http://poradumo.pp.ua

Online Журнал-Світ порад.
Головна сторінка
» » Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Коефіцієнт в'язкості – це ключовий параметр робочої рідини або газу. У фізичних термінах в'язкість може бути визначена як внутрішнє тертя, що викликається рухом частинок, що складають масу рідким (газоподібним) середовища, або, просто, опором руху.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Що таке в'язкість

Найпростіший емпіричний досвід визначення в'язкості: на гладку похилу поверхню одночасно виливають однакову кількість води і масла. Вода стікає швидше олії. Вона текуча. Рухається маслу заважає швидко стікати більш високе тертя між його молекулами (внутрішній опір – в'язкість). Таким чином, в'язкість рідини обернено пропорційна її текучості.




Коефіцієнт в'язкості: формула

У спрощеному вигляді процес руху в'язкої рідини в трубопроводі можна розглянути у вигляді плоских паралельних шарів А і В з однаковою площею поверхні S, відстань між якими становить величину h.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Ці два шару (А і В) переміщуються з різними швидкостями (V і V+V). Шар А, що має найбільшу швидкість (V+V), втягує в рух шар B, що рухається з меншою швидкістю (V). У той же час шар B прагне сповільнити швидкість шару А. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості полягає в тому, що тертя молекул, які представляють собою опір шарів потоку, утворює силу, яку Ісаак Ньютон описав наступною формулою:

F = µ x S x (V/h)

Тут:

  • V – різниця швидкостей рухів шарів потоку рідини;
  • h – відстань між шарами потоку рідини;
  • S – площа поверхні шару потоку рідини;
  • (мю) – коефіцієнт, що залежить від властивостей рідини, називається абсолютною динамічною в'язкістю.

В одиницях виміру системи СІ формула виглядає наступним чином:




µ = (F x h) /(S x V) =[Па Ч с](Паскаль x секунда)

Тут F – сила тяжіння (вага) одиниці об'єму робочої рідини.

Величина в'язкості

У більшості випадків коефіцієнт динамічної в'язкості вимірюється в сантипуазах (сП) у відповідності з системою одиниць СГС (сантиметр, грам, секунда). На практиці в'язкість пов'язана співвідношенням маси рідини до її об'єму, тобто з густиною рідини:

= m /V

Тут:

  • – щільність рідини;
  • m – маса рідини;
  • V – об'єм рідини.

Відношення між динамічної в'язкістю () і щільністю () називається кінематичною в'язкістю ( – по-грецьки – ню):

= /=[м2/с]

До речі, методи визначення коефіцієнта в'язкості різні. Наприклад, кінематична в'язкість, як і раніше, вимірюється у відповідності з системою СГС у сантистоксу (сСт) і дольних величинах – стоксах (Ст):

  • 1Ст = 10 -4 м 2 /з = 1 см 2 /з;
  • 1сСт = 10 -6 м 2 /з = 1 мм 2 /с.

Визначення в'язкості води

Коефіцієнт в'язкості води визначається виміром часу течії рідини через каліброване капілярну трубку. Це пристрій калібрується за допомогою стандартної рідини відомої в'язкості. Для визначення кінематичної в'язкості, що вимірюється в мм 2 /з, час течії рідини, вимірюване в секундах, множиться на постійну величину.


В якості одиниці порівняння використовується в'язкість дистильованої води, величина якої майже постійна навіть при зміні температури. Коефіцієнт в'язкості – це відношення часу в секундах, яке необхідно фіксованим обсягом дистильованої води для закінчення з каліброваного отвору, до аналогічного значення для випробуваної рідини.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Віскозиметри

В'язкість вимірюється в градусах Енглера (°Е), універсальних секундах Сейболта ("SUS) або градусах Редвуда (°RJ) в залежності від типу застосовуваного віскозиметра. Три типи віскозиметрів відрізняються тільки кількістю випливає рідкої середовища.

Віскозиметр, що вимірює в'язкість в європейській одиниці градус Енглера (°Е), розрахований на 200 см 3 витік рідкого середовища. Віскозиметр, що вимірює в'язкість в універсальних секундах Сейболта ("SUS або "SSU), що використовується в США, містить 60 см 3 випробуваної рідини. В Англії, де використовуються градуси Редвуда (°RJ), віскозиметр проводить вимірювання в'язкості 50 см 3 рідини. Наприклад, якщо 200 см 3 певного масла тече в десять разів повільніше, ніж аналогічний обсяг води, то в'язкість по Энглеру становить 10°Е.

Оскільки температура є ключовим чинником, що змінює коефіцієнт в'язкості, то вимірювання зазвичай проводиться спочатку при постійній температурі 20°С, а потім при більш високих її значеннях. Результат, таким чином, виражається шляхом додавання відповідної температури, наприклад: 10°Е/50°З або 28°Е/90°С. В'язкість рідини при 20°С вище, ніж її в'язкість при більш високих температурах. Гідравлічні масла мають наступну в'язкість при відповідних температурах:

190 сСт при 20°С = 454 сСт при 50°С = 113 сСт при 100°С.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Переклад значень

Визначення коефіцієнта в'язкості відбувається в різних системах (американської, англійської, СГС), і тому часто потрібно перевести дані з однієї мірної системи в іншу. Для перекладу значень в'язкості рідини, виражених у градусах Енглера, в сантистоксы (мм 2 /з) використовують наступну емпіричну формулу:


(сСт) = 76 x °Е x (1-1/°Е3)

Наприклад:

  • 2°Е = 76 x 2 x (1-1/23) =152 x (0875) = 133 сСт;
  • 9°Е = 76 x 9 x (1-1/93) =684 x (09986) = 683 сСт.

З метою швидкого визначення стандартної в'язкості, гідравлічного масла формула може бути спрощена наступним чином:

(сСт) = 76 x °Е(мм 2 /з)

Маючи кінематичну в'язкість в мм 2 /з або сСт, можна перевести її в коефіцієнт динамічної в'язкості , використовуючи наступну залежність:

= x

Приклад. Підсумовуючи різні формули перекладу градусів Енглера (°Е), сантистоксов (сСт) і сантіпуазов (сП), припустимо, що гідравлічне масло з густиною =910 кг/м 3 має кінематичну в'язкість 12°Е, що в одиницях сСт становить:

= 76 x 12 x (1-1/123) = 912 x (099) = 903 мм 2 /с.

Оскільки 1сСт = 10 -6 м 2 /з і 1сП = 10 -3 Нxс/м 2 , то динамічна в'язкість буде дорівнює:

= x = 903 x 10 -6 · 910 = 0082 Нxс/м 2 = 82 сП.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Коефіцієнт в'язкості газу

Він визначається складом (хімічних, механічних) газу, що впливає температурою, тиском і застосовується у газодинамічних розрахунках, пов'язаних з рухом газу. На практиці в'язкість газів враховується при проектуванні розробок газових родовищ, де ведеться розрахунок змін коефіцієнта в залежності від змін газового складу (особливо актуально для газоконденсатних родовищ), температури і тиску.

Розрахуємо коефіцієнт в'язкості повітря. Процеси будуть аналогічними з розглянутими вище двома потоками води. Припустимо, паралельно рухаються два газових потоку U1 і U2 але з різною швидкістю. Між шарами відбуватиметься конвекція (взаємне проникнення) молекул. У результаті імпульс рухається швидше потоку повітря буде зменшуватися, а спочатку рухається повільніше – прискорюватися.

Коефіцієнт в'язкості повітря, згідно з законом Ньютона, виражається наступною формулою:

F =-h x (dU/dZ) x S

Тут:

  • dU/dZ є градієнтом швидкості;
  • S – площа впливу сили;
  • Коефіцієнт h – динамічна в'язкість.

Індекс в'язкості

Індекс в'язкості (ІВ) – це параметр, що корелює зміна в'язкості та температури. Кореляційна залежність є статистичною взаємозв'язком, в даному випадку двох величин, при якій зміна температури сприяє систематичному зміни в'язкості. Чим вище індекс в'язкості, тим менше зміни між двома величинами, тобто в'язкість робочої рідини більш стабільна при зміні температури.

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

В'язкість масел

У основ сучасних масел індекс в'язкості нижче 95-100 одиниць. Тому в гідросистемах машин і обладнання можуть використовуватися досить стабільні робочі рідини, які обмежують широке зміна в'язкості в умовах критичних температур.

«Сприятливий» коефіцієнт в'язкості можна підтримувати введенням в масло спеціальних присадок (полімерів), одержуваних при перегонці нафти. Вони підвищують індекс в'язкості за рахунок обмеження зміни цієї характеристики в допустимому інтервалі. На практиці при введенні необхідної кількості присадок низький індекс в'язкості базового масла може бути підвищений до 100-105 одиниць. Разом з тим одержувана таким чином суміш погіршує свої властивості при високому тиску і теплової навантаженні, знижуючи тим самим ефективність присадки.

У силових контурах потужних гідросистем повинні застосовуватися робочі рідини з індексом в'язкості 100 одиниць. Робочі рідини з присадками, що підвищують індекс в'язкості, застосовуються в контурах гідрокерування та інших системах, що працюють в діапазоні низьких/середніх тисків, в обмеженому інтервалі зміни температур, з невеликими витоками і в періодичному режимі. Зі зростанням тиску збільшується і в'язкість, але цей процес виникає при тисках понад 300 МПа (300 бар). На практиці часто нехтують цим фактором.

Вимірювання та індексація

У відповідності з міжнародними стандартами ISO, коефіцієнт в'язкості води (та інших рідких середовищ) виражається в сантистоксу: сСт (мм 2 /з). Вимірювання в'язкості технологічних мастил повинні проводитися при температурі 0°С, 40°С і 100°С. В будь-якому випадку в коді марки в'язкість масла повинна вказуватися цифрою при температурі 40°С. В Гості значення в'язкості дається при 50°С. Марки, найбільш часто вживані в машинобудівній гідравліці, варіюються від ISO VG 22 до ISO VG 68.

Гідравлічні масла VG 22 VG 32 VG 46 VG 68100 VG при температурі 40°С мають значення в'язкості, відповідні їх маркування: 223246 68100 сСт. Оптимальна кінематична в'язкість робочої рідини в гідросистемах лежить в діапазоні від 16 до 36 сСт.

Американське Товариство автомобільних інженерів (Society of Automotive Engineers – SAE) виявлено діапазони зміни в'язкості при конкретних температурах і надало їм відповідні коди. Цифра перед буквою W, – абсолютний динамічний коефіцієнт в'язкості при 0°F (-177°С), а кінематична в'язкість визначалася при 212°F (100°С). Ця індексація стосується всесезонних масел, що застосовуються в автомобільній промисловості (трансмісійні, моторні і т. д.).

Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний зміст коефіцієнта в'язкості

Вплив в'язкості на роботу гідравліки

Визначення коефіцієнта в'язкості рідини становить не тільки науково-пізнавальний інтерес, але й несе в собі важливе практичне значення. В гідросистемах робочі рідини не тільки передають енергію від насоса до гідродвигунів, але також змащують всі деталі компонентів і відводять тепло, що виділяється від пар тертя. Не відповідна режиму роботи в'язкість робочої рідини може серйозно порушувати ефективність всієї гідравліки.

Висока в'язкість робочої рідини (масло дуже високої щільності) призводить до таких негативних явищ:

  • Підвищений опір течією гідравлічної рідини викликає надмірне падіння тиску в гідросистемі.
  • Уповільнення швидкості управління і механічних рухів виконавчих механізмів.
  • Розвиток кавітації в насосі.
  • Нульове або занадто низьке виділення повітря з олії в гидробаке.
  • Помітна втрата потужності (зниження ККД) гідравліки з-за високих витрат енергії на подолання внутрішнього тертя рідини.
  • Підвищений крутний момент первинного двигуна машини, викликається зростанням навантаження на насосі.
  • Зростання температури гідравлічної рідини, викликаний підвищеним тертям.

Таким чином, фізичний зміст коефіцієнта в'язкості полягає в його впливі (позитивному чи негативному) на вузли та механізми транспортних засобів, верстатів і устаткування.

Втрата потужності гідросистем

Низька в'язкість робочої рідини (масло невисокої щільності) призводить до таких негативних явищ:

  • Падіння об'ємного ККД насосів у результаті зростаючих внутрішніх витоків.
  • Зростання внутрішніх витоків у гидрокомпонентах всієї гідросистеми – насосах, клапанах, гидрораспределителях, гідромотори.
  • Підвищений знос качають вузлів і заклинювання насосів по причині недостатньої в'язкості робочої рідини, необхідної для забезпечення змащення тертьових деталей.

Стисливість

Будь-яка рідина під дією тиску стискається. Щодо масел і МОР, використовуваних в машинобудівній гідравліці, емпірично встановлено, що процес стиснення обернено пропорційний величині маси рідини на її обсяг. Величина стиснення вище для мінеральних масел, значно нижче для води і набагато нижче для синтетичних рідин.

У простих гідросистемах низького тиску стисливість рідини мізерно мало впливає на зменшення початкового об'єму. Але в потужних машинах з гідроприводом високого тиску і великими гідроциліндрами цей процес проявляє себе помітно. У гідравлічних олив при тиску до 100 МПа (100 бар) об'єм зменшується на 07%. При цьому на зміну обсягу стиснення в невеликій мірі впливають кінематична в'язкість і тип масла.

Висновок

Визначення коефіцієнта в'язкості дозволяє прогнозувати роботу обладнання і механізмів при різних умовах з урахуванням зміни складу рідини або газу, тиску, температури. Також контроль цих показників актуальне в нафтогазовій сфері, комунальному господарстві, інших галузях промисловості.

of your page -->

Популярні поради

загрузка...