Coeficient de viscositat. El coeficient de viscositat dinàmica. El significat físic del coeficient de viscositat

El coeficient de viscositat és el paràmetre clau del fluid o gas de treball. En termes físics, la viscositat es pot definir com a fricció interna causada pel moviment de partícules que constitueixen la massa del mitjà líquid (gasós), o, més simplement, la resistència al moviment.

Què és la viscositat?

L'experiència empírica més senzilla de determinar la viscositat: una quantitat suau d'aigua s'aboca simultàniament sobre una superfície inclinada llisa amb la mateixa quantitat d'aigua i oli. L'aigua drena més ràpid que l'oli. És més fluid. L'oli en moviment evita un flux ràpid de major fricció entre les seves molècules (resistència interna - viscositat). Així, la viscositat d'un líquid és inversament proporcional a la seva fluïdesa.

Coeficient de viscositat: fórmula

D'una forma simplificada, el procés de moviment d'un líquid viscós en una canonada es pot considerar en forma de capes paral·leles planes A i B amb la mateixa superfície S, la distància entre les quals és h.

Aquestes dues capes (A i B) es mouen amb diferents velocitats (V i V + ΔV). La capa A amb la velocitat més alta (V + ΔV), implica que una capa B es mou a una velocitat inferior (V). Al mateix temps, la capa B tendeix a disminuir la velocitat de la capa A. El significat físic del coeficient de viscositat és que la fricció de les molècules que representen la resistència de les capes de flux forma una força que Isaac Newton descriu per la següent fórmula:

F = μ × S × (ΔV / h)

Aquí:

• ΔV és la diferència en les velocitats dels moviments de les capes de flux de fluids;
• H és la distància entre les capes del flux de fluids;
• S és la superfície de la capa de flux de líquid;
• Μ (mu) és un coeficient que depèn de la propietat del fluid, anomenada viscositat dinàmica absoluta.

En les unitats del sistema SI, la fórmula és la següent:

Μ = (F × h) / (S × ΔV) = [Pa × s] (Pascal × segon)

Aquí F és la gravetat (pes) d'un volum d'unitat del fluid de treball.

El valor de la viscositat

En la majoria dels casos, el coeficient de viscositat dinàmica es mesura en centipoises (cps) d'acord amb el sistema d'unitats CGS (centímetre, gram, segon). A la pràctica, la viscositat està relacionada per la proporció de la massa del líquid amb el seu volum, és a dir, la densitat del líquid:

Ρ = m / V

Aquí:

• Ρ és la densitat del líquid;
• M és la massa del líquid;
• V és el volum del líquid.

La relació entre la viscositat dinàmica (μ) i la densitat (ρ) s'anomena viscositat cinemàtica ν (ν - en grec):

Ν = μ / ρ = [m ² / 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 els stolks (St):

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

Determinació de la viscositat de l'aigua

El coeficient de viscositat de l'aigua es determina mesurant el temps de fluix del líquid a través d'un tub capil·lar calibrat. Aquest dispositiu es calibra utilitzant un fluid estàndard de viscositat coneguda. Per determinar la viscositat cinemàtica, mesurada en mm ² / s, el temps de fluid fluït, mesurat en segons, es multiplica per un valor constant.

Com a unitat de comparació, s'utilitza la viscositat de l'aigua destil·lada, el valor del qual és gairebé constant fins i tot amb un canvi de temperatura. El coeficient de viscositat és la proporció del temps en segons que un volum fix d'aigua destil·lada és necessari per sortir d'un forat calibrat, a un valor similar per al fluid de prova.

Viscometers

La viscositat es mesura en graus Engler (° E), segments universals de Saybolt ("SUS") o graus Redwood (° RJ), depenent del tipus de viscosímetre utilitzat. Els tres tipus de viscosíferos difereixen només en la quantitat de líquid que flueix.

El viscosímetre que mesura la viscositat a la unitat europea és el Grau Engler (° E), calculat per 200 cm ^{3 del} líquid efluent. El viscosímetre que mesura la viscositat en segons universals de Saybolt ("SUS o" SSU ") utilitzat als EUA conté 60 cm ^{3 del} fluid de prova. A Anglaterra, on s'utilitzen els graus Redwood (° RJ), el viscosímetre mesura la viscositat de 50 cc ^de líquid. Per exemple, si 200 cc ^d'un cert flux d'oli deu vegades més lent que un volum similar d'aigua, la viscositat d'Engler és 10 ° E.

Atès que la temperatura és un factor clau que canvia el coeficient de viscositat, els mesuraments solen dur a terme primer a una temperatura constant de 20 ° C i després a temperatures més altes. El resultat s'expressa així afegint una temperatura apropiada, per exemple: 10 ° E / 50 ° C o 2,8 ° E / 90 ° C. La viscositat del líquid a 20 ° C és superior a la seva viscositat a temperatures més altes. Els olis hidràulics tenen la següent viscositat a les temperatures adequades:

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

Traducció de significats

La determinació del coeficient de viscositat es produeix en diferents sistemes (americans, anglesos, GHS) i, per tant, sovint es requereix traduir dades d'un sistema tridimensional a un altre. Per traduir els valors de viscositat fluïda expressats en graus d'Engler a centistokes (mm ² / s), utilitzeu la següent fórmula empírica:

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 manera següent:

Ν (cSt) = 7.6 × ° E (mm ² / s)

Tenint una viscositat cinemàtica ν en mm ² / s o cSt, es pot convertir en un coeficient de viscositat dinàmica μ utilitzant la següent relació:

Μ = ν × ρ

Un exemple. En resumint les diferents fórmules per a la traducció de graus Engler (° E), centistokes (cSt) i centipoise (cp), suposem que un oli hidràulic amb una densitat ρ = 910 kg / m3 té una viscositat cinemàtica de 12 ° E, que a les unitats cSt és:

Ν = 7,6 × 12 × (1-1 / 123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 mm ² / s.

Des de 1сСт = 10 ^-6 m ² / s i 1сП = 10 ^-3 N s / m ² , la viscositat dinàmica serà igual a:

Μ = ν × ρ = 90.3 × 10 ^-6 · 910 = 0.082 N × s / m ² = 82 cp.

Coeficient de viscositat de gas

Està determinada per la composició (química, mecànica) del gas, que afecta la temperatura, la pressió, i s'utilitza en càlculs gas-dinàmics relacionats amb el moviment del gas. A la pràctica, es té en compte la viscositat dels gasos a l'hora de dissenyar el desenvolupament dels camps de gasos, on el càlcul dels canvis del coeficient es realitza segons els canvis en la composició del gas (especialment rellevants per a camps de condensació de gasos), la temperatura i la pressió.

Calculeu el coeficient de viscositat de l'aire. Els processos seran similars als dos corrents d'aigua comentats anteriorment. Suposem que dos fluxos de gas U1 i U2 es mouen en paral·lel, però a diferents velocitats. Entre les capes hi haurà convecció (penetració mútua) de molècules. Com a resultat, l'impuls del flux d'aire en moviment disminuirà més ràpidament i, en un primer moment, el moviment més lent s'accelera.

El coeficient de viscositat de l'aire, segons la llei de Newton, s'expressa mitjançant la següent fórmula:

F = -h × (dU / dZ) × S

Aquí:

• DU / dZ és el gradient de velocitat;
• S és l'àrea d'impacte de la força;
• El coeficient h és la viscositat dinàmica.

Índex de viscositat

L'índex de viscositat (IV) és un paràmetre que correlaciona el canvi de viscositat i temperatura. La dependència de correlació és una relació estadística, en aquest cas de dues quantitats, en què el canvi de temperatura acompanya a un canvi sistemàtic de la viscositat. Com més gran 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 quan canvia la temperatura.

Viscositat d'olis

A la base dels olis moderns, l'índex de viscositat és 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 la gran variació de la viscositat a temperatures crítiques.

El coeficient de viscositat "favorable" es pot mantenir afegint additius especials (polímers) a l'oli obtingut en la destil·lació d'oli. Incrementen l'índex de viscositat dels olis limitant la variació d'aquesta característica dins del rang permès. A la pràctica, quan s'introdueix la quantitat requerida d'additius, es pot augmentar un índex de viscositat baixa de l'oli base fins a 100-105 unitats. Al mateix temps, la barreja així obtinguda deteriora les seves propietats sota alta pressió i càrrega tèrmica, reduint així l'efectivitat de l'additiu.

En els circuits de potència de poderosos sistemes hidràulics, s'han d'utilitzar fluids de treball amb un índex de viscositat de 100 unitats. Els fluids de treball amb milloradors d'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 limitat de canvis de temperatura, amb petites fugues i en mode batch. Amb una pressió creixent, la viscositat també augmenta, però aquest procés es produeix a pressions per sobre de 30.0 MPa (300 bar). A la pràctica, aquest factor és sovint oblidat.

Mesura i indexació

D'acord amb les normes internacionals internacionals, el coeficient de viscositat de l'aigua (i altres mitjans líquids) s'expressa en centistokes: cSt (mm ² / 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'hauria d'indicar amb la figura a una temperatura de 40 ºC. A GOST, el valor de viscositat es dóna a 50 º C. Les marques més utilitzades en enginyeria hidràulica van des de ISO VG 22 fins ISO VG 68.

Els olis hidràulics VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 a 40 ° C tenen valors de viscositat corresponents a la seva marca: 22, 32, 46, 68 i 100 cSt. La viscositat cinemàtica òptima del fluid hidràulic en sistemes hidràulics es troba entre 16 i 36 cSt.

La Societat Americana d'Enginyers Automotors (SAE) va establir gammes de canvi de viscositat a temperatures específiques i els va assignar codis apropiats. La figura següent a la lletra W és el coeficient de 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 es refereix als olis de tota temporada utilitzats en la indústria de l'automoció (transmissió, motor, etc.).

Efecte de la viscositat sobre el funcionament de la hidràulica

La determinació del coeficient de viscositat d'un líquid no només és d'interès científic i cognitiu, sinó que també té un significat pràctic important. En els sistemes hidràulics, els fluids de treball no només transfereixen energia des de la bomba fins als motors hidràulics, sinó que també lubricen tots els components dels components i desvien la calor dels parells de fricció. La viscositat del fluid de treball que no correspon al mode de funcionament pot afectar greument l'eficiència de tota la hidràulica.

L'alta viscositat del fluid de treball (oli d'alta densitat) condueix als següents fenòmens negatius:

• L'augment de la resistència al flux del fluid hidràulic provoca una caiguda excessiva de la pressió en el sistema hidràulic.
• Deceleració de la velocitat de control i els moviments mecànics dels actuadors.
• Desenvolupament de la cavitació a la bomba.
• Emissió zero o massa baixa de l'aire de l'oli del dipòsit.
• Pèrdua de potència notable (reduïda eficiència) d'hidràulica a causa d'alts costos d'energia per superar la fricció interna del fluid.
• L'augment del parell del motor primari de la màquina, provocat per la càrrega creixent de la bomba.
• L'augment de la temperatura del fluid hidràulic provocat per una major fricció.

Per tant, el significat físic del coeficient de viscositat rau en la seva influència (positiva o negativa) en els nodes i mecanismes de vehicles, màquines i equips.

Pèrdua de potència hidràulica

La baixa viscositat del fluid de treball (oli de baixa densitat) condueix als següents fenòmens negatius:

• La caiguda de l'eficiència volumètrica de les bombes com a conseqüència de l'augment de les fuites internes.
• Augment de les fuites internes en components hidràulics de tot el sistema hidràulic - bombes, vàlvules, distribuïdors hidràulics, motors hidràulics.
• Increment del desgast dels conjunts oscilantes i el bloqueig de bombes a causa de la viscositat insuficient del fluid de treball necessari per proporcionar lubricació de les peces de fricció.

Compressibilitat

Qualsevol líquid sota pressió està comprimit. Pel que fa als olis i els refrigerants utilitzats en la construcció de màquines hidràuliques, s'estableix empíricament que el procés de compressió és inversament proporcional a la massa del líquid pel seu volum. La quantitat de compressió és més alta per als olis minerals, molt més baixos per a l'aigua i molt més baixos per als fluids sintètics.

En sistemes hidràulics de baixa pressió simples, la compressibilitat del líquid afecta negligiblement la disminució del volum inicial. Però en potents màquines amb accionament hidràulic d'alta pressió i grans cilindres hidràulics, aquest procés es manifesta de manera notable. En els olis minerals hidràulics a una pressió de 10,0 MPa (100 bar) el volum disminueix un 0,7%. Al mateix temps, la viscositat cinemàtica i el tipus de petroli influeixen en un canvi en el volum de compressió en una mesura reduïda.

Conclusió

La determinació del coeficient de viscositat permet predir el funcionament dels equips i mecanismes en diferents condicions, tenint en compte els canvis en la composició del líquid o el gas, la pressió i la temperatura. A més, el seguiment d'aquests indicadors és rellevant en el sector del petroli i del gas, els serveis municipals, altres indústries.