Viskozite katsayısı, çalışan bir sıvı veya gazın önemli bir parametresidir. Fiziksel terimlerle viskozite, sıvı (gazlı) bir ortamın kütlesini oluşturan parçacıkların hareketinin neden olduğu iç sürtünme veya daha basit bir ifadeyle harekete karşı direnç olarak tanımlanabilir.
Viskozite nedir
Viskoziteyi belirlemek için en basit ampirik deney: Aynı miktarda su ve yağ, aynı anda pürüzsüz eğimli bir yüzeye dökülür. Su, yağdan daha hızlı boşalır. O daha akıcı. Hareket eden bir yağın, molekülleri arasındaki daha yüksek sürtünme (iç direnç - viskozite) sayesinde hızla boşalması engellenir. Bu nedenle, bir sıvının viskozitesi, akışkanlığı ile ters orantılıdır.
Viskozite oranı: formül
Basitleştirilmiş bir biçimde, viskoz bir akışkanın bir boru hattındaki hareket süreci, aralarındaki mesafe h olan aynı S yüzey alanına sahip düz paralel A ve B katmanları şeklinde düşünülebilir.
Bu iki katman (A ve B) farklı hızlarda hareket eder (V ve V+ΔV). En yüksek hıza (V+ΔV) sahip olan A Katmanı, daha düşük bir hızda (V) hareket eden B katmanını içerir. Aynı zamanda B tabakası, A tabakasının hızını yavaşlatma eğilimindedir. Viskozite katsayısının fiziksel anlamı, akış tabakalarının direnci olan moleküllerin sürtünmesinin, Isaac Newton tarafından tarif edilen bir kuvvet oluşturmasıdır. aşağıdaki formül:
F=µ × S × (ΔV/h)
Burada:
- ΔV, sıvı akış katmanlarının hızlarındaki farktır;
- h – sıvı akışı katmanları arasındaki mesafe;
- S – sıvı akış katmanının yüzey alanı;
- Μ (mu) - Mutlak dinamik viskozite adı verilen sıvının özelliğine bağlı bir katsayı.
SI birimlerinde formül şöyle görünür:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × saniye)
Burada F, çalışma sıvısının birim hacminin yerçekimi kuvvetidir (ağırlık).
Viskozite değeri
Çoğu durumda, dinamik viskozite katsayısı, CGS birim sistemine (santimetre, gram, saniye) göre santipoise (cP) cinsinden ölçülür. Pratikte viskozite, bir sıvının kütlesinin hacmine oranı, yani sıvının yoğunluğu ile ilgilidir:
ρ=m / V
Burada:
- ρ – sıvı yoğunluğu;
- m – sıvı kütlesi;
- V sıvının hacmidir.
Dinamik viskozite (Μ) ve yoğunluk (ρ) arasındaki ilişkiye kinematik viskozite ν (ν – Yunanca –çıplak):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Bu arada, viskozite katsayısını belirleme yöntemleri farklıdır. Örneğin, kinematik viskozite yine de CGS sistemine göre santistok (cSt) ve kesirli birimler - stokes (St) cinsinden ölçülür:
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Suyun viskozitesini belirleme
Suyun viskozitesi, sıvının kalibre edilmiş bir kılcal borudan akması için geçen süre ölçülerek belirlenir. Bu cihaz, viskozitesi bilinen standart bir sıvı ile kalibre edilmiştir. mm2/s cinsinden ölçülen kinematik viskoziteyi belirlemek için, saniye cinsinden ölçülen sıvı akış süresi bir sabitle çarpılır.
Karşılaştırma birimi, sıcaklık değiştiğinde bile değeri neredeyse sabit olan damıtılmış suyun viskozitesidir. Viskozite katsayısı, sabit hacimdeki damıtılmış suyun kalibre edilmiş bir delikten dışarı akması için geçen sürenin saniye cinsinden test edilen sıvınınkine oranıdır.
Viskozimetreler
Viskozite, kullanılan viskozimetre türüne bağlı olarak Engler (°E), Saybolt Evrensel Saniye ("SUS") veya Redwood (°RJ) dereceleriyle ölçülür. Üç tür viskozimetre, yalnızca sıvı akıyor.
Viskozimetre, Avrupa birim derecesi Engler (°E) cinsinden viskoziteyi ölçer, hesaplanmıştır200cm3 akan sıvı ortam. Saybolt Evrensel Saniye cinsinden viskoziteyi ölçen bir viskozimetre (ABD'de kullanılan "SUS" veya "SSU") 60 cm3 test sıvısı içerir. Redwood derecelerinin (°RJ) kullanıldığı İngiltere'de, viskozimetre 50 cm3 sıvının viskozitesini ölçer. Örneğin, belirli bir yağın 200 cm3 hacmi aynı su hacminden on kat daha yavaş akarsa, Engler viskozitesi 10°E'dir.
Viskozite katsayısını değiştirmede sıcaklık önemli bir faktör olduğundan, ölçümler genellikle önce 20°C'lik sabit bir sıcaklıkta ve daha sonra daha yüksek değerlerde yapılır. Sonuç, uygun sıcaklığın eklenmesiyle ifade edilir, örneğin: 10°E/50°C veya 2.8°E/90°C. Bir sıvının 20°C'deki viskozitesi, daha yüksek sıcaklıklardaki viskozitesinden daha yüksektir. Hidrolik yağlar, ilgili sıcaklıklarda aşağıdaki viskozitelere sahiptir:
190 cSt 20°C'de=45,4 cSt 50°C'de=11,3 cSt 100°C'de.
Değerleri çevir
Viskozite katsayısının belirlenmesi farklı sistemlerde (Amerikan, İngiliz, GHS) gerçekleşir ve bu nedenle genellikle bir boyutlu sistemden diğerine veri aktarmak gerekir. Engler derece cinsinden ifade edilen akışkan viskozite değerlerini santistoklara (mm2/s) dönüştürmek için aşağıdaki ampirik formülü kullanın:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Örneğin:
- 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.
Hidrolik yağın standart viskozitesini hızlı bir şekilde belirlemek için formül şu şekilde basitleştirilebilir:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
mm2/s veya cSt cinsinden bir kinematik viskoziteye ν sahipse, aşağıdaki ilişkiyi kullanarak onu dinamik bir viskozite katsayısına Μ dönüştürebilirsiniz:
M=ν × ρ
Örnek. Engler (°E), santistok (cSt) ve kırkayak (cP) dereceleri için çeşitli dönüştürme formüllerini özetleyerek, ρ=910 kg/m3 yoğunluğuna sahip bir hidrolik yağın cSt biriminde:
olan 12° E'lik bir kinematik viskozite
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Çünkü 1cSt=10-6m2/s ve 1cP=10-3N×s/m2, o zaman dinamik viskozite şöyle olacaktır:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6 910=0.082 N×s/m2=82 cP.
Gaz viskozite faktörü
Gazın bileşimi (kimyasal, mekanik) ile sıcaklık, basıncın etkisi ile belirlenir ve gazın hareketi ile ilgili gaz-dinamik hesaplamalarda kullanılır. Uygulamada, katsayı değişikliklerinin gaz bileşimindeki (özellikle gaz yoğuşma alanları için önemlidir), sıcaklık ve basınçtaki değişikliklere bağlı olarak hesaplandığı gaz sahası geliştirmeleri tasarlanırken gazların viskozitesi dikkate alınır.
Havanın viskozitesini hesaplayın. Süreçler benzer olacakYukarıda tartışılan iki akış. İki gaz akışının U1 ve U2 paralel olarak, ancak farklı hızlarda hareket ettiğini varsayalım. Katmanlar arasında moleküllerin konveksiyonu (karşılıklı penetrasyon) meydana gelecektir. Sonuç olarak, daha hızlı hareket eden hava akımının momentumu azalacak ve başlangıçta daha yavaş hareket eden hava akımı hızlanacaktır.
Newton yasasına göre havanın viskozite katsayısı şu formülle ifade edilir:
F=-h × (dU/dZ) × S
Burada:
- dU/dZ hız gradyanıdır;
- S – kuvvet etki alanı;
- H katsayısı - dinamik viskozite.
Viskozite indeksi
Viskozite indeksi (VI), viskozite ve sıcaklıktaki değişiklikleri ilişkilendiren bir parametredir. Korelasyon istatistiksel bir ilişkidir, bu durumda sıcaklıktaki bir değişikliğin viskozitedeki sistematik bir değişikliğe eşlik ettiği iki niceliktir. Viskozite indeksi ne kadar yüksek olursa, iki değer arasındaki değişim o kadar küçük olur, yani çalışma sıvısının viskozitesi sıcaklık değişimlerinde daha kararlıdır.
Yağ viskozitesi
Modern yağların bazları 95-100 birimin altında bir viskozite indeksine sahiptir. Bu nedenle, makinelerin ve ekipmanların hidrolik sistemlerinde, kritik sıcaklık koşulları altında viskozitedeki geniş değişimi sınırlayan yeterince kararlı çalışma sıvıları kullanılabilir.
"Olumlu" viskozite katsayısı, yağın damıtılması sırasında elde edilen özel katkı maddelerinin (polimerler) yağa eklenmesiyle korunabilir. Yağların viskozite indeksini arttırırlar. Bu özelliğin değişimini izin verilen aralıkta sınırlama hesabı. Uygulamada, gerekli miktarda katkı maddesinin eklenmesiyle, baz yağın düşük viskozite indeksi 100-105 birime yükseltilebilir. Ancak bu şekilde elde edilen karışım, yüksek basınç ve ısı yükünde özelliklerini bozarak katkı maddesinin etkinliğini az altır.
Güçlü hidrolik sistemlerin güç devrelerinde viskozite indeksi 100 birim olan çalışma sıvıları kullanılmalıdır. Viskozite indeksini artıran katkılı çalışma sıvıları, hidrolik kontrol devrelerinde ve düşük/orta basınç aralığında, sınırlı bir sıcaklık aralığında, küçük kaçaklarla ve toplu çalışmada çalışan diğer sistemlerde kullanılmaktadır. Artan basınçla viskozite de artar, ancak bu işlem 30.0 MPa'nın (300 bar) üzerindeki basınçlarda gerçekleşir. Pratikte bu faktör genellikle ihmal edilir.
Ölçüm ve indeksleme
Uluslararası ISO standartlarına uygun olarak, suyun (ve diğer sıvı ortamların) viskozite katsayısı santistok cinsinden ifade edilir: cSt (mm2/s). Proses yağlarının viskozite ölçümleri 0°C, 40°C ve 100°C sıcaklıklarda yapılmalıdır. Her durumda, yağ sınıfı kodunda viskozite, 40 ° C sıcaklıkta bir rakamla belirtilmelidir. GOST'ta viskozite değeri 50°C'de verilir. Mühendislik hidroliğinde en yaygın olarak kullanılan kaliteler ISO VG 22 ile ISO VG 68 arasındadır.
Hidrolik yağlar VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40°C'de, işaretlerine karşılık gelen viskozite değerlerine sahiptir: 22, 32, 46, 68 ve 100 cSt. En uygunhidrolik sistemlerde çalışma sıvısının kinematik viskozitesi 16 ile 36 cSt arasında değişir.
Amerikan Otomotiv Mühendisleri Derneği (SAE), belirli sıcaklıklarda viskozite aralıkları belirlemiş ve bunlara uygun kodları atamıştır. W'yi takip eden sayı, 0°F'de (-17.7°C) mutlak dinamik viskozite Μ'dir ve kinematik viskozite ν, 212°F'de (100°C) belirlenmiştir. Bu endeksleme, otomotiv endüstrisinde (şanzıman, motor vb.) kullanılan dört mevsimlik yağlar için geçerlidir.
Viskozitenin hidrolik üzerindeki etkisi
Bir sıvının viskozite katsayısının belirlenmesi sadece bilimsel ve eğitsel açıdan ilgi çekici değildir, aynı zamanda önemli bir pratik değer de taşır. Hidrolik sistemlerde, çalışma sıvıları sadece pompadan hidrolik motorlara enerji aktarmakla kalmaz, aynı zamanda bileşenlerin tüm parçalarını yağlar ve sürtünme çiftlerinden oluşan ısıyı uzaklaştırır. Çalışma sıvısının çalışma moduna uygun olmayan viskozitesi, tüm hidroliğin verimini ciddi şekilde bozabilir.
Çalışma sıvısının yüksek viskozitesi (çok yüksek yoğunluklu yağ) aşağıdaki olumsuz olaylara yol açar:
- Hidrolik sıvı akışına karşı artan direnç, hidrolik sistemde aşırı basınç düşüşüne neden olur.
- Kontrol hızının yavaşlaması ve aktüatörlerin mekanik hareketleri.
- Pompada kavitasyon gelişimi.
- Hidrolik tank yağından sıfır veya çok düşük hava tahliyesi.
- Fark edilebilirsıvının iç sürtünmesinin üstesinden gelmek için yüksek enerji maliyetleri nedeniyle hidrolik güç kaybı (verimlilikteki azalma).
- Artan pompa yükünün neden olduğu artan makine ana taşıyıcı torku.
- Artan sürtünme nedeniyle hidrolik sıvı sıcaklığındaki artış.
Dolayısıyla, viskozite katsayısının fiziksel anlamı, araçların, makinelerin ve ekipmanların bileşenleri ve mekanizmaları üzerindeki etkisinde (olumlu veya olumsuz) yatmaktadır.
Hidrolik güç kaybı
Çalışma sıvısının düşük viskozitesi (düşük yoğunluklu yağ) aşağıdaki olumsuz olaylara yol açar:
- İç sızıntının artması sonucu pompaların hacimsel verimliliğinde azalma.
- Tüm hidrolik sistemin hidrolik bileşenlerinde (pompalar, valfler, hidrolik dağıtıcılar, hidrolik motorlar) dahili sızıntılarda artış.
- Sürtünen parçaların yağlanmasını sağlamak için gerekli çalışma sıvısının yetersiz viskozitesi nedeniyle pompa ünitelerinin artan aşınması ve pompaların sıkışması.
Sıkıştırılabilirlik
Herhangi bir sıvı basınç altında sıkışır. Makine mühendisliği hidroliğinde kullanılan yağlar ve soğutucularla ilgili olarak, sıkıştırma işleminin hacim başına sıvının kütlesi ile ters orantılı olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir. Sıkıştırma oranı mineral yağlar için daha yüksektir, su için önemli ölçüde daha düşüktür ve sentetik sıvılar için çok daha düşüktür.
Basit düşük basınçlı hidrolik sistemlerde, sıvının sıkıştırılabilirliği, ilk hacmin azalması üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahiptir. Ancak yüksek hidrolik güce sahip güçlü makinelerdebasınç ve büyük hidrolik silindirler, bu süreç kendini farkedilir şekilde gösterir. 10.0 MPa (100 bar) basınçtaki hidrolik mineral yağlar için hacim %0,7 oranında azalır. Aynı zamanda, sıkıştırma hacmindeki değişiklik, kinematik viskoziteden ve yağ türünden biraz etkilenir.
Sonuç
Viskozite katsayısının belirlenmesi, bir sıvı veya gazın bileşimindeki, basınçtaki, sıcaklıktaki değişiklikleri dikkate alarak çeşitli koşullar altında ekipman ve mekanizmaların çalışmasını tahmin etmenizi sağlar. Ayrıca, bu göstergelerin kontrolü petrol ve gaz sektörü, kamu hizmetleri ve diğer endüstrilerle ilgilidir.
