Viscositeitscoëfficiënt is een belangrijke parameter van een werkvloeistof of gas. In fysieke termen kan viscositeit worden gedefinieerd als de interne wrijving die wordt veroorzaakt door de beweging van deeltjes die de massa van een vloeibaar (gasvormig) medium vormen, of, eenvoudiger, de weerstand tegen beweging.
Wat is viscositeit
Het eenvoudigste empirische experiment om de viscositeit te bepalen: dezelfde hoeveelheid water en olie wordt tegelijkertijd op een glad hellend oppervlak gegoten. Water loopt sneller weg dan olie. Ze is vloeiender. Een bewegende olie wordt verhinderd snel weg te lopen door de hogere wrijving tussen zijn moleculen (interne weerstand - viscositeit). De viscositeit van een vloeistof is dus omgekeerd evenredig met zijn vloeibaarheid.
Viscositeitsverhouding: formule
In een vereenvoudigde vorm kan het proces van beweging van een viskeuze vloeistof in een pijpleiding worden beschouwd in de vorm van vlakke evenwijdige lagen A en B met hetzelfde oppervlak S, waarvan de afstand h is.
Deze twee lagen (A en B) bewegen met verschillende snelheden (V en V+ΔV). Laag A, die de hoogste snelheid heeft (V+ΔV), omvat laag B, die met een lagere snelheid (V) beweegt. Tegelijkertijd heeft laag B de neiging om de snelheid van laag A te vertragen. De fysieke betekenis van de viscositeitscoëfficiënt is dat de wrijving van de moleculen, die de weerstand zijn van de stroomlagen, een kracht vormt die Isaac Newton beschreef door de volgende formule:
F=µ × S × (ΔV/h)
Hier:
- ΔV is het verschil in de snelheden van de vloeistofstroomlagen;
- h – afstand tussen lagen vloeistofstroom;
- S – oppervlakte van de vloeistofstroomlaag;
- Μ (mu) - een coëfficiënt die afhankelijk is van de eigenschap van de vloeistof, de absolute dynamische viscositeit.
In SI-eenheden ziet de formule er als volgt uit:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × seconde)
Hier is F de zwaartekracht (gewicht) van het eenheidsvolume van de werkvloeistof.
Viscositeitswaarde
In de meeste gevallen wordt de dynamische viscositeitscoëfficiënt gemeten in centipoise (cP) in overeenstemming met het CGS-systeem van eenheden (centimeter, gram, seconde). In de praktijk is de viscositeit gerelateerd aan de verhouding van de massa van een vloeistof tot zijn volume, dat wil zeggen aan de dichtheid van de vloeistof:
ρ=m / V
Hier:
- ρ – vloeistofdichtheid;
- m – massa vloeistof;
- V is het vloeistofvolume.
De relatie tussen dynamische viscositeit (Μ) en dichtheid (ρ) heet kinematische viscositeit ν (ν – in het Grieks –naakt):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Trouwens, de methoden voor het bepalen van de viscositeitscoëfficiënt zijn verschillend. De kinematische viscositeit wordt bijvoorbeeld nog steeds gemeten volgens het CGS-systeem in centistokes (cSt) en in fractionele eenheden - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Bepalen van de viscositeit van water
De viscositeit van water wordt bepaald door de tijd te meten die nodig is om vloeistof door een gekalibreerde capillaire buis te laten stromen. Dit apparaat is gekalibreerd met een standaardvloeistof van bekende viscositeit. Om de kinematische viscositeit te bepalen, gemeten in mm2/s, wordt de vloeistofstroomtijd, gemeten in seconden, vermenigvuldigd met een constante.
De vergelijkingseenheid is de viscositeit van gedestilleerd water, waarvan de waarde bijna constant is, zelfs als de temperatuur verandert. De viscositeitscoëfficiënt is de verhouding van de tijd in seconden die nodig is om een vast volume gedestilleerd water uit een gekalibreerde opening te laten stromen tot dat van de vloeistof die wordt getest.
Viscometers
Viscositeit wordt gemeten in graden Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") of graden Redwood (°RJ), afhankelijk van het type viscosimeter dat wordt gebruikt. De drie soorten viscosimeters verschillen alleen in de hoeveelheid vloeistof stroomt naar buiten.
Viscometer die de viscositeit meet in de Europese eenheidsgraad Engler (°E), berekend200cm3 uitstromend vloeibaar medium. Een viscosimeter die de viscositeit meet in Saybolt Universal Seconds ("SUS" of "SSU" gebruikt in de VS) bevat 60 cm3 van de testvloeistof. In Engeland, waar Redwood-graden (°RJ) worden gebruikt, meet de viscosimeter de viscositeit van 50 cm3 vloeistof. Als bijvoorbeeld 200 cm3 van een bepaalde olie tien keer langzamer stroomt dan hetzelfde volume water, dan is de Engler-viscositeit 10°E.
Omdat temperatuur een sleutelfactor is bij het wijzigen van de viscositeitscoëfficiënt, worden metingen meestal eerst uitgevoerd bij een constante temperatuur van 20°C en daarna bij hogere waarden. Het resultaat wordt dus uitgedrukt door de juiste temperatuur toe te voegen, bijvoorbeeld: 10°E/50°C of 2,8°E/90°C. De viscositeit van een vloeistof bij 20°C is hoger dan de viscositeit bij hogere temperaturen. Hydraulische oliën hebben de volgende viscositeiten bij hun respectievelijke temperaturen:
190 cSt bij 20°C=45,4 cSt bij 50°C=11,3 cSt bij 100°C.
Vertaal waarden
Bepaling van de viscositeitscoëfficiënt vindt plaats in verschillende systemen (Amerikaans, Engels, GHS), en daarom is het vaak nodig om gegevens van het ene dimensionaal systeem naar het andere over te dragen. Gebruik de volgende empirische formule om vloeistofviscositeitswaarden uitgedrukt in graden Engler naar centistokes (mm2/s) om te zetten:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Bijvoorbeeld:
- 2°E=7,6 × 2 × (1-1/23)=15,2 × (0,875)=13,3 cSt;
- 9°O=7,6 × 9 × (1-1/93)=68,4 × (0,9986)=68,3 cSt.
Om snel de standaardviscositeit van hydraulische olie te bepalen, kan de formule als volgt worden vereenvoudigd:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Met een kinematische viscositeit ν in mm2/s of cSt, kunt u deze converteren naar een dynamische viscositeitscoëfficiënt Μ met behulp van de volgende relatie:
M=ν × ρ
Voorbeeld. Als we de verschillende omrekeningsformules voor graden Engler (°E), centistokes (cSt) en centipoise (cP) samenvatten, veronderstellen we dat een hydraulische olie met een dichtheid van ρ=910 kg/m3 een kinematische viscositeit van 12° E, die in eenheden van cSt is:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Omdat 1cSt=10-6m2/s en 1cP=10-3N×s/m2, dan is de dynamische viscositeit:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gasviscositeitsfactor
Het wordt bepaald door de samenstelling (chemisch, mechanisch) van het gas, het effect van temperatuur en druk, en wordt gebruikt in gasdynamische berekeningen met betrekking tot de beweging van gas. In de praktijk wordt bij het ontwerpen van gasveldontwikkelingen rekening gehouden met de viscositeit van gassen, waarbij de coëfficiëntveranderingen worden berekend afhankelijk van veranderingen in de gassamenstelling (vooral belangrijk voor gascondensaatvelden), temperatuur en druk.
Bereken de viscositeit van lucht. De processen zullen vergelijkbaar zijn met:de twee hierboven besproken stromen. Stel dat twee gasstromen U1 en U2 parallel bewegen, maar met verschillende snelheden. Tussen de lagen zal convectie (wederzijdse penetratie) van moleculen optreden. Als gevolg hiervan zal het momentum van de sneller bewegende luchtstroom afnemen en de aanvankelijk langzamer bewegende luchtstroom versnellen.
De viscositeitscoëfficiënt van lucht, volgens de wet van Newton, wordt uitgedrukt door de volgende formule:
F=-h × (dU/dZ) × S
Hier:
- dU/dZ is de snelheidsgradiënt;
- S – krachtinslaggebied;
- Coëfficiënt h - dynamische viscositeit.
Viscositeitsindex
Viscositeitsindex (VI) is een parameter die veranderingen in viscositeit en temperatuur correleert. Een correlatie is een statistische relatie, in dit geval twee grootheden, waarbij een verandering in temperatuur gepaard gaat met een systematische verandering in viscositeit. Hoe hoger de viscositeitsindex, hoe kleiner de verandering tussen de twee waarden, dat wil zeggen, de viscositeit van de werkvloeistof is stabieler bij temperatuurveranderingen.
Olieviscositeit
De basen van moderne oliën hebben een viscositeitsindex van minder dan 95-100 eenheden. Daarom kunnen in de hydraulische systemen van machines en apparatuur voldoende stabiele werkvloeistoffen worden gebruikt, die de brede verandering in viscositeit onder omstandigheden van kritische temperaturen beperken.
De "gunstige" viscositeitscoëfficiënt kan worden gehandhaafd door in de olie speciale additieven (polymeren) toe te voegen die tijdens de destillatie van olie worden verkregen. Ze verhogen de viscositeitsindex van oliën voor:rekening houdend met het beperken van de verandering van dit kenmerk in het toegestane interval. In de praktijk kan met de introductie van de vereiste hoeveelheid additieven de lage viscositeitsindex van de basisolie worden verhoogd tot 100-105 eenheden. Het op deze manier verkregen mengsel verslechtert echter zijn eigenschappen bij hoge druk en warmtebelasting, waardoor de effectiviteit van het additief wordt verminderd.
In de stroomcircuits van krachtige hydraulische systemen moeten werkvloeistoffen met een viscositeitsindex van 100 eenheden worden gebruikt. Werkvloeistoffen met additieven die de viscositeitsindex verhogen, worden gebruikt in hydraulische regelcircuits en andere systemen die werken in het lage / gemiddelde drukbereik, in een beperkt temperatuurbereik, met kleine lekken en in batchbedrijf. Bij toenemende druk neemt ook de viscositeit toe, maar dit proces vindt plaats bij drukken boven 30,0 MPa (300 bar). In de praktijk wordt deze factor vaak verwaarloosd.
Meting en indexering
In overeenstemming met internationale ISO-normen wordt de viscositeitscoëfficiënt van water (en andere vloeibare media) uitgedrukt in centistokes: cSt (mm2/s). Viscositeitsmetingen van procesoliën dienen te worden uitgevoerd bij temperaturen van 0°C, 40°C en 100°C. In de oliekwaliteitscode moet in ieder geval de viscositeit worden aangegeven met een cijfer bij een temperatuur van 40 ° C. In GOST wordt de viscositeitswaarde gegeven bij 50°C. De soorten die het meest worden gebruikt in de hydraulische techniek variëren van ISO VG 22 tot ISO VG 68.
Hydraulische oliën VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 bij 40°C hebben viscositeitswaarden die overeenkomen met hun markering: 22, 32, 46, 68 en 100 cSt. Optimaalde kinematische viscositeit van de werkvloeistof in hydraulische systemen varieert van 16 tot 36 cSt.
De American Society of Automotive Engineers (SAE) heeft viscositeitsbereiken bij specifieke temperaturen vastgesteld en de juiste codes toegewezen. Het getal na de W is de absolute dynamische viscositeit bij 0°F (-17,7°C) en de kinematische viscositeit ν werd bepaald bij 212°F (100°C). Deze indexering is van toepassing op all-season oliën die worden gebruikt in de auto-industrie (transmissie, motor, enz.).
Effect van viscositeit op hydrauliek
Bepaling van de viscositeitscoëfficiënt van een vloeistof is niet alleen van wetenschappelijk en educatief belang, maar heeft ook een belangrijke praktische waarde. In hydraulische systemen dragen werkvloeistoffen niet alleen energie over van de pomp naar hydraulische motoren, maar smeren ze ook alle onderdelen van de componenten en voeren ze de warmte af die wordt gegenereerd door de wrijvingsparen. De viscositeit van de werkvloeistof die niet geschikt is voor de bedrijfsmodus kan de efficiëntie van alle hydrauliek ernstig aantasten.
Hoge viscositeit van de werkvloeistof (olie met zeer hoge dichtheid) leidt tot de volgende negatieve verschijnselen:
- Verhoogde weerstand tegen hydraulische vloeistofstroom veroorzaakt een overmatige drukval in het hydraulische systeem.
- Vertraging van de regelsnelheid en mechanische bewegingen van actuatoren.
- Ontwikkeling van cavitatie in de pomp.
- Nul of te lage luchtafgifte uit hydraulische tankolie.
- Merkbaarvermogensverlies (afname in efficiëntie) van hydrauliek als gevolg van hoge energiekosten om de interne wrijving van de vloeistof te overwinnen.
- Verhoogd koppel van de aandrijfmotor van de machine veroorzaakt door verhoogde pompbelasting.
- Stijging van de temperatuur van de hydraulische vloeistof door verhoogde wrijving.
De fysieke betekenis van de viscositeitscoëfficiënt ligt dus in zijn invloed (positief of negatief) op de componenten en mechanismen van voertuigen, machines en apparatuur.
Verlies van hydraulisch vermogen
Lage viscositeit van de werkvloeistof (olie met lage dichtheid) leidt tot de volgende negatieve verschijnselen:
- Afname in volumetrische efficiëntie van pompen als gevolg van toenemende interne lekkage.
- Toename van interne lekken in de hydraulische componenten van het gehele hydraulische systeem - pompen, kleppen, hydraulische verdelers, hydraulische motoren.
- Verhoogde slijtage van pompunits en vastlopen van pompen als gevolg van onvoldoende viscositeit van de werkvloeistof die nodig is om smering van wrijvende delen te bieden.
Compressibiliteit
Elke vloeistof comprimeert onder druk. Met betrekking tot oliën en koelmiddelen die worden gebruikt in de werktuigbouwkundige hydrauliek, is empirisch vastgesteld dat het compressieproces omgekeerd evenredig is met de massa van de vloeistof per volume. De compressieverhouding is hoger voor minerale oliën, aanzienlijk lager voor water en veel lager voor synthetische vloeistoffen.
In eenvoudige hydraulische lagedruksystemen heeft de samendrukbaarheid van de vloeistof een verwaarloosbaar effect op de vermindering van het aanvankelijke volume. Maar in krachtige machines met een hoog hydraulischdruk en grote hydraulische cilinders, manifesteert dit proces zich merkbaar. Voor hydraulische minerale oliën bij een druk van 10,0 MPa (100 bar) neemt het volume met 0,7% af. Tegelijkertijd wordt de verandering in compressievolume enigszins beïnvloed door de kinematische viscositeit en het type olie.
Conclusie
Bepaling van de viscositeitscoëfficiënt stelt u in staat om de werking van apparatuur en mechanismen onder verschillende omstandigheden te voorspellen, rekening houdend met veranderingen in de samenstelling van een vloeistof of gas, druk, temperatuur. Ook is de controle van deze indicatoren relevant in de olie- en gassector, nutsbedrijven en andere industrieën.
