ضریب ویسکوزیته یک پارامتر کلیدی یک سیال یا گاز در حال کار است. در اصطلاح فیزیکی، ویسکوزیته را می توان به عنوان اصطکاک داخلی ناشی از حرکت ذرات تشکیل دهنده جرم یک محیط مایع (گاز) یا به عبارت ساده تر، مقاومت در برابر حرکت تعریف کرد.
ویسکوزیته چیست
ساده ترین آزمایش تجربی برای تعیین ویسکوزیته: همان مقدار آب و روغن به طور همزمان بر روی یک سطح شیبدار صاف ریخته می شود. آب سریعتر از روغن تخلیه می شود. او سیال تر است. روغن متحرک به دلیل اصطکاک بیشتر بین مولکول های آن (مقاومت داخلی - ویسکوزیته) از تخلیه سریع آن جلوگیری می کند. بنابراین، ویسکوزیته یک مایع با سیالیت آن نسبت معکوس دارد.
نسبت ویسکوزیته: فرمول
در شکل ساده شده، فرآیند حرکت یک سیال چسبناک در خط لوله را می توان به صورت لایه های موازی مسطح A و B با سطح یکسان S در نظر گرفت که فاصله بین آنها h است.
این دو لایه (A و B) با سرعت های مختلف (V و V+ΔV) حرکت می کنند. لایه A که بالاترین سرعت را دارد (V+ΔV) شامل لایه B است که با سرعت کمتر (V) حرکت می کند. در همان زمان، لایه B تمایل دارد سرعت لایه A را کاهش دهد. معنای فیزیکی ضریب ویسکوزیته این است که اصطکاک مولکول ها، که مقاومت لایه های جریان هستند، نیرویی را تشکیل می دهد که آیزاک نیوتن آن را توصیف کرد. فرمول زیر:
F=μ × S × (ΔV/h)
اینجا:
- ΔV تفاوت در سرعت لایه‌های جریان سیال است؛
- h – فاصله بین لایه‌های جریان سیال؛
- S - سطح لایه جریان سیال؛
- Μ (mu) - ضریب بسته به خاصیت مایع، به نام ویسکوزیته دینامیکی مطلق.
در واحدهای SI، فرمول به این صورت است:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (پاسکال × ثانیه)
در اینجا F نیروی گرانش (وزن) واحد حجم سیال عامل است.
مقدار ویسکوزیته
در اکثر موارد، ضریب ویسکوزیته دینامیکی بر حسب سانتی پویز (cP) مطابق با سیستم واحدهای CGS (سانتی متر، گرم، ثانیه) اندازه گیری می شود. در عمل، ویسکوزیته مربوط به نسبت جرم یک مایع به حجم آن است، یعنی به چگالی مایع:
ρ=m / V
اینجا:
- ρ - چگالی مایع؛
- m - جرم مایع؛
- V حجم مایع است.
رابطه بین ویسکوزیته دینامیکی (Μ) و چگالی (ρ) را ویسکوزیته سینماتیکی ν (ν – در یونانی –) می گویند.برهنه):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
به هر حال، روش های تعیین ضریب ویسکوزیته متفاوت است. به عنوان مثال، ویسکوزیته سینماتیک همچنان مطابق با سیستم CGS در سنتستوک (cSt) و در واحدهای کسری - استوک (St):
اندازه گیری می شود.
- 1St=10-4 m2/s=1 سانتی متر2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 میلی متر2/s.
تعیین ویسکوزیته آب
ویسکوزیته آب با اندازه گیری زمان لازم برای جریان سیال از طریق یک لوله مویرگی مدرج تعیین می شود. این دستگاه با یک سیال استاندارد با ویسکوزیته شناخته شده کالیبره شده است. برای تعیین ویسکوزیته سینماتیکی، اندازه‌گیری شده در میلی‌متر2/s، زمان جریان سیال که بر حسب ثانیه اندازه‌گیری می‌شود، در یک ثابت ضرب می‌شود.
واحد مقایسه ویسکوزیته آب مقطر است که مقدار آن حتی در زمان تغییر دما تقریباً ثابت است. ضریب ویسکوزیته نسبت زمانی است که بر حسب ثانیه طول می کشد تا حجم ثابتی از آب مقطر از روزنه مدرج شده به سیال مورد آزمایش جریان یابد.
ویسکومتر
ویسکوزیته بسته به نوع ویسکومتر مورد استفاده بر حسب درجه Engler (°E)، Saybolt Universal Seconds ("SUS") یا درجه Redwood (°RJ) اندازه گیری می شود. مایع خارج می شود.
ویسکومتر اندازه گیری ویسکوزیته در واحد اروپایی درجه Engler (°E)، محاسبه شده200cm3 محیط مایع خروجی. ویسکومتری که ویسکوزیته را در Saybolt Universal Seconds اندازه گیری می کند ("SUS" یا "SSU" که در ایالات متحده استفاده می شود) حاوی 60cm3 از مایع آزمایش است. در انگلستان، جایی که درجات ردوود (°RJ) استفاده می‌شود، ویسکومتر ویسکوزیته 50 سانتی‌متر سیال 3 را اندازه‌گیری می‌کند. به عنوان مثال، اگر 200 سانتی‌متر3 از یک روغن معین ده برابر کندتر از همان حجم آب جریان داشته باشد، ویسکوزیته انگلر 10 درجه شرقی است.
از آنجایی که دما یک عامل کلیدی در تغییر ضریب ویسکوزیته است، اندازه گیری ها معمولاً ابتدا در دمای ثابت 20 درجه سانتیگراد و سپس در مقادیر بالاتر انجام می شود. نتیجه با اضافه کردن دمای مناسب بیان می شود، به عنوان مثال: 10°E/50°C یا 2.8°E/90°C. ویسکوزیته یک مایع در دمای 20 درجه سانتی گراد بیشتر از ویسکوزیته آن در دماهای بالاتر است. روغن های هیدرولیک دارای ویسکوزیته زیر در دماهای مربوطه هستند:
190 cSt در 20°C=45.4 cSt در 50°C=11.3 cSt در 100°C.
مقادیر ترجمه
تعیین ضریب ویسکوزیته در سیستم های مختلف (آمریکایی، انگلیسی، GHS) اتفاق می افتد و بنابراین اغلب لازم است داده ها از یک سیستم بعدی به سیستم بعدی منتقل شود. برای تبدیل مقادیر ویسکوزیته سیال بیان شده بر حسب درجه انگلر به سانتی استوک (mm2/s)، از فرمول تجربی زیر استفاده کنید:
ν(cSt)=7.6 × °E × (1-1/°E3)
برای مثال:
- 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.
برای تعیین سریع ویسکوزیته استاندارد روغن هیدرولیک، فرمول را می توان به صورت زیر ساده کرد:
ν(cSt)=7.6 × °E(mm2/s)
با داشتن ویسکوزیته سینماتیکی ν در mm2/s یا cSt، می توانید آن را با استفاده از رابطه زیر به ضریب ویسکوزیته دینامیکی Μ تبدیل کنید:
M=ν × ρ
مثال. با خلاصه کردن فرمول های مختلف تبدیل برای درجات انگلر (°E)، سنتیستوک (cSt) و سانتیپویز (cP)، فرض کنید که یک روغن هیدرولیک با چگالی ρ=910 کیلوگرم بر متر3 دارای ویسکوزیته سینماتیکی 12 درجه شرقی، که در واحدهای cSt برابر است با:
ν=7.6 × 12 × (1-1/123)=91.2 × (0.99)=90.3 میلی متر2/s.
زیرا 1cSt=10-6m2/s و 1cP=10-3N×s/m2، سپس ویسکوزیته دینامیکی خواهد بود:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6 910=0.082 N×s/m2=82 cP.
ضریب ویسکوزیته گاز
با ترکیب (شیمیایی، مکانیکی) گاز، تأثیر دما، فشار تعیین می شود و در محاسبات دینامیکی گاز مربوط به حرکت گاز استفاده می شود. در عمل، ویسکوزیته گازها هنگام طراحی توسعه میدان گازی در نظر گرفته می شود، جایی که تغییرات ضریب بسته به تغییرات در ترکیب گاز (به ویژه برای میادین میعانات گازی مهم)، دما و فشار محاسبه می شود.
ویسکوزیته هوا را محاسبه کنید. فرآیندها مشابه خواهد بوددو جریان مورد بحث در بالا. فرض کنید دو جریان گاز U1 و U2 به صورت موازی اما با سرعت های متفاوت حرکت می کنند. همرفت (نفوذ متقابل) مولکول ها بین لایه ها اتفاق می افتد. در نتیجه، تکانه جریان هوای سریعتر کاهش می‌یابد و جریانی که در ابتدا کندتر حرکت می‌کند، شتاب می‌گیرد.
ضریب ویسکوزیته هوا طبق قانون نیوتن با فرمول زیر بیان می شود:
F=-h × (dU/dZ) × S
اینجا:
- dU/dZ گرادیان سرعت است؛
- S – ناحیه ضربه نیرو؛
- ضریب h - ویسکوزیته دینامیکی.
شاخص ویسکوزیته
شاخص ویسکوزیته (VI) پارامتری است که تغییرات ویسکوزیته و دما را به هم مرتبط می کند. همبستگی یک رابطه آماری است، در این مورد دو کمیت، که در آن تغییر دما با تغییر سیستماتیک ویسکوزیته همراه است. هر چه شاخص ویسکوزیته بالاتر باشد، تغییر بین دو مقدار کمتر است، یعنی ویسکوزیته سیال عامل با تغییرات دما پایدارتر است.
ویسکوزیته روغن
پایه های روغن های مدرن دارای شاخص ویسکوزیته زیر 95-100 واحد هستند. بنابراین در سیستم های هیدرولیک ماشین آلات و تجهیزات می توان از سیالات کاری با ثبات کافی استفاده کرد که تغییرات وسیع ویسکوزیته را در شرایط دماهای بحرانی محدود می کند.
ضریب ویسکوزیته "مطلوب" را می توان با وارد کردن مواد افزودنی ویژه (پلیمرها) به دست آمده در طول تقطیر روغن در روغن حفظ کرد. آنها شاخص ویسکوزیته روغن ها را افزایش می دهندبه دلیل محدود کردن تغییر این مشخصه در بازه مجاز. در عمل با معرفی مقدار مورد نیاز مواد افزودنی می توان شاخص ویسکوزیته پایین روغن پایه را به 100-105 واحد افزایش داد. با این حال، مخلوط به دست آمده از این طریق خواص خود را در فشار و بار حرارتی بالا بدتر می کند و در نتیجه کارایی ماده افزودنی را کاهش می دهد.
در مدارهای قدرت سیستم های هیدرولیک قدرتمند باید از سیالات کاری با شاخص ویسکوزیته 100 واحد استفاده شود. سیالات کاری با افزودنی هایی که شاخص ویسکوزیته را افزایش می دهند در مدارهای کنترل هیدرولیک و سایر سیستم هایی که در محدوده فشار کم / متوسط کار می کنند، در محدوده دمایی محدود، با نشتی های کوچک و در عملیات دسته ای استفاده می شوند. با افزایش فشار، ویسکوزیته نیز افزایش می یابد، اما این فرآیند در فشارهای بالاتر از 30.0 مگاپاسکال (300 بار) رخ می دهد. در عمل، این عامل اغلب نادیده گرفته می شود.
اندازه گیری و نمایه سازی
مطابق با استانداردهای بین المللی ISO، ضریب ویسکوزیته آب (و سایر رسانه های مایع) بر حسب سانتی استوک بیان می شود: cSt (mm2/s). اندازه گیری ویسکوزیته روغن های فرآیند باید در دماهای 0 درجه سانتی گراد، 40 درجه سانتی گراد و 100 درجه سانتی گراد انجام شود. در هر صورت، در کد درجه روغن، ویسکوزیته باید با یک عدد در دمای 40 درجه سانتیگراد نشان داده شود. در GOST، مقدار ویسکوزیته در 50 درجه سانتیگراد داده می شود. درجاتی که بیشتر در مهندسی هیدرولیک استفاده می شود از ISO VG 22 تا ISO VG 68 است.
روغن های هیدرولیک VG 22، VG 32، VG 46، VG 68، VG 100 در دمای 40 درجه سانتی گراد دارای مقادیر ویسکوزیته مربوط به علامت گذاری آنها هستند: 22، 32، 46، 68 و 100 cSt. بهینهویسکوزیته سینماتیکی سیال عامل در سیستم های هیدرولیک از 16 تا 36 cSt است.
انجمن مهندسین خودرو آمریکا (SAE) محدوده ویسکوزیته را در دماهای خاص تعیین کرده و کدهای مناسب را به آنها اختصاص داده است. عدد زیر W، ویسکوزیته دینامیکی مطلق Μ در 0 درجه فارنهایت (-17.7 درجه سانتیگراد) است و ویسکوزیته سینماتیک ν در دمای 212 درجه فارنهایت (100 درجه سانتیگراد) تعیین شد. این نمایه سازی برای روغن های تمام فصول مورد استفاده در صنعت خودروسازی (گیربکس، موتور و غیره) اعمال می شود.
تاثیر ویسکوزیته بر هیدرولیک
تعیین ضریب ویسکوزیته یک مایع نه تنها جنبه علمی و آموزشی دارد، بلکه دارای ارزش عملی مهمی نیز می باشد. در سیستم های هیدرولیک، سیالات عامل نه تنها انرژی را از پمپ به موتورهای هیدرولیک منتقل می کنند، بلکه تمام قسمت های قطعات را روغن کاری کرده و گرمای تولید شده از جفت اصطکاک را حذف می کنند. ویسکوزیته سیال کاری که برای حالت کار مناسب نیست می تواند به طور جدی کارایی تمام هیدرولیک ها را مختل کند.
ویسکوزیته بالای سیال عامل (روغن با چگالی بسیار بالا) منجر به پدیده های منفی زیر می شود:
- افزایش مقاومت در برابر جریان سیال هیدرولیک باعث افت فشار بیش از حد در سیستم هیدرولیک می شود.
- کاهش سرعت کنترل و حرکات مکانیکی عملگرها.
- توسعه کاویتاسیون در پمپ.
- خلاصه هوای صفر یا خیلی کم از روغن مخزن هیدرولیک.
- قابل توجهاز دست دادن توان (کاهش راندمان) هیدرولیک به دلیل هزینه بالای انرژی برای غلبه بر اصطکاک داخلی سیال.
- افزایش گشتاور پرایم موور دستگاه ناشی از افزایش بار پمپ.
- افزایش دمای سیال هیدرولیک به دلیل افزایش اصطکاک.
بنابراین، معنای فیزیکی ضریب ویسکوزیته در تأثیر آن (مثبت یا منفی) بر اجزا و مکانیسم های وسایل نقلیه، ماشین آلات و تجهیزات نهفته است.
از دست دادن توان هیدرولیک
ویسکوزیته کم سیال عامل (روغن با چگالی کم) منجر به پدیده های منفی زیر می شود:
- کاهش راندمان حجمی پمپ ها در نتیجه افزایش نشتی داخلی.
- افزایش نشتی داخلی در اجزای هیدرولیک کل سیستم هیدرولیک - پمپ ها، شیرها، توزیع کننده های هیدرولیک، موتورهای هیدرولیک.
- افزایش سایش واحدهای پمپاژ و گرفتگی پمپ ها به دلیل ویسکوزیته ناکافی سیال عامل لازم برای روانکاری قطعات ساینده.
تراکم پذیری
هر مایعی تحت فشار فشرده می شود. با توجه به روغن ها و خنک کننده های مورد استفاده در هیدرولیک مهندسی مکانیک، به طور تجربی ثابت شده است که فرآیند تراکم با جرم مایع در حجم نسبت معکوس دارد. نسبت تراکم برای روغن های معدنی بیشتر، برای آب به طور قابل توجهی کمتر و برای مایعات مصنوعی بسیار پایین تر است.
در سیستم های ساده هیدرولیک فشار کم، تراکم پذیری سیال تأثیر ناچیزی در کاهش حجم اولیه دارد. اما در ماشین های قدرتمند با هیدرولیک بالافشار و سیلندرهای هیدرولیک بزرگ، این فرآیند به طور قابل توجهی خود را نشان می دهد. برای روغن های معدنی هیدرولیک در فشار 10.0 مگاپاسکال (100 بار)، حجم 0.7٪ کاهش می یابد. در عین حال، تغییر حجم تراکم کمی تحت تأثیر ویسکوزیته سینماتیکی و نوع روغن است.
نتیجه گیری
تعیین ضریب ویسکوزیته به شما امکان می دهد تا عملکرد تجهیزات و مکانیسم ها را در شرایط مختلف با در نظر گرفتن تغییرات در ترکیب مایع یا گاز، فشار، دما پیش بینی کنید. همچنین کنترل این شاخص‌ها در بخش نفت و گاز، تاسیسات و سایر صنایع مرتبط است.
