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

Коефициентът на вискозитет е основният параметър на работната течност или на газа. Физически, вискозитетът може да се дефинира като вътрешно триене, причинено от движението на частиците, които съставляват 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 изсипва 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 течливост.

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 + Delta-V). Слоят А, който има най-високата скорост (V + Delta-V), включва слой В, движещ се с по-бавна скорост (V). В същото време слой В има тенденция да забавя скоростта на слой А. Физическото значение на коефициента на вискозитет е, че триенето на молекулите, които представляват съпротивлението на слоевете на потока, формира сила, която Исак Нютон описани със следната формула:

F = микро- × S × (Delta-V / h)

тук:

• Делта-V 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;
• mu- (mu) е коефициент, който зависи от свойствата на течността, се нарича абсолютен динамичен вискозитет.

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

микро- = (Fxh) / (Sx Делта-V) = [Pa × s] (Pascal × секунда)

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

Стойността на вискозитета

В повечето случаи коефициентът динамичен вискозитет се измерва в centipoise (cps) в съответствие със системата CGS единици (сантиметър, грам, секунда). На практика вискозитетът е свързан със съотношението на масата на течността към нейния обем, т.е. с плътността на течността:

rho = m / V

тук:

• rho- е плътността на течността;
• m е масата на течността;
• V е обемът на течността.

Съотношението между динамичния вискозитет (mu-) и плътността (rho-) се нарича кинематичен вискозитет nu- (nu- - на гръцки език):

nu- = mu / rho- = [m²/ s]

Между другото, методите за определяне на коефициента на вискозитет са различни. Например, кинематичен вискозитет се измерва в съответствие с GHS системата в centistokes (cSt) и в stolks (St):

• 1Cm = 10^-4 m²/ s = 1 cm²/ s;
• 1 сСт = 10^-6 m²/ s = 1 мм²/ 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 определяне на кинематичния вискозитет, измерен в mm²/ s, времето на потока на флуида, 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 фиксирано количество дестилирана вода да изтече от калибрирания отвор, до подобна стойност за тестваната течност.

вискозиметри

Вискозитет се измерва в градуси Engler (° E) Saybolt Universal секунди ( "SUS) или Redwood градуси (° RJ) в зависимост от вида на реометър. Три вида вискозиметри се различават само в размер на течаща течна среда.

Вискозитетът, измерващ вискозитета в европейската единица, е степента Engler (° E), изчислена на 200 cm³ течаща течна среда. Вискозитетът, измерващ вискозитета в Universal Saybolt секунди ("SUS" или "SSU"), използван в САЩ, съдържа 60 cm³ тестова течност. В Англия, където се използват степени Redwood (° RJ), вискозитетът измерва вискозитети от 50 cm³ течност. Например, ако е 200 см³ на известно масло тече десет пъти по-бавно от подобен обем вода, след това вискозитетът на Engler е 10 ° E.

Тъй като температурата е ключов фактор, който променя коефициента на вискозитет, измерванията обикновено се извършват първо 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 ° C = 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 е необходимо да се превеждат данни от една система с размери до друга. За превръщане на стойностите на вискозитета на течността, изразени в градуси Engler, до centistokes (mm²/ в) използвайте следната емпирична формула:

nu- (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:

nu- (cSt) = 7,6 ° С (mm²/ в)

Има кинематичен вискозитет не в mm²/ с или сСт, възможно е да го преведем в коефициента на динамичен вискозитет mu-, използвайки следната връзка:

mu- = nu- × ρ

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

nu = 7.6 × 12 х (1-1 / 123) = 91.2 х (0.99) = 90.3 mm²/ s.

Тъй като lcCm = 10^-6m²/ с и lc = 10^-3 H × s / m², тогава динамичният вискозитет ще бъде:

mu- = nu- rho = 90.3 х 10^-6 middot-910 = 0,082 N × s / m² = 82 cP.

Коефициент на вискозитет на газа

Тя се определя от състава (химически, механичен) на газа, влияещата температура, налягането и се използва при газо-динамични изчисления, свързани с движението на газа. На практика вискозитетът на газовете се взема предвид при проектирането на развитието на газови полета, където изчисляването на коефициента се променя в зависимост от промените в газова композиция (особено за полетата на кондензат на газ), температура и налягане.

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 движи по-бавно, ще се ускори.

Коефициентът на вискозитет на въздуха, според Законът 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 температурната промяна съпровожда системна промяна на вискозитета. Колкото по-висок е 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 под 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 бъде поддържан чрез въвеждане на специални добавки (полимери) дестилация на масло. Те увеличават 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 вериги трябва да се използват мощни хидравлични течности с индекс на вискозитет от 100 единици. Течности, съдържащи добавки, които увеличават индекса на вискозитета, се използват в хидравлични схеми за контрол и други системи, работещи в областта на ниско / средно налягане, в ограничен температурен диапазон промени с малки течове и на порции. С увеличаване на налягането и увеличаването на вискозитета, но процесът се извършва при налягане 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 (mm²/ 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 за степен на маслото вискозитетът трябва да бъде посочен от фигурата при температура от 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 диапазона 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 вискозитет (-17.7 ° С) и кинематичния вискозитет nu- се определя при 212 ° F (100 ° С). 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 отделената топлина от фрикционните двойки. 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 от хидравличен флуид води до прекомерно падане на налягането в хидравличната система.
• Намаляване на скоростта на управление и механичните движения на изпълнителните механизми.
• Развитието на кавитацията 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.
• Увеличаването 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 нарастващите вътрешни течове.
• Увеличаване на вътрешните течове в хидравличните компоненти на цялата хидравлична система - помпи, клапани, хидравлични разпределители, хидравлични двигатели.
• Повишено износване на люлеещи се монтажни възли и заклинване на помпите поради недостатъчен вискозитет на работната течност, необходим за осигуряване на смазване на фрикционните 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 флуида оказва незначително влияние върху намаляването на първоначалния обем. Но при мощни машини с хидравлично задвижване при високо налягане и големи хидравлични цилиндри този процес се проявява забележимо. В хидравличен минерални масла при налягане 10,0 МРа (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 дава възможност 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, контролът върху тези показатели е от значение за нефтения и газовия сектор, общинската икономика и други индустрии.