สัมประสิทธิ์ความหนืด ค่าสัมประสิทธิ์ของความหนืดแบบไดนามิก ความหมายทางกายภาพของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด

ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของของไหลที่ทำงานหรือก๊าซ ในแง่ทางกายภาพความหนืดอาจถูกกำหนดเป็นแรงเสียดทานภายในที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคซึ่งประกอบไปด้วยมวลของของเหลว (ก๊าซ) หรือมากกว่าความต้านทานต่อการเคลื่อนที่

ความหนืดคืออะไร?

ประสบการณ์เชิงประจักษ์ที่ง่ายที่สุดในการหาค่าความหนืด: น้ำที่ราบเรียบพร้อม ๆ กันเทลงบนพื้นผิวเรียบด้วยปริมาณน้ำและน้ำมันเท่ากัน ระบายน้ำได้เร็วกว่าน้ำมัน มันเป็นของเหลวมากขึ้น น้ำมันที่เคลื่อนย้ายได้ช่วยป้องกันการไหลเวียนของแรงเสียดทานระหว่างโมเลกุล (ความต้านทานภายใน - ความหนืด) อย่างรวดเร็ว ดังนั้นความหนืดของของเหลวจึงแปรผกผันกับความนุ่มนวลของมัน

สัมประสิทธิ์ความหนืด: สูตร

ในรูปแบบที่เรียบง่ายขั้นตอนการเคลื่อนที่ของของเหลวข้นหนืดในท่อสามารถพิจารณาในรูปแบบของชั้นขนานระนาบ A และ B ที่มีพื้นที่ผิวเดียวกัน S ซึ่งระยะห่างระหว่าง h คือ

ทั้งสองเลเยอร์ (A และ B) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน (V และ V + ΔV) ชั้น A ซึ่งมีความเร็วสูงสุด (V + ΔV) เกี่ยวข้องกับชั้น B ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ (V) ในขณะเดียวกันชั้น B มีแนวโน้มที่จะชะลอความเร็วของชั้น A. ความหมายทางกายภาพของสัมประสิทธิ์ความหนืดคือแรงเสียดทานของโมเลกุลที่เป็นตัวแทนของความต้านทานของชั้นการไหลเป็นแรงที่ Isaac Newton อธิบายโดยสูตรต่อไปนี้:

F = μ× S × (ΔV / h)

ที่นี่:

• ΔVคือความแตกต่างของความเร็วของการเคลื่อนที่ของชั้นการไหลของของไหล
• H คือระยะห่างระหว่างชั้นของการไหลของของไหล
• S คือพื้นที่ผิวของชั้นการไหลของของเหลว
• Μ (mu) เป็นสัมประสิทธิ์ที่ขึ้นอยู่กับ คุณสมบัติของของเหลว เรียกว่าความหนืดแบบไดนามิกแน่นอน

ในหน่วยของระบบ SI สูตรมีดังนี้:

Μ = (F × h) / (S ×ΔV) = [Pa × s] (Pascal × second)

ที่นี่ F คือแรงโน้มถ่วง (น้ำหนัก) ของปริมาตรหน่วยของของไหลทำงาน

ค่าความหนืด

ในกรณีส่วนใหญ่ค่าสัมประสิทธิ์ ความหนืดแบบไดนามิก จะวัดเป็น centipoises (cps) ตามระบบของหน่วย CGS (เซนติเมตร, กรัม, วินาที) ในทางปฏิบัติความหนืดมีความสัมพันธ์กันโดยอัตราส่วนของมวลของของเหลวต่อปริมาตรนั่นคือความหนาแน่นของของเหลว:

Ρ = m / V

ที่นี่:

• Ρคือความหนาแน่นของของเหลว
• M คือมวลของของเหลว
• V คือปริมาตรของของเหลว

ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดแบบไดนามิก (μ) และความหนาแน่น (ρ) เรียกว่าความหนืดไหว (kinematic viscosity) ν (ν - in Greek):

Ν = μ / ρ = [m ² / s]

วิธีการหาค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ค่าความหนืดของไคเนติก ยังคงวัดตามระบบ CGS ใน centistokes (cSt) และใน stolks (St):

• 1Cm = 10 ^-4 m ² / s = 1 cm ² / s;
• 1 cSt = 10 ^-6 m ² / s = 1 mm ² / s

การกำหนดความหนืดของน้ำ

ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของน้ำกำหนดโดยการวัดเวลาการไหลของของเหลวผ่านหลอดเส้นเลือดฝอยที่สอบเทียบแล้ว อุปกรณ์นี้มีการปรับเทียบโดยใช้ของเหลวมาตรฐานที่มีความหนืด เพื่อหาค่าความหนืดไหวที่วัดได้ที่มิลลิเมตรต่อวินาทีเวลาในการไหลของของเหลวซึ่งวัดเป็นวินาทีจะคูณด้วยค่าคงที่

เป็นหน่วยของการเปรียบเทียบความหนืดของน้ำกลั่นถูกนำมาใช้ค่าซึ่งเกือบจะคงที่แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดคืออัตราส่วนของเวลาเป็นวินาทีที่จำเป็นต้องมีปริมาตรของน้ำกลั่นที่จะไหลออกจากรูที่ปรับเทียบเพื่อให้มีค่าใกล้เคียงกันสำหรับของเหลวทดสอบ

viscometers

ความหนืดวัดได้ในองศา Engler (° E), Saybolt universal seconds ("SUS") หรือองศาเรดวู้ด (° RJ) ขึ้นอยู่กับชนิดของเครื่องวัดความหนืดที่ใช้เครื่องวัดความหนืดสามแบบแตกต่างกันไปในปริมาณของของเหลวที่ไหลออก

เครื่องวัดความหนืด (viscometer) วัดค่าความหนืดของหน่วยยุโรปคือองศา Engler (° E) ซึ่งคำนวณ ^จาก น้ำที่ไหลออก 200 ซม. เครื่องวัดความหนืด (viscosimeter) วัดค่าความหนืดในวินาที Saybolt สากล ("SUS หรือ" SSU ") ที่ใช้ในประเทศสหรัฐอเมริกามีน้ำทดสอบ 60 ซม. ³ ในประเทศอังกฤษที่มีการใช้เรดวู้ด (° RJ) เครื่องวัดความหนืดจะวัดความหนืด ^ของ ของเหลว 50 ซีซี ตัวอย่างเช่นถ้า 200 ซีซี ^ของ น้ำมันบางอย่างไหลช้ากว่า 10 เท่าของปริมาณน้ำที่เหมือนกันความหนืดของ Engler จะอยู่ที่ 10 องศาเซลเซียส

เนื่องจากอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดลดลงการวัดมักจะกระทำที่อุณหภูมิคงที่ 20 องศาเซลเซียสและอุณหภูมิที่สูงขึ้น ผลดังกล่าวแสดงด้วยการเพิ่มอุณหภูมิที่เหมาะสมตัวอย่างเช่น: 10 ° E / 50 ° C หรือ 2.8 ° E / 90 ° C ความหนืดของของเหลวที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสสูงกว่าความหนืดที่อุณหภูมิสูงกว่า น้ำมันไฮดรอลิกมีความหนืดต่อไปนี้ที่อุณหภูมิเหมาะสม:

190 cSt ที่ 20 ° C = 45.4 cSt ที่ 50 ° C = 11.3 cSt ที่ 100 ° C

การแปลความหมาย

การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ของความหนืดเกิดขึ้นในระบบต่างๆ (American, English, GHS) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแปลข้อมูลจากระบบหนึ่งมิติไปเป็นอีกระบบหนึ่ง ในการแปลค่าความหนืดของของเหลวที่แสดงในองศาของ Engler ไปยังเซนติเมตร (mm ² / s) ให้ใช้สูตรเชิงประจักษ์ต่อไปนี้:

Ν (cSt) = 7.6 ×° E × (1-1 / ° E3)

ตัวอย่างเช่น

• 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

เพื่อให้สามารถกำหนดค่าความหนืดมาตรฐานของน้ำมันไฮดรอลิคได้อย่างรวดเร็วสูตรดังกล่าวสามารถทำได้ง่ายขึ้นดังนี้

Ν (cSt) = 7.6 ×° E (มม. ² / s)

มีความหนืดไหวในมม. ² / s หรือ cSt สามารถแปลงเป็นค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิกμโดยใช้ความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

Μ = ν×ρ

ตัวอย่าง สรุปได้ว่าน้ำมันไฮดรอลิกที่มีความหนาแน่นρ = 910 กิโลกรัม / ลูกบาศก์เมตรมีความหนืดของไคเนติกเท่ากับ 12 องศาเซลเซียสซึ่งในหน่วย cSt คือ:

Ν = 7.6 × 12 × (1-1 / 123) = 91.2 × (0.99) = 90.3 มม. ² / วินาที

ตั้งแต่1π = 10 ^-6 m ² / s และ1π = 10 ^-3 N s / m ² ความหนืดแบบไดนามิกจะเท่ากับ:

Μ = ν×ρ = 90.3 × 10 ^-6 · 910 = 0.082 N × s / m ² = 82 cp

สัมประสิทธิ์ความหนืดของแก๊ส

(เคมีกล) ของก๊าซส่งผลต่ออุณหภูมิความดันและใช้ในการคำนวณแบบไดนามิกของก๊าซที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของก๊าซ ในทางปฏิบัติความหนืดของก๊าซจะถูกนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบการพัฒนาสนามก๊าซซึ่งจะมีการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของก๊าซ (โดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับสนามแก๊สคอนเดนเสท) อุณหภูมิและความดัน

คำนวณค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของอากาศ กระบวนการจะคล้ายคลึงกับสองสายน้ำที่กล่าวข้างต้น สมมติว่าทั้งสองไหลของก๊าซ U1 และ U2 เคลื่อนที่แบบคู่ขนาน แต่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน ระหว่างชั้นจะมีการหมุนเวียน (การทะลุผ่านกัน) ของโมเลกุล เป็นผลให้โมเมนตัมของการไหลของอากาศที่เคลื่อนย้ายได้จะลดลงเร็วขึ้นและการเคลื่อนที่ช้าลงจะเร่งขึ้น

ค่าสัมประสิทธิ์ของความหนืดของอากาศตาม กฎหมายของ Newton แสดงโดยสูตรต่อไปนี้:

F = -h × (dU / dZ) × S

ที่นี่:

• DU / dZ คือการไล่ระดับความเร็ว
• S คือแรงกระแทกพื้นที่;
• ค่าสัมประสิทธิ์ h คือความหนืดแบบไดนามิก

ดัชนีความหนืด

ดัชนีความหนืด (IV) เป็นพารามิเตอร์ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงความหนืดและอุณหภูมิ การพึ่งพาความสัมพันธ์เป็นความสัมพันธ์ทางสถิติในกรณีนี้สองปริมาณซึ่งการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความหนืดอย่างมีระบบ ดัชนีความหนืดที่สูงขึ้นการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองค่าที่เล็กลงนั่นคือความหนืดของของไหลทำงานจะมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป

ความหนืดของน้ำมัน

ที่ฐานของน้ำมันที่ทันสมัยดัชนีความหนืดน้อยกว่า 95-100 หน่วย ดังนั้นในระบบไฮโดรลิคของเครื่องจักรและอุปกรณ์สามารถใช้งานของเหลวที่มีเสถียรภาพเพียงพอสามารถ จำกัด การเปลี่ยนแปลงความหนืดได้ในอุณหภูมิที่สำคัญ

ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด "ดี" สามารถรักษาได้โดยการเติมสารพิเศษ (โพลิเมอร์) ลงในน้ำมันที่ได้จาก การกลั่นน้ำมัน พวกเขาเพิ่มดัชนีความหนืดของน้ำมันโดยการ จำกัด รูปแบบของลักษณะนี้ในช่วงที่อนุญาต ในทางปฏิบัติเมื่อมีการแนะนำปริมาณสารเติมแต่งที่ต้องการดัชนีความหนืดต่ำของน้ำมันพื้นฐานสามารถเพิ่มได้ถึง 100-105 หน่วย ในเวลาเดียวกันส่วนผสมที่ได้รับจึงเสื่อมสภาพคุณสมบัติภายใต้ความดันสูงและภาระความร้อนซึ่งจะช่วยลดประสิทธิภาพของสารเติมแต่ง

ในวงจรไฟฟ้าของระบบไฮดรอลิคที่มีประสิทธิภาพควรใช้งานของเหลวที่มีดัชนีความหนืด 100 หน่วย ของเหลวที่ใช้งานได้กับตัวปรับปรุงดัชนีความหนืดจะใช้ในวงจรควบคุมไฮดรอลิกและระบบอื่น ๆ ที่ทำงานในช่วงความดันต่ำ / ปานกลางในการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ จำกัด ด้วยการรั่วไหลขนาดเล็กและในโหมดแบทช์ ด้วยความดันที่เพิ่มขึ้นความหนืดก็เพิ่มขึ้น แต่กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่อแรงดันสูงกว่า 30.0 MPa (300 บาร์) ในทางปฏิบัติปัจจัยนี้มักถูกมองข้าม

การวัดและจัดทำดัชนี

ตามมาตรฐานสากล ISO ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของน้ำ (และของเหลวอื่น ๆ ) แสดงใน centistokes: cSt (mm ² / s) การวัดความหนืดของน้ำมันเครื่องควรทำที่อุณหภูมิ 0 ° C, 40 ° C และ 100 ° C ไม่ว่าในกรณีใดก็ตามในรหัสเกรดน้ำมันความหนืดควรระบุโดยรูปที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส ใน GOST ค่าความหนืดจะอยู่ที่ 50 ° C แบรนด์ที่นิยมใช้กันมากที่สุดในวิศวกรรมไฮโดรลิกตั้งแต่ ISO VG 22 ถึง ISO VG 68

น้ำมันไฮดรอลิค VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ที่ 40 ° C มีค่าความหนืดที่สอดคล้องกับเครื่องหมาย: 22, 32, 46, 68 และ 100 cSt ความหนืดไคเนชันที่ดีที่สุดของของไหลไฮดรอลิคในระบบไฮดรอลิคอยู่ในช่วง 16 ถึง 36 องศาเซลเซียส

สมาคมวิศวกรยานยนต์อเมริกัน (American Society of Automotive Engineers หรือ SAE) ได้กำหนดช่วงของการเปลี่ยนแปลงความหนืดที่อุณหภูมิเฉพาะและกำหนดรหัสที่เหมาะสมให้กับพวกเขา รูปที่ตามตัวอักษร W คือค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบสัมบูรณ์แบบสัมบูรณ์ที่ 0 ° F (-17.7 ° C) และความหนืดของไคเนติกνถูกกำหนดที่ 212 ° F (100 ° C) การจัดทำดัชนีนี้เกี่ยวข้องกับน้ำมันทุกฤดูกาลที่ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ (การส่งผ่านมอเตอร์ ฯลฯ )

ผลของความหนืดต่อการทำงานของระบบไฮโดรลิค

การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวไม่ได้เป็นเพียงความสนใจทางวิทยาศาสตร์และความรู้ความเข้าใจเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญในทางปฏิบัติที่สำคัญ ในระบบไฮดรอลิกของเหลวที่ทำงานไม่เพียงส่งผ่านพลังงานจากปั๊มไปยังมอเตอร์ไฮโดรลิกเท่านั้น แต่ยังหล่อลื่นส่วนประกอบทั้งหมดของส่วนประกอบและเปลี่ยนความร้อนจากคู่แรงเสียดทาน ความหนืดของของไหลที่ทำงานซึ่งไม่ตรงกับโหมดการทำงานอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบไฮโดรลิคทั้งหมด

ความหนืดสูงของของเหลวที่ทำงาน (น้ำมันมีความหนาแน่นสูงมาก) นำไปสู่ปรากฏการณ์ลบต่อไปนี้:

• ความต้านทานต่อการไหลของของเหลวไฮดรอลิกทำให้ความดันในระบบไฮดรอลิคลดลงมากเกินไป
• การชะลอตัวของความเร็วในการควบคุมและการเคลื่อนไหวเชิงกลของตัวกระตุ้น
• การพัฒนา cavitation ในปั๊ม
• ปล่อยอากาศเป็นศูนย์หรือต่ำเกินไปจากน้ำมันในถัง
• การสูญเสียพลังงานที่เห็นได้ชัด (ลดประสิทธิภาพ) ของไฮโดรลิคส์เนื่องจากต้นทุนพลังงานสูงเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานภายในของของเหลว
• แรงบิดที่เพิ่มขึ้นของเครื่องยนต์หลักของเครื่องเกิดจากการเพิ่มภาระของปั๊ม
• การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของของไหลไฮดรอลิคเกิดจากแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น

ดังนั้นความหมายทางกายภาพของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดอยู่ในอิทธิพล (บวกหรือลบ) บนโหนดและกลไกของยานพาหนะเครื่องจักรและอุปกรณ์

สูญเสียพลังงานไฮดรอลิก

ความหนืดต่ำของของไหลทำงาน (น้ำมันความหนาแน่นต่ำ) นำไปสู่ปรากฏการณ์เชิงลบดังต่อไปนี้:

• การลดลงของปริมาตรของเครื่องสูบน้ำอันเป็นผลมาจากการรั่วไหลภายในที่เพิ่มขึ้น
• เพิ่มการรั่วไหลภายในของชิ้นส่วนไฮดรอลิกของไฮดรอลิกทั้งปั๊มวาล์วไฮดรอลิกมอเตอร์ไฮดรอลิก
• เพิ่มการสึกหรอของชุดแกว่งและการติดขัดของปั๊มเนื่องจากความหนืดไม่เพียงพอของของเหลวที่ใช้ในการทำงานซึ่งจำเป็นต่อการหล่อลื่นชิ้นส่วนที่ถู

อัด

ของเหลวใด ๆ ภายใต้ความดันจะถูกบีบอัด ในแง่ของน้ำมันและสารหล่อเย็นที่ใช้ในระบบไฮโดรลิคในการสร้างเครื่องจักรนั้นจะเห็นได้ชัดว่ากระบวนการบีบอัดเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของของเหลวต่อปริมาตร ปริมาณของการบีบอัดสูงกว่าสำหรับน้ำมันแร่ลดลงมากสำหรับน้ำและลดลงมากสำหรับของเหลวสังเคราะห์

ในระบบไฮดรอลิคความดันต่ำแบบง่ายการอัดตัวของของเหลวจะส่งผลต่อการลดลงของปริมาตรเริ่มต้นเล็กน้อย แต่ในเครื่องจักรทรงพลังที่มีไฮดรอลิกแรงดันสูงและกระบอกสูบไฮดรอลิกขนาดใหญ่ขั้นตอนนี้แสดงออกอย่างเห็นได้ชัด ที่ น้ำมันแร่ ไฮโดรลิคที่ความดัน 10.0 MPa (100 บาร์) จะลดลง 0.7% ในเวลาเดียวกันความหนืดและชนิดน้ำมันมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรของการบีบอัดในระดับเล็ก ๆ

ข้อสรุป

การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ของความหนืดทำให้สามารถคาดเดาการทำงานของอุปกรณ์และกลไกต่างๆภายใต้เงื่อนไขที่ต่างกันโดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของของเหลวหรือแก๊สความดันอุณหภูมิ นอกจากนี้การตรวจสอบตัวชี้วัดเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องในภาคน้ำมันและก๊าซบริการเทศบาลและอุตสาหกรรมอื่น ๆ