Il coefficiente di viscosità è un parametro chiave di un fluido o gas di lavoro. In termini fisici, la viscosità può essere definita come l'attrito interno causato dal movimento delle particelle che compongono la massa di un mezzo liquido (gassoso), o, più semplicemente, la resistenza al movimento.
Cos'è la viscosità
L'esperimento empirico più semplice per determinare la viscosità: la stessa quantità di acqua e olio viene versata contemporaneamente su una superficie inclinata liscia. L'acqua defluisce più velocemente dell'olio. Lei è più fluida. A un olio in movimento viene impedito di defluire rapidamente dal maggiore attrito tra le sue molecole (resistenza interna - viscosità). Pertanto, la viscosità di un liquido è inversamente proporzionale alla sua fluidità.
Rapporto di viscosità: formula
In una forma semplificata, il processo di movimento di un fluido viscoso in una tubazione può essere considerato sotto forma di strati paralleli piatti A e B con la stessa superficie S, la cui distanza è h.
Questi due strati (A e B) si muovono a velocità diverse (V e V+ΔV). Lo strato A, che ha la velocità più alta (V+ΔV), coinvolge lo strato B, che si muove a una velocità inferiore (V). Allo stesso tempo, lo strato B tende a rallentare la velocità dello strato A. Il significato fisico del coefficiente di viscosità è che l'attrito delle molecole, che sono la resistenza degli strati di flusso, forma una forza che Isaac Newton descrisse dal seguente formula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Qui:
- ΔV è la differenza nelle velocità degli strati di flusso del fluido;
- h – distanza tra gli strati di flusso del fluido;
- S – area della superficie dello strato di flusso del fluido;
- Μ (mu) - un coefficiente che dipende dalla proprietà del liquido, chiamato viscosità dinamica assoluta.
In unità SI, la formula è simile a questa:
µ=(Fa × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × secondo)
Qui F è la forza di gravità (peso) del volume unitario del fluido di lavoro.
Valore viscosità
Nella maggior parte dei casi, il coefficiente di viscosità dinamica è misurato in centipoise (cP) secondo il sistema di unità CGS (centimetro, grammo, secondo). In pratica la viscosità è legata al rapporto tra la massa di un liquido e il suo volume, cioè alla densità del liquido:
ρ=m / V
Qui:
- ρ – densità del liquido;
- m – massa di fluido;
- V è il volume del liquido.
La relazione tra viscosità dinamica (Μ) e densità (ρ) è chiamata viscosità cinematica ν (ν – in greco –nudo):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
A proposito, i metodi per determinare il coefficiente di viscosità sono diversi. Ad esempio, la viscosità cinematica è ancora misurata secondo il sistema CGS in centistokes (cSt) e in unità frazionarie - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Determinazione della viscosità dell'acqua
La viscosità dell'acqua è determinata misurando il tempo impiegato dal fluido per fluire attraverso un tubo capillare calibrato. Questo dispositivo è calibrato con un fluido standard di viscosità nota. Per determinare la viscosità cinematica, misurata in mm2/s, il tempo di flusso del fluido, misurato in secondi, viene moltiplicato per una costante.
L'unità di confronto è la viscosità dell'acqua distillata, il cui valore è pressoché costante anche al variare della temperatura. Il coefficiente di viscosità è il rapporto tra il tempo in secondi impiegato da un volume fisso di acqua distillata per defluire da un orifizio calibrato a quello del fluido da testare.
Viscosimetri
La viscosità è misurata in gradi Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") o gradi Redwood (°RJ) a seconda del tipo di viscosimetro utilizzato. I tre tipi di viscosimetro differiscono solo per la quantità di fluido che fuoriesce.
Viscosimetro che misura la viscosità nell'unità europea grado Engler (°E), calcolata200 cm3 mezzo liquido in uscita. Un viscosimetro che misura la viscosità in Saybolt Universal Seconds ("SUS" o "SSU" utilizzato negli USA) contiene 60 cm3 del fluido di prova. In Inghilterra, dove vengono utilizzati i gradi di sequoia (°RJ), il viscosimetro misura la viscosità di 50 cm3 di fluido. Ad esempio, se 200 cm3 di un certo olio scorre dieci volte più lentamente dello stesso volume d'acqua, la viscosità Engler è 10°E.
Poiché la temperatura è un fattore chiave nella modifica del coefficiente di viscosità, le misurazioni vengono generalmente eseguite prima a una temperatura costante di 20°C, quindi a valori più elevati. Il risultato è quindi espresso sommando la temperatura appropriata, ad esempio: 10°E/50°C o 2,8°E/90°C. La viscosità di un liquido a 20°C è maggiore della sua viscosità a temperature più elevate. Gli oli idraulici hanno le seguenti viscosità alle rispettive temperature:
190 cSt a 20°C=45,4 cSt a 50°C=11,3 cSt a 100°C.
Traduci valori
La determinazione del coefficiente di viscosità avviene in diversi sistemi (americano, inglese, GHS), e quindi spesso è necessario trasferire i dati da un sistema dimensionale all' altro. Per convertire i valori di viscosità del fluido espressi in gradi Engler in centistokes (mm2/s), utilizzare la seguente formula empirica:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Ad esempio:
- 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 determinare rapidamente la viscosità standard dell'olio idraulico, la formula può essere semplificata come segue:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Avere una viscosità cinematica ν in mm2/s o cSt, puoi convertirla in un coefficiente di viscosità dinamico Μ usando la seguente relazione:
M=ν × ρ
Esempio. Riassumendo le varie formule di conversione per gradi Engler (°E), centistokes (cSt) e centipoise (cP), supponiamo che un olio idraulico con una densità di ρ=910 kg/m3 abbia una viscosità cinematica di 12° E, che in unità di cSt è:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Perché 1cSt=10-6m2/s e 1cP=10-3N×s/m2, la viscosità dinamica sarà:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Fattore di viscosità del gas
È determinato dalla composizione (chimica, meccanica) del gas, dall'effetto della temperatura, dalla pressione e viene utilizzato nei calcoli gas-dinamici relativi al movimento del gas. In pratica, la viscosità dei gas viene presa in considerazione quando si progettano sviluppi di giacimenti di gas, dove le variazioni del coefficiente sono calcolate in base alle variazioni della composizione del gas (particolarmente importante per i giacimenti di gas condensato), della temperatura e della pressione.
Calcola la viscosità dell'aria. I processi saranno simili ai due flussi discussi sopra. Supponiamo che due flussi di gas U1 e U2 si muovano in parallelo, ma a velocità diverse. Tra gli strati si verificherà la convezione (penetrazione reciproca) delle molecole. Di conseguenza, lo slancio del flusso d'aria più veloce diminuirà e quello inizialmente più lento accelererà.
Il coefficiente di viscosità dell'aria, secondo la legge di Newton, è espresso dalla seguente formula:
FA=-h × (dU/dZ) × S
Qui:
- dU/dZ è il gradiente di velocità;
- S – area di impatto della forza;
- Coefficiente h - viscosità dinamica.
Indice di viscosità
L'indice di viscosità (VI) è un parametro che correla le variazioni di viscosità e temperatura. Una correlazione è una relazione statistica, in questo caso due grandezze, in cui una variazione di temperatura accompagna una variazione sistematica di viscosità. Maggiore è l'indice di viscosità, minore è la variazione tra i due valori, ovvero la viscosità del fluido di lavoro è più stabile al variare della temperatura.
Viscosità dell'olio
Le basi degli oli moderni hanno un indice di viscosità inferiore a 95-100 unità. Pertanto, negli impianti idraulici di macchine e apparecchiature, possono essere utilizzati fluidi di lavoro sufficientemente stabili, che limitano l'ampio cambiamento di viscosità in condizioni di temperature critiche.
Il coefficiente di viscosità "favorevole" può essere mantenuto introducendo nell'olio speciali additivi (polimeri) ottenuti durante la distillazione dell'olio. Aumentano l'indice di viscosità degli oli perconto di limitare il cambiamento di questa caratteristica nell'intervallo consentito. In pratica, con l'introduzione della quantità richiesta di additivi, il basso indice di viscosità dell'olio base può essere aumentato a 100-105 unità. Tuttavia, la miscela così ottenuta deteriora le sue proprietà ad alta pressione e carico termico, riducendo così l'efficacia dell'additivo.
Nei circuiti di potenza di potenti sistemi idraulici dovrebbero essere utilizzati fluidi di lavoro con un indice di viscosità di 100 unità. I fluidi di lavoro con additivi che aumentano l'indice di viscosità sono utilizzati nei circuiti di controllo idraulico e in altri sistemi operanti nel campo della bassa/media pressione, in un intervallo di temperatura limitato, con piccole perdite e nel funzionamento in batch. Con l'aumento della pressione, aumenta anche la viscosità, ma questo processo si verifica a pressioni superiori a 30,0 MPa (300 bar). In pratica, questo fattore è spesso trascurato.
Misurazione e indicizzazione
Secondo gli standard ISO internazionali, il coefficiente di viscosità dell'acqua (e di altri liquidi) è espresso in centistokes: cSt (mm2/s). Le misurazioni della viscosità degli oli di processo devono essere eseguite a temperature di 0°C, 40°C e 100°C. In ogni caso, nel codice del grado dell'olio, la viscosità deve essere indicata da una cifra alla temperatura di 40°C. In GOST, il valore della viscosità è dato a 50°C. Le qualità più comunemente utilizzate nell'idraulica ingegneristica vanno da ISO VG 22 a ISO VG 68.
Gli oli idraulici VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 a 40°C hanno valori di viscosità corrispondenti alla loro marcatura: 22, 32, 46, 68 e 100 cSt. Ottimalela viscosità cinematica del fluido di lavoro nei sistemi idraulici varia da 16 a 36 cSt.
L'American Society of Automotive Engineers (SAE) ha stabilito intervalli di viscosità a temperature specifiche e ha assegnato loro i codici appropriati. Il numero che segue la W è la viscosità dinamica assoluta Μ a 0°F (-17,7°C) e la viscosità cinematica ν è stata determinata a 212°F (100°C). Questa indicizzazione si applica agli oli per tutte le stagioni utilizzati nell'industria automobilistica (trasmissione, motore, ecc.).
Effetto della viscosità sull'idraulica
La determinazione del coefficiente di viscosità di un liquido non è solo di interesse scientifico e didattico, ma ha anche un importante valore pratico. Nei sistemi idraulici, i fluidi di lavoro non solo trasferiscono energia dalla pompa ai motori idraulici, ma lubrificano anche tutte le parti dei componenti e rimuovono il calore generato dalle coppie di attrito. La viscosità del fluido di lavoro che non è appropriata per la modalità operativa può compromettere seriamente l'efficienza di tutta l'idraulica.
L'elevata viscosità del fluido di lavoro (olio ad altissima densità) comporta i seguenti fenomeni negativi:
- L'aumento della resistenza al flusso del fluido idraulico provoca un'eccessiva caduta di pressione nel sistema idraulico.
- Decelerazione della velocità di controllo e dei movimenti meccanici degli attuatori.
- Sviluppo della cavitazione nella pompa.
- Rilascio d'aria zero o troppo basso dall'olio del serbatoio idraulico.
- Notevoleperdita di potenza (diminuzione dell'efficienza) dell'impianto idraulico a causa degli elevati costi energetici per superare l'attrito interno del fluido.
- Aumento della coppia del motore primo della macchina causato dall'aumento del carico della pompa.
- Aumento della temperatura del fluido idraulico dovuto all'aumento dell'attrito.
Quindi, il significato fisico del coefficiente di viscosità risiede nella sua influenza (positiva o negativa) sui componenti e sui meccanismi di veicoli, macchine e attrezzature.
Perdita di potenza idraulica
La bassa viscosità del fluido di lavoro (olio a bassa densità) porta ai seguenti fenomeni negativi:
- Diminuzione dell'efficienza volumetrica delle pompe a causa dell'aumento delle perdite interne.
- Aumento delle perdite interne nei componenti idraulici dell'intero sistema idraulico: pompe, valvole, distributori idraulici, motori idraulici.
- Maggiore usura delle unità pompanti e inceppamento delle pompe a causa della viscosità insufficiente del fluido di lavoro necessario per fornire la lubrificazione delle parti in sfregamento.
Comprimibilità
Qualsiasi liquido si comprime sotto pressione. Per quanto riguarda oli e refrigeranti utilizzati nell'idraulica meccanica, è stato empiricamente stabilito che il processo di compressione è inversamente proporzionale alla massa del liquido per volume. Il rapporto di compressione è più alto per gli oli minerali, significativamente più basso per l'acqua e molto più basso per i fluidi sintetici.
Nei sistemi idraulici semplici a bassa pressione, la comprimibilità del fluido ha un effetto trascurabile sulla riduzione del volume iniziale. Ma in macchine potenti con un'elevata idraulicapressione e grandi cilindri idraulici, questo processo si manifesta notevolmente. Per oli minerali idraulici a una pressione di 10,0 MPa (100 bar), il volume diminuisce dello 0,7%. Allo stesso tempo, la variazione del volume di compressione è leggermente influenzata dalla viscosità cinematica e dal tipo di olio.
Conclusione
La determinazione del coefficiente di viscosità consente di prevedere il funzionamento di apparecchiature e meccanismi in varie condizioni, tenendo conto dei cambiamenti nella composizione di un liquido o gas, pressione, temperatura. Inoltre, il controllo di questi indicatori è rilevante nel settore petrolifero e del gas, nei servizi pubblici e in altri settori.
