите на превозните средства, машините и оборудването.

Хидравлична загуба на мощност

Ниският вискозитет на работната течност (масло с ниска плътност) води до следните негативни явления:

• Намаляването на обемната ефективност на помпите в резултат на увеличаване на вътрешните течове.
• Увеличаване на вътрешните течове в хидравличните компоненти на цялата хидравлична система - помпи, клапани, хидравлични разпределители, хидравлични двигатели.
• Повишено износване на люлеещи се групи и заглушаване на помпите поради недостатъчен вискозитет на работната течност, необходим за осигуряване на смазване на триещите се части.

свиваемост

Всяка течност под налягане се компресира. По отношение на масла и охлаждащи средства, използвани в хидравликата на машиностроенето, емпирично е установено, че процесът на пресоване е обратно пропорционален на масата на течността по обем. Количеството на компресията е по-голямо за минералните масла, много по-ниски за водата и много по-ниски за синтетичните течности.

При обикновените хидравлични системи с ниско налягане, свиваемостта на течността оказва незначително въздействие върху намаляването на първоначалния обем. Но при мощни машини с хидравлично задвижване при високо налягане и големи хидравлични цилиндри, този процес се проявява забележимо. При хидравличните минерални масла при налягане 10,0 MPa (100 бара) обемът намалява с 0,7%. Същевременно, кинематичният вискозитет и тип масло влияят в малка степен върху изменението на обема на компресията.

заключение

Определянето на коефициента на вискозитет прави възможно да се предвиди функционирането на оборудването и механизмите при различни условия, като се вземат предвид промените в състава на течността или газа, налягането, температурата. Също така, мониторингът на тези показатели е от значение за нефтения и газовия сектор, общинските услуги и други индустрии.