Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний сенс 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 часток, що складають масу рідкої (газоподібної) середовища, або, більш просто, опором руху.

Що таке в`язкість

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

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.

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

F = micro- – S – (Delta-V / h)

Тут:

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

В одиницях виміру системи СІ формула виглядає наступним чином:

micro- = (F – h) / (S – Delta-V) = [Па – с] (Паскаль – секунда)

Тут F – сила тяжіння (вага) одиниці обсягу робочої рідини.

Величина в`язкості

У більшості випадків коефіцієнт динамічної в`язкості вимірюється в сантіпуаз (сП) відповідно до системи одиниць СГС (сантиметр, грам, секунда). На практиці в`язкість пов`язана співвідношенням маси рідини до її обсягу, тобто з щільністю рідини:

rho- = m / V

Тут:

• rho- – щільність рідини;
• m – маса рідини;
• V – об`єм рідини.

Відношення між динамічною в`язкістю (mu-) і щільністю (rho-) називається кінематичною в`язкістю nu- (nu- – по-грецьки – ню):

nu- = mu- / rho- = [м²/ с]

До речі, методи визначення коефіцієнта в`язкості різні. Наприклад, кінематична в`язкість раніше вимірюється відповідно до системи СГС в сантистоксах (сСт) і в дольних величинах – Стокс (Ст):

• 1ст = 10^-4 м²/ с = 1 см²/ с;
• 1сСт = 10^-6 м²/ с = 1 мм²/ с.

Визначення в`язкості води

Коефіцієнт в`язкості води визначається виміром часу течії рідини через калібровану капілярну трубку. Це пристрій калибруется за допомогою стандартної рідини відомої в`язкості. Для визначення кінематичної в`язкості, вимірюваної в мм²/ с, час течії рідини, що вимірюється 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 фіксованому обсягом дистильованої води для закінчення з каліброваного отвору, до аналогічного значенням для випробовуваної рідини.

Віскозиметри

В`язкість вимірюється в градусах Енглер (° Е), універсальних секундах Сейболта ("SUS) або градусах Редвуд (° RJ) залежно від типу застосовуваного віскозиметра. Три типи віскозиметрів відрізняються тільки кількістю витікаючої рідкого середовища.

Вискозиметр, що вимірює в`язкість в європейській одиниці градус Енглера (° Е), розрахований на 200 см<sup>3</sup> витікаючий рідкого середовища. Вискозиметр, що вимірює в`язкість в універсальних секундах Сейболта ("SUS або" SSU), використовуваний в США, містить 60 см³ випробовуваної рідини. В Англії, де використовуються градуси Редвуд (° RJ), віскозиметр проводить вимірювання в`язкості 50 см<sup>3</sup> рідини. Наприклад, якщо 200 см<sup>3</sup> певного масла тече в десять разів повільніше, ніж аналогічний обсяг води, то в`язкість за Енглером становить 10 ° Е.

Оскільки температура є ключовим чинником, що змінює коефіцієнт в`язкості, то вимірювання зазвичай проводяться 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 ° С або 2,8 ° 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 = 45,4 сСт при 50 ° С = 11,3 сСт при 100 ° С.

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 сантістокс (мм²/ с) використовують наступну емпіричну формулу:

nu- (сСт) = 7,6 – ° Е – (1-1 / ° Е3)

Наприклад:

• 2 ° Е = 7,6 – 2 – (1-1 / 23) = 15,2 – (0,875) = 13,3 сСт;
• 9 ° Е = 7,6 – 9 – (1-1 / 93) = 68,4 – (0,9986) = 68,3 сСт.

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

nu- (сСт) = 7,6 – ° Е (мм²/ с)

Маючи кінематичну в`язкість nu- в мм<sup>2</sup>/ с або сСт, можна перевести її в коефіцієнт динамічної в`язкості mu-, використовуючи таку залежність:

mu- = nu- – ρ

Приклад. Підсумовуючи різні формули перекладу градусів Енглера (° Е), сантістокс (сСт) і сантіпуаз (сП), припустимо, що гідравлічне масло з щільністю rho- = 910 кг / м³ має кінематичну в`язкість 12 ° Е, що в одиницях сСт становить:

nu- = 7,6 – 12 – (1-1 / 123) = 91,2 – (0,99) = 90,3 мм²/ с.

Оскільки 1сСт = 10^-6м²/ с і 1сП = 10^-3 Н-с / м², то динамічна в`язкість буде дорівнює:

mu- = nu- – rho- = 90,3 – 10^-6 middot- 910 = 0,082 Н-с / м² = 82 сП.

Коефіцієнт в`язкості газу

Він визначається складом (хімічним, механічним) газу, що впливає температурою, тиском і застосовується в газодинамічних розрахунках, пов`язаних з рухом газу. На практиці в`язкість газів враховується при проектуванні розробок газових родовищ, де ведеться розрахунок змін коефіцієнта залежно 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 газові потоку U1 і U2, але з різною швидкістю. Між шарами відбуватиметься конвекція (взаємне проникнення) молекул. У підсумку імпульс рухається швидше потоку повітря буде зменшуватися, а спочатку рухається повільніше – прискорюватися.

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

F = -h – (dU / dZ) – 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 і температури. Кореляційна залежність є статистичною взаємозв`язком, в даному випадку двох величин, при яких зміна температури супроводжує систематичного зміни в`язкості. Чим вище індекс в`язкості, тим менше зміни між двома величинами, тобто в`язкість робочої рідини більш стабільна при зміні температури.

В`язкість масел

У основ сучасних масел індекс в`язкості нижче 95-100 одиниць. Тому в гідросистемах машин і устаткування 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 масел 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. Із зростанням тиску зростає і в`язкість, але цей процес виникає при тисках понад 30,0 МПа (300 бар). На практиці цим фактором часто нехтують.

Вимірювання та індексація

У відповідності з міжнародними стандартами ISO, коефіцієнт в`язкості води (і інших рідких середовищ) виражається в сантистоксах: сСт (мм<sup>2</sup>/ с). Вимірювання в`язкості технологічних масел повинні проводитися при температурах 0 ° С, 40 ° С і 100 ° С. У кожному разі в коді марки масла в`язкість повинна вказуватися цифрою при температурі 40 ° С. У ГОСТ 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 68, VG 100 при температурі 40 ° С мають значення в`язкості, що відповідають їх маркуванні: 22, 32, 46, 68 і 100 сСт. Оптимальна кінематична в`язкість робочої рідини в гідросистемах лежить в діапазоні від 16 до 36 сСт.

Американське Суспільство автомобільних інженерів (Society of Automotive Engineers – SAE) встановило діапазони зміни в`язкості при конкретних температурах і привласнило їм відповідні коди. Цифра, наступна за буквою W, – абсолютний динамічний коефіцієнт в`язкості mu- при 0 ° F (-17,7 ° С), а кінематична в`язкість nu- визначалася при 212 ° F (100 ° С). Ця індексація стосується всесезонних масел, що застосовуються в автомобільній промисловості (трансмісійні, моторні і т. Д.).

Вплив в`язкості на роботу гідравліки

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

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

• Підвищений опір течією гідравлічної рідини викликає зайве падіння тиску в гідросистемі.
• Уповільнення швидкості управління і механічних рухів виконавчих механізмів.
• Розвиток кавітації в насосі.
• Нульове або занадто низьке виділення повітря з масла в гідробаку.
• Помітна втрата потужності (зниження ККД) гідравліки через високі витрат енергії на подолання внутрішнього тертя рідини.
• Підвищений крутний момент первинного двигуна машини, що викликається зростаючим навантаженням на насосі.
• Зростання температури гідравлічної рідини, породжуваний підвищеним тертям.

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

Втрата потужності гідросистем

Низька в`язкість робочої рідини (масло невисокої щільності) призводить до наступних негативних явищ:

• Падіння об`ємного ККД насосів в результаті зростаючих внутрішніх витоків.
• Зростання внутрішніх витоків в гідрокомпонентах всій гідросистеми – насосах, клапанах, гідророзподільниках, гідромоторах.
• Підвищений знос качають вузлів і заклинювання насосів з причини недостатньої в`язкості робочої рідини, необхідної для забезпечення змащення тертьових деталей.

Стисливість

Будь-яка рідина під дією тиску стискається. Відносно масел і МОР, що використовуються в машинобудівній гідравліці, емпірично встановлено, що процес стиснення обернено пропорційна величині маси рідини на її обсяг. Величина стиснення вища 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. В гідравлічних мінеральних масел при тиску в 10,0 МПа (100 бар) обсяг зменшується на 0,7%. При цьому на зміну обсягу стиснення в невеликому ступені впливають кінематична в`язкість і тип масла.

Висновок

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