Viskozitní koeficient je klíčovým parametrem pracovní tekutiny nebo plynu. Z fyzikálního hlediska lze viskozitu definovat jako vnitřní tření způsobené pohybem částic, které tvoří hmotu kapalného (plynného) média, nebo jednodušeji jako odpor vůči pohybu.
Co je viskozita
Nejjednodušší empirický experiment pro stanovení viskozity: na hladký nakloněný povrch se současně nalije stejné množství vody a oleje. Voda stéká rychleji než olej. Je tekutější. Větší tření mezi jeho molekulami (vnitřní odpor - viskozita) brání rychlému vytékání pohybujícího se oleje. Viskozita kapaliny je tedy nepřímo úměrná její tekutosti.
Poměr viskozity: vzorec
Ve zjednodušené formě lze proces pohybu viskózní tekutiny v potrubí uvažovat ve formě plochých rovnoběžných vrstev A a B se stejným povrchem S, přičemž vzdálenost mezi nimi je h.
Tyto dvě vrstvy (A a B) se pohybují různými rychlostmi (V a V+ΔV). Vrstva A, která má nejvyšší rychlost (V+ΔV), zahrnuje vrstvu B, která se pohybuje nižší rychlostí (V). Zároveň má vrstva B tendenci zpomalovat rychlost vrstvy A. Fyzikální význam viskozitního koeficientu spočívá v tom, že tření molekul, které jsou odporem proudových vrstev, tvoří sílu, kterou Isaac Newton popsal tzv. následující vzorec:
F=µ × S × (ΔV/h)
Zde:
- ΔV je rozdíl v rychlostech vrstev proudění tekutiny;
- h – vzdálenost mezi vrstvami proudění tekutiny;
- S – plocha povrchu vrstvy toku tekutiny;
- Μ (mu) - koeficient závislý na vlastnosti kapaliny, nazývaný absolutní dynamická viskozita.
V jednotkách SI vypadá vzorec takto:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (pascal × sekunda)
Zde F je gravitační síla (hmotnost) jednotkového objemu pracovní tekutiny.
Hodnota viskozity
Ve většině případů se dynamický viskozitní koeficient měří v centipoise (cP) v souladu se systémem jednotek CGS (centimetr, gram, sekunda). V praxi viskozita souvisí s poměrem hmotnosti kapaliny k jejímu objemu, tj. k hustotě kapaliny:
ρ=m / V
Zde:
- ρ – hustota kapaliny;
- m – hmotnost tekutiny;
- V je objem kapaliny.
Vztah mezi dynamickou viskozitou (Μ) a hustotou (ρ) se nazývá kinematická viskozita ν (ν – v řečtině –nahá):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Mimochodem, metody pro stanovení viskozitního koeficientu jsou různé. Například kinematická viskozita se stále měří v souladu se systémem CGS v centistoke (cSt) a ve zlomkových jednotkách - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Určení viskozity vody
Viskozita vody se určuje měřením doby, kterou tekutina potřebuje k průtoku kalibrovanou kapilárou. Toto zařízení je kalibrováno standardní kapalinou o známé viskozitě. Pro stanovení kinematické viskozity, měřené v mm2/s, se doba průtoku tekutiny, měřená v sekundách, vynásobí konstantou.
Srovnávací jednotkou je viskozita destilované vody, jejíž hodnota je téměř konstantní i při změně teploty. Viskozitní koeficient je poměr doby v sekundách, po kterou pevný objem destilované vody vyteče z kalibrovaného otvoru, k objemu testované kapaliny.
Viskozimetry
Viskozita se měří ve stupních Englera (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") nebo stupních Redwood (°RJ) v závislosti na typu použitého viskozimetru. Tyto tři typy viskozimetrů se liší pouze v množství vytékající tekutina.
Viskozimetr měřící viskozitu v evropské jednotce stupeň Engler (°E), vypočteno200 cm3 vytékající kapalné médium. Viskozimetr měřící viskozitu v Saybolt Universal Seconds ("SUS" nebo "SSU" používaný v USA) obsahuje 60 cm3 testovací kapaliny. V Anglii, kde se používají stupně Redwood (°RJ), měří viskozimetr viskozitu 50 cm3 kapaliny. Pokud například 200 cm3 určitého oleje teče desetkrát pomaleji než stejný objem vody, pak je Englerova viskozita 10°E.
Vzhledem k tomu, že teplota je klíčovým faktorem při změně viskozitního koeficientu, měření se obvykle provádí nejprve při konstantní teplotě 20 °C a poté při vyšších hodnotách. Výsledek je tedy vyjádřen sečtením příslušné teploty, například: 10°E/50°C nebo 2,8°E/90°C. Viskozita kapaliny při 20°C je vyšší než její viskozita při vyšších teplotách. Hydraulické oleje mají při příslušných teplotách následující viskozity:
190 cSt při 20 °C=45,4 cSt při 50 °C=11,3 cSt při 100 °C.
Přeložit hodnoty
Stanovení viskozitního koeficientu probíhá v různých systémech (americký, anglický, GHS), a proto je často nutné přenášet data z jednoho rozměrového systému do druhého. Chcete-li převést hodnoty viskozity kapaliny vyjádřené ve stupních Englera na centistokes (mm2/s), použijte následující empirický vzorec:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Například:
- 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.
Pro rychlé určení standardní viskozity hydraulického oleje lze vzorec zjednodušit následovně:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Máte-li kinematickou viskozitu ν v mm2/s nebo cSt, můžete ji převést na dynamický viskozitní koeficient Μ pomocí následujícího vztahu:
M=ν × ρ
Příklad. Shrneme-li různé převodní vzorce pro stupně Engler (°E), centistokes (cSt) a centipoise (cP), předpokládejme, že hydraulický olej o hustotě ρ=910 kg/m3 má kinematická viskozita 12° E, což v jednotkách cSt je:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Protože 1cSt=10-6m2/s a 1cP=10-3N×s/m2, pak dynamická viskozita bude:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Faktor viskozity plynu
Je určeno složením (chemickým, mechanickým) plynu, vlivem teploty, tlaku a používá se v plynodynamických výpočtech souvisejících s pohybem plynu. V praxi se viskozita plynů bere v úvahu při navrhování vývoje plynových polí, kde se změny koeficientu počítají v závislosti na změnách složení plynu (obzvláště důležité pro pole plynových kondenzátů), teplotě a tlaku.
Vypočítejte viskozitu vzduchu. Procesy budou podobnédva výše uvedené proudy. Předpokládejme, že se dva proudy plynu U1 a U2 pohybují paralelně, ale různými rychlostmi. Mezi vrstvami dojde ke konvekci (vzájemnému pronikání) molekul. V důsledku toho se hybnost rychleji se pohybujícího proudu vzduchu sníží a původně se pohybující pomaleji se zrychlí.
Viskozitní koeficient vzduchu podle Newtonova zákona je vyjádřen následujícím vzorcem:
F=-h × (dU/dZ) × S
Zde:
- dU/dZ je gradient rychlosti;
- S – oblast silového dopadu;
- Koeficient h – dynamická viskozita.
Viskozitní index
Viskozitní index (VI) je parametr, který koreluje změny viskozity a teploty. Korelace je statistický vztah, v tomto případě dvou veličin, ve kterých změna teploty doprovází systematickou změnu viskozity. Čím vyšší je viskozitní index, tím menší je změna mezi těmito dvěma hodnotami, to znamená, že viskozita pracovní tekutiny je stabilnější při změnách teploty.
Viskozita oleje
Základy moderních olejů mají index viskozity nižší než 95-100 jednotek. Proto lze v hydraulických systémech strojů a zařízení používat dostatečně stabilní pracovní kapaliny, které omezují širokou změnu viskozity za podmínek kritických teplot.
"Příznivý" viskozitní koeficient lze udržet přidáním speciálních přísad (polymerů) získaných při destilaci oleje do oleje. Zvyšují viskozitní index olejů prozohlednění omezení změny této charakteristiky v povoleném intervalu. V praxi se zavedením požadovaného množství aditiv může nízký index viskozity základního oleje zvýšit na 100-105 jednotek. Takto získaná směs však zhoršuje své vlastnosti při vysokém tlaku a tepelné zátěži a tím snižuje účinnost aditiva.
V silových obvodech výkonných hydraulických systémů by se měly používat pracovní kapaliny s indexem viskozity 100 jednotek. Pracovní kapaliny s přísadami zvyšujícími viskozitní index se používají v hydraulických řídicích obvodech a dalších systémech pracujících v oblasti nízkého/středního tlaku, v omezeném rozsahu teplot, s malými úniky a v dávkovém provozu. S rostoucím tlakem roste i viskozita, ale k tomuto procesu dochází při tlacích nad 30,0 MPa (300 bar). V praxi je tento faktor často opomíjen.
Měření a indexování
V souladu s mezinárodními normami ISO je viskozitní koeficient vody (a dalších kapalných médií) vyjádřen v centistoke: cSt (mm2/s). Měření viskozity procesních olejů by se mělo provádět při teplotách 0 °C, 40 °C a 100 °C. V každém případě musí být v kódu třídy oleje viskozita označena číslicí při teplotě 40 °C. V GOST je hodnota viskozity udávána při 50°C. Typy nejběžněji používané v technické hydraulice se pohybují od ISO VG 22 do ISO VG 68.
Hydraulické oleje VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 při 40 °C mají hodnoty viskozity odpovídající jejich označení: 22, 32, 46, 68 a 100 cSt. Optimálníkinematická viskozita pracovní kapaliny v hydraulických systémech se pohybuje od 16 do 36 cSt.
Americká společnost automobilových inženýrů (SAE) stanovila rozsahy viskozity při konkrétních teplotách a přiřadila jim příslušné kódy. Číslo za W je absolutní dynamická viskozita Μ při 0 °F (-17,7 °C) a kinematická viskozita v byla stanovena při 212 °F (100 °C). Tato indexace platí pro celoroční oleje používané v automobilovém průmyslu (převodové, motorové atd.).
Vliv viskozity na hydrauliku
Stanovení koeficientu viskozity kapaliny je nejen vědeckého a vzdělávacího zájmu, ale má také důležitou praktickou hodnotu. V hydraulických systémech pracovní kapaliny nejen přenášejí energii z čerpadla do hydromotorů, ale také promazávají všechny části součástí a odvádějí teplo vznikající z třecích párů. Viskozita pracovní kapaliny, která není vhodná pro daný provozní režim, může vážně narušit účinnost veškeré hydrauliky.
Vysoká viskozita pracovní tekutiny (olej o velmi vysoké hustotě) vede k následujícím negativním jevům:
- Zvýšený odpor vůči průtoku hydraulické kapaliny způsobuje nadměrný pokles tlaku v hydraulickém systému.
- Zpomalení rychlosti ovládání a mechanických pohybů pohonů.
- Vývoj kavitace v čerpadle.
- Nulový nebo příliš nízký únik vzduchu z hydraulického oleje v nádrži.
- Postřehnutelnéztráta výkonu (snížení účinnosti) hydrauliky v důsledku vysokých energetických nákladů na překonání vnitřního tření kapaliny.
- Zvýšený točivý moment hnacího stroje stroje způsobený zvýšeným zatížením čerpadla.
- Zvýšení teploty hydraulické kapaliny v důsledku zvýšeného tření.
Fyzikální význam viskozitního koeficientu tedy spočívá v jeho vlivu (pozitivním nebo negativním) na součásti a mechanismy vozidel, strojů a zařízení.
Ztráta hydraulického výkonu
Nízká viskozita pracovní tekutiny (olej o nízké hustotě) vede k následujícím negativním jevům:
- Snížení objemové účinnosti čerpadel v důsledku rostoucí vnitřní netěsnosti.
- Nárůst vnitřních netěsností v hydraulických součástech celého hydraulického systému - čerpadla, ventily, hydraulické rozvaděče, hydromotory.
- Větší opotřebení čerpacích jednotek a zasekávání čerpadel v důsledku nedostatečné viskozity pracovní kapaliny potřebné k zajištění mazání třecích částí.
Stlačitelnost
Jakákoli kapalina se stlačí pod tlakem. S ohledem na oleje a chladicí kapaliny používané ve strojírenské hydraulice bylo empiricky zjištěno, že proces stlačování je nepřímo úměrný hmotnosti kapaliny na objem. Kompresní poměr je vyšší u minerálních olejů, výrazně nižší u vody a mnohem nižší u syntetických kapalin.
V jednoduchých nízkotlakých hydraulických systémech má stlačitelnost kapaliny zanedbatelný vliv na snížení počátečního objemu. Ale ve výkonných strojích s vysokou hydraulikoutlakových a velkých hydraulických válců se tento proces projevuje znatelně. U hydraulických minerálních olejů při tlaku 10,0 MPa (100 bar) se objem sníží o 0,7 %. Zároveň je změna kompresního objemu mírně ovlivněna kinematickou viskozitou a typem oleje.
Závěr
Stanovení viskozitního koeficientu umožňuje předvídat provoz zařízení a mechanismů za různých podmínek, s přihlédnutím ke změnám složení kapaliny nebo plynu, tlaku, teploty. Kontrola těchto ukazatelů je také důležitá v ropném a plynárenském sektoru, veřejných službách a dalších průmyslových odvětvích.
