Viskositätskoeffizient ist ein Schlüsselparameter einer Arbeitsflüssigkeit oder eines Gases. Physikalisch lässt sich die Viskosität als die innere Reibung definieren, die durch die Bewegung von Partikeln verursacht wird, die die Masse eines flüssigen (gasförmigen) Mediums ausmachen, oder einfacher als der Widerstand gegen die Bewegung.
Was ist Viskosität
Der einfachste empirische Versuch zur Bestimmung der Viskosität: Auf eine glatte, geneigte Fläche werden gleichzeitig die gleiche Menge Wasser und Öl gegossen. Wasser läuft schneller ab als Öl. Sie ist flüssiger. Ein bewegtes Öl wird durch die höhere Reibung zwischen seinen Molekülen (Innenwiderstand - Viskosität) am schnellen Ablaufen gehindert. Somit ist die Viskosität einer Flüssigkeit umgekehrt proportional zu ihrer Fließfähigkeit.
Viskositätsverhältnis: Formel
Vereinfacht kann man sich den Bewegungsvorgang einer viskosen Flüssigkeit in einer Rohrleitung in Form von ebenen parallelen Schichten A und B mit gleicher Oberfläche S vorstellen, deren Abstand h. beträgt
Diese beiden Schichten (A und B) bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (V und V+ΔV). Schicht A, die die höchste Geschwindigkeit (V + ΔV) hat, betrifft Schicht B, die sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit (V) bewegt. Gleichzeitig neigt Schicht B dazu, die Geschwindigkeit von Schicht A zu verlangsamen. Die physikalische Bedeutung des Viskositätskoeffizienten besteht darin, dass die Reibung der Moleküle, die den Widerstand der Strömungsschichten darstellen, eine Kraft bildet, die Isaac Newton durch die beschrieben hat folgende Formel:
F=µ × S × (ΔV/h)
Hier:
- ΔV ist die Differenz der Geschwindigkeiten der Fluidströmungsschichten;
- h – Abstand zwischen den Flüssigkeitsschichten;
- S – Oberfläche der Fluidströmungsschicht;
- Μ (mu) - ein von der Eigenschaft der Flüssigkeit abhängiger Koeffizient, der als absolute dynamische Viskosität bezeichnet wird.
In SI-Einheiten sieht die Formel so aus:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × Sekunde)
Hier ist F die Schwerkraft (Gewicht) der Volumeneinheit des Arbeitsmediums.
Viskositätswert
In den meisten Fällen wird der dynamische Viskositätskoeffizient in Centipoise (cP) gemäß dem CGS-Einheitensystem (Zentimeter, Gramm, Sekunde) gemessen. In der Praxis bezieht sich die Viskosität auf das Verhältnis der Masse einer Flüssigkeit zu ihrem Volumen, also auf die Dichte der Flüssigkeit:
ρ=m / V
Hier:
- ρ – Flüssigkeitsdichte;
- m – Flüssigkeitsmasse;
- V ist das Flüssigkeitsvolumen.
Die Beziehung zwischen dynamischer Viskosität (Μ) und Dichte (ρ) nennt man kinematische Viskosität ν (ν – auf Griechisch –nackt):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Übrigens sind die Methoden zur Bestimmung des Viskositätskoeffizienten unterschiedlich. Beispielsweise wird die kinematische Viskosität nach dem CGS-System immer noch in Centistokes (cSt) und in gebrochenen Einheiten gemessen - Stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Bestimmung der Viskosität von Wasser
Die Viskosität von Wasser wird bestimmt, indem die Zeit gemessen wird, die eine Flüssigkeit benötigt, um durch ein kalibriertes Kapillarrohr zu fließen. Dieses Gerät wird mit einer Standardflüssigkeit bekannter Viskosität kalibriert. Zur Bestimmung der kinematischen Viskosität, gemessen in mm2/s, wird die Fließzeit des Fluids, gemessen in Sekunden, mit einer Konstanten multipliziert.
Die Vergleichseinheit ist die Viskosität von destilliertem Wasser, deren Wert auch bei Temperaturänderungen nahezu konstant ist. Der Viskositätskoeffizient ist das Verhältnis der Zeit in Sekunden, die ein festes Volumen destilliertes Wasser benötigt, um aus einer kalibrierten Öffnung zu fließen, zu der der zu testenden Flüssigkeit.
Viskosimeter
Die Viskosität wird je nach verwendetem Viskosimetertyp in Grad Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") oder Grad Redwood (°RJ) gemessen. Die drei Viskosimetertypen unterscheiden sich nur in der Menge an Flüssigkeit fließt heraus.
Viskosimeter zur Messung der Viskosität in der europäischen Einheit Grad Engler (°E), berechnet200cm3 ausströmendes flüssiges Medium. Ein Viskosimeter, das die Viskosität in Saybolt Universal Seconds ("SUS" oder "SSU", verwendet in den USA) misst, enthält 60 cm3 der Testflüssigkeit. In England, wo Redwood-Grade (°RJ) verwendet werden, misst das Viskosimeter die Viskosität von 50 cm3 Flüssigkeit. Fließen beispielsweise 200 cm3 eines bestimmten Öls zehnmal langsamer als die gleiche Wassermenge, dann beträgt die Engler-Viskosität 10°E.
Da die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Änderung des Viskositätskoeffizienten hat, wird üblicherweise zuerst bei einer konstanten Temperatur von 20°C und dann bei höheren Werten gemessen. Das Ergebnis wird also durch Addition der entsprechenden Temperatur ausgedrückt, zum Beispiel: 10°E/50°C oder 2,8°E/90°C. Die Viskosität einer Flüssigkeit bei 20°C ist höher als ihre Viskosität bei höheren Temperaturen. Hydrauliköle haben bei ihren jeweiligen Temperaturen folgende Viskositäten:
190 cSt bei 20°C=45,4 cSt bei 50°C=11,3 cSt bei 100°C.
Werte umrechnen
Die Bestimmung des Viskositätskoeffizienten erfolgt in unterschiedlichen Systemen (amerikanisch, englisch, GHS), daher ist es oft notwendig, Daten von einem Maßsystem in ein anderes zu übertragen. Um die in Grad Engler ausgedrückten Flüssigkeitsviskositätswerte in Centistokes (mm2/s) umzurechnen, verwenden Sie die folgende empirische Formel:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Zum Beispiel:
- 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.
Zur schnellen Bestimmung der Standardviskosität von Hydrauliköl kann die Formel wie folgt vereinfacht werden:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Wenn Sie eine kinematische Viskosität ν in mm2/s oder cSt haben, können Sie sie mit der folgenden Beziehung in einen dynamischen Viskositätskoeffizienten Μ umrechnen:
M=ν × ρ
Beispiel. Fassen wir die verschiedenen Umrechnungsformeln für Grad Engler (°E), Centistokes (cSt) und Centipoise (cP) zusammen und nehmen wir an, dass ein Hydrauliköl mit einer Dichte von ρ=910 kg/m3 hat eine kinematische Viskosität von 12° E, die in Einheiten von cSt ist:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Weil 1cSt=10-6m2/s und 1cP=10-3N×s/m2, dann ist die dynamische Viskosität:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gasviskositätsfaktor
Er wird durch die Zusammensetzung (chemisch, mechanisch) des Gases, die Wirkung von Temperatur und Druck bestimmt und wird in gasdynamischen Berechnungen in Bezug auf die Bewegung von Gas verwendet. In der Praxis wird die Viskosität von Gasen bei der Auslegung von Gasfeldentwicklungen berücksichtigt, wobei die Koeffizientenänderungen in Abhängigkeit von Änderungen der Gaszusammensetzung (besonders wichtig für Gaskondensatfelder), Temperatur und Druck berechnet werden.
Berechnen Sie die Viskosität von Luft. Die Prozesse werden ähnlich wie seindie beiden oben diskutierten Ströme. Angenommen, zwei Gasströme U1 und U2 bewegen sich parallel, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Zwischen den Schichten findet eine Konvektion (gegenseitiges Eindringen) von Molekülen statt. Dadurch nimmt der Impuls des sich schneller bewegenden Luftstroms ab und der zunächst langsamere beschleunigt sich.
Der Viskositätskoeffizient von Luft wird nach dem Newtonschen Gesetz durch die folgende Formel ausgedrückt:
F=-h × (dU/dZ) × S
Hier:
- dU/dZ ist der Geschwindigkeitsgradient;
- S – Krafteinwirkungsbereich;
- Koeffizient h - dynamische Viskosität.
Viskositätsindex
Viskositätsindex (VI) ist ein Parameter, der Änderungen in Viskosität und Temperatur korreliert. Eine Korrelation ist eine statistische Beziehung, in diesem Fall zwei Größen, bei der eine Temperaturänderung mit einer systematischen Viskositätsänderung einhergeht. Je höher der Viskositätsindex, desto geringer ist die Änderung zwischen den beiden Werten, d. h. die Viskosität des Arbeitsmediums ist bei Temperaturänderungen stabiler.
Ölviskosität
Die Grundlagen moderner Öle haben einen Viskositätsindex unter 95-100 Einheiten. Daher können in Hydrauliksystemen von Maschinen und Anlagen ausreichend stabile Arbeitsflüssigkeiten verwendet werden, die die starke Änderung der Viskosität unter Bedingungen kritischer Temperaturen begrenzen.
Der "günstige" Viskositätskoeffizient kann aufrechterh alten werden, indem dem Öl spezielle Additive (Polymere) zugesetzt werden, die bei der Destillation des Öls gewonnen werden. Sie erhöhen den Viskositätsindex von Ölen zBerücksichtigung der Begrenzung der Änderung dieser Eigenschaft im zulässigen Intervall. In der Praxis kann mit der Einführung der erforderlichen Menge an Additiven der niedrige Viskositätsindex des Grundöls auf 100-105 Einheiten erhöht werden. Die so erh altene Mischung verschlechtert jedoch ihre Eigenschaften bei hoher Druck- und Wärmebelastung, wodurch die Wirksamkeit des Additivs verringert wird.
In den Leistungskreisläufen leistungsfähiger Hydraulikanlagen sollten Arbeitsflüssigkeiten mit einem Viskositätsindex von 100 Einheiten verwendet werden. Arbeitsflüssigkeiten mit Zusätzen, die den Viskositätsindex erhöhen, werden in hydraulischen Steuerkreisen und anderen Systemen eingesetzt, die im Nieder-/Mitteldruckbereich, in einem begrenzten Temperaturbereich, bei kleinen Leckagen und im Chargenbetrieb arbeiten. Mit zunehmendem Druck nimmt auch die Viskosität zu, allerdings findet dieser Vorgang bei Drücken über 30,0 MPa (300 bar) statt. In der Praxis wird dieser Faktor oft vernachlässigt.
Messung und Indizierung
In Übereinstimmung mit internationalen ISO-Normen wird der Viskositätskoeffizient von Wasser (und anderen flüssigen Medien) in Centistokes ausgedrückt: cSt (mm2/s). Viskositätsmessungen von Prozessölen sollten bei Temperaturen von 0°C, 40°C und 100°C durchgeführt werden. In jedem Fall muss im Ölsortencode die Viskosität durch eine Zahl bei einer Temperatur von 40 ° C angegeben werden. In GOST wird der Viskositätswert bei 50°C angegeben. Die in der technischen Hydraulik am häufigsten verwendeten Sorten reichen von ISO VG 22 bis ISO VG 68.
Hydrauliköle VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 bei 40°C haben Viskositätswerte entsprechend ihrer Kennzeichnung: 22, 32, 46, 68 und 100 cSt. Optimaldie kinematische Viskosität des Arbeitsmediums in Hydrauliksystemen liegt zwischen 16 und 36 cSt.
Die American Society of Automotive Engineers (SAE) hat Viskositätsbereiche bei bestimmten Temperaturen festgelegt und ihnen die entsprechenden Codes zugewiesen. Die Zahl nach dem W ist die absolute dynamische Viskosität Μ bei 0°F (–17,7°C) und die kinematische Viskosität ν wurde bei 212°F (100°C) bestimmt. Diese Indexierung gilt für Ganzjahresöle, die in der Automobilindustrie (Getriebe, Motor usw.) verwendet werden.
Einfluss der Viskosität auf die Hydraulik
Die Bestimmung des Viskositätskoeffizienten einer Flüssigkeit ist nicht nur von wissenschaftlichem und pädagogischem Interesse, sondern hat auch einen wichtigen praktischen Wert. In Hydrauliksystemen übertragen Arbeitsflüssigkeiten nicht nur Energie von der Pumpe auf Hydraulikmotoren, sondern schmieren auch alle Teile der Komponenten und führen die entstehende Wärme aus den Reibpaaren ab. Eine der Betriebsart nicht angepasste Viskosität des Arbeitsmediums kann die Leistungsfähigkeit aller Hydrauliken stark beeinträchtigen.
Eine hohe Viskosität des Arbeitsmediums (Öl mit sehr hoher Dichte) führt zu folgenden negativen Erscheinungen:
- Erhöhter Strömungswiderstand der Hydraulikflüssigkeit verursacht einen übermäßigen Druckabfall im Hydrauliksystem.
- Verlangsamung der Steuergeschwindigkeit und der mechanischen Bewegungen der Stellglieder.
- Kavitationsentwicklung in der Pumpe.
- Keine oder zu geringe Luftabgabe aus Hydrauliktanköl.
- BemerkbarLeistungsverlust (Effizienzabfall) der Hydraulik durch hohe Energiekosten zur Überwindung der inneren Reibung der Flüssigkeit.
- Erhöhtes Drehmoment der Antriebsmaschine der Maschine, verursacht durch erhöhte Pumpenlast.
- Anstieg der Hydraulikflüssigkeitstemperatur durch erhöhte Reibung.
Die physikalische Bedeutung des Viskositätskoeffizienten liegt also in seinem Einfluss (positiv oder negativ) auf die Bauteile und Mechanismen von Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen.
Hydraulikleistungsverlust
Eine niedrige Viskosität des Arbeitsmediums (Öl niedriger Dichte) führt zu folgenden negativen Erscheinungen:
- Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrades von Pumpen durch zunehmende interne Leckage.
- Zunahme interner Leckagen in den Hydraulikkomponenten des gesamten Hydrauliksystems - Pumpen, Ventile, Hydraulikverteiler, Hydraulikmotoren.
- Erhöhter Verschleiß der Pumpeinheiten und Blockieren der Pumpen aufgrund unzureichender Viskosität der Arbeitsflüssigkeit, die zur Schmierung der reibenden Teile erforderlich ist.
Kompressibilität
Alle flüssigen Kompressen unter Druck. Bei Ölen und Kühlmitteln in der Maschinenbauhydraulik wurde empirisch festgestellt, dass der Verdichtungsvorgang umgekehrt proportional zur Masse der Flüssigkeit pro Volumen ist. Das Verdichtungsverhältnis ist bei Mineralölen höher, bei Wasser deutlich niedriger und bei synthetischen Flüssigkeiten viel niedriger.
In einfachen Niederdruck-Hydrauliksystemen hat die Kompressibilität der Flüssigkeit einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Reduzierung des Anfangsvolumens. Aber in leistungsstarken Maschinen mit hoher HydraulikDruck und großen Hydraulikzylindern macht sich dieser Vorgang deutlich bemerkbar. Bei hydraulischen Mineralölen mit einem Druck von 10,0 MPa (100 bar) nimmt das Volumen um 0,7 % ab. Gleichzeitig wird die Änderung des Kompressionsvolumens geringfügig von der kinematischen Viskosität und der Ölsorte beeinflusst.
Schlussfolgerung
Die Bestimmung des Viskositätskoeffizienten ermöglicht es Ihnen, den Betrieb von Geräten und Mechanismen unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen, wobei Änderungen in der Zusammensetzung einer Flüssigkeit oder eines Gases, des Drucks und der Temperatur berücksichtigt werden. Die Kontrolle dieser Indikatoren ist auch im Öl- und Gassektor, bei Versorgungsunternehmen und anderen Branchen relevant.
