ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดเป็นพารามิเตอร์หลักของของไหลทำงานหรือก๊าซ ในแง่กายภาพ ความหนืดสามารถกำหนดได้ว่าเป็นแรงเสียดทานภายในที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ประกอบเป็นมวลของตัวกลางที่เป็นของเหลว (ก๊าซ) หรือเรียกง่ายๆ ว่าความต้านทานการเคลื่อนที่
ความหนืดคืออะไร
การทดลองเชิงประจักษ์ที่ง่ายที่สุดในการพิจารณาความหนืด: เทน้ำและน้ำมันในปริมาณเท่ากันลงบนพื้นผิวลาดเอียงที่เรียบพร้อมๆ กัน น้ำไหลเร็วกว่าน้ำมัน เธอเป็นของเหลวมากขึ้น น้ำมันที่เคลื่อนที่ไม่สามารถระบายออกได้อย่างรวดเร็วโดยแรงเสียดทานที่สูงขึ้นระหว่างโมเลกุล (ความต้านทานภายใน - ความหนืด) ดังนั้นความหนืดของของเหลวจึงแปรผกผันกับความลื่นไหลของของเหลว
อัตราส่วนความหนืด: สูตร
ในรูปแบบง่าย กระบวนการเคลื่อนที่ของของไหลหนืดในท่อสามารถพิจารณาได้ในรูปของชั้นขนานแบน A และ B ที่มีพื้นที่ผิวเดียวกัน S โดยมีระยะห่างระหว่าง h
สองชั้น (A และ B) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน (V และ V+ΔV) เลเยอร์ A ซึ่งมีความเร็วสูงสุด (V+ΔV) เกี่ยวข้องกับเลเยอร์ B ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่า (V) ในเวลาเดียวกัน ชั้น B มีแนวโน้มที่จะชะลอความเร็วของชั้น A ความหมายทางกายภาพของสัมประสิทธิ์ความหนืดคือแรงเสียดทานของโมเลกุลซึ่งเป็นความต้านทานของชั้นการไหลทำให้เกิดแรงที่ไอแซกนิวตันอธิบายโดย สูตรต่อไปนี้:
F=µ × S × (ΔV/ชม.)
ที่นี่:
- ΔV คือความแตกต่างของความเร็วของชั้นการไหลของของไหล
- h – ระยะห่างระหว่างชั้นของการไหลของของไหล
- S – พื้นที่ผิวของชั้นการไหลของของเหลว
- Μ (mu) - สัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของของเหลว เรียกว่าความหนืดสัมบูรณ์แบบไดนามิก
ในหน่วย SI สูตรจะมีลักษณะดังนี้:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (ปาสกาล × วินาที)
ที่นี่ F คือแรงโน้มถ่วง (น้ำหนัก) ของปริมาตรหน่วยของของไหลทำงาน
ค่าความหนืด
ในกรณีส่วนใหญ่ ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดไดนามิกวัดเป็นเซนติพอยซ์ (cP) ตามระบบ CGS ของหน่วย (เซนติเมตร กรัม วินาที) ในทางปฏิบัติ ความหนืดสัมพันธ์กับอัตราส่วนของมวลของของเหลวต่อปริมาตร นั่นคือ ความหนาแน่นของของเหลว:
ρ=ม / V
ที่นี่:
- ρ – ความหนาแน่นของของเหลว
- m – มวลของของไหล;
- V คือปริมาตรของของเหลว
ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดไดนามิก (Μ) และความหนาแน่น (ρ) เรียกว่าความหนืดจลนศาสตร์ ν (ν – ในภาษากรีก –เปลือย):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
อย่างไรก็ตาม วิธีการหาค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดนั้นต่างกัน ตัวอย่างเช่น ความหนืดจลนศาสตร์ยังคงวัดตามระบบ CGS ในหน่วย centistokes (cSt) และหน่วยเศษส่วน - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 ซม.2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 มม.2/s.
การหาความหนืดของน้ำ
ความหนืดของน้ำถูกกำหนดโดยการวัดเวลาที่ของเหลวไหลผ่านท่อเส้นเลือดฝอยที่สอบเทียบแล้ว อุปกรณ์นี้ได้รับการสอบเทียบด้วยของเหลวมาตรฐานที่มีความหนืดที่ทราบ เพื่อตรวจสอบความหนืดจลนศาสตร์ วัดเป็น mm2/s เวลาการไหลของของเหลวที่วัดเป็นวินาทีจะถูกคูณด้วยค่าคงที่
หน่วยเปรียบเทียบคือความหนืดของน้ำกลั่น ค่าที่เกือบจะคงที่แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดคืออัตราส่วนของเวลาเป็นวินาทีที่ใช้ปริมาตรคงที่ของน้ำกลั่นเพื่อไหลออกจากปากที่ปรับเทียบแล้วไปยังของไหลที่กำลังทดสอบ
เครื่องวัดความหนืด
ความหนืดวัดเป็นองศา Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") หรือองศา Redwood (°RJ) ขึ้นอยู่กับชนิดของ viscometer ที่ใช้ โดย viscometer ทั้งสามประเภทต่างกันที่ปริมาณเท่านั้น ของเหลวไหลออกมา
Viscometer วัดความหนืดในหน่วยองศายุโรป Engler (°E) คำนวณ200cm3 สื่อของเหลวที่ไหลออก เครื่องวัดความหนืดที่วัดความหนืดใน Saybolt Universal Seconds ("SUS" หรือ "SSU" ที่ใช้ในสหรัฐอเมริกา) มี 60 cm3 ของของเหลวทดสอบ ในอังกฤษที่ใช้องศาเรดวูด (°RJ) เครื่องวัดความหนืดจะวัดความหนืด 50 ซม.3 ของเหลว ตัวอย่างเช่น ถ้า 200 cm3 ของน้ำมันไหลช้ากว่าน้ำในปริมาตรเดียวกันสิบเท่า ความหนืดของ Engler จะอยู่ที่ 10°E
เนื่องจากอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญในการเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด การวัดมักจะทำที่อุณหภูมิคงที่ที่ 20°C ก่อน แล้วจึงตามด้วยค่าที่สูงขึ้น ผลลัพธ์จึงแสดงออกมาโดยการเพิ่มอุณหภูมิที่เหมาะสม เช่น 10°E/50°C หรือ 2.8°E/90°C ความหนืดของของเหลวที่อุณหภูมิ 20°C สูงกว่าความหนืดที่อุณหภูมิสูงขึ้น น้ำมันไฮดรอลิกมีความหนืดดังต่อไปนี้ตามอุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง:
190 cSt ที่ 20°C=45.4 cSt ที่ 50°C=11.3 cSt ที่ 100°C
แปลค่า
การหาค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดเกิดขึ้นในระบบต่างๆ (อเมริกัน, อังกฤษ, GHS) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องถ่ายโอนข้อมูลจากระบบมิติหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่งบ่อยครั้ง ในการแปลงค่าความหนืดของของไหลที่แสดงเป็นองศา Engler เป็น centistokes (mm2/s) ให้ใช้สูตรเชิงประจักษ์ต่อไปนี้
ν(cSt)=7.6 × °E × (1-1/°E3)
ตัวอย่าง:
- 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.
เพื่อกำหนดความหนืดมาตรฐานของน้ำมันไฮดรอลิกอย่างรวดเร็ว สามารถปรับสูตรให้ง่ายขึ้นได้ดังนี้:
ν(cSt)=7.6 × °E(mm2/s)
มีความหนืดจลนศาสตร์ ν ในหน่วย mm2/s หรือ cSt คุณสามารถแปลงเป็นสัมประสิทธิ์ความหนืดไดนามิก Μ โดยใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้:
M=ν × ρ
ตัวอย่าง. สรุปสูตรการแปลงต่างๆ สำหรับองศา Engler (°E) เซนติสโตก (cSt) และเซนติพอยส์ (cP) สมมติว่าน้ำมันไฮดรอลิกที่มีความหนาแน่น ρ=910 กก./ม.3 มี ความหนืดจลนศาสตร์ของ 12° E ซึ่งในหน่วยของ cSt คือ:
ν=7.6 × 12 × (1-1/123)=91.2 × (0.99)=90.3 มม.2/s.
เพราะ 1cSt=10-6m2/s และ 1cP=10-3N×s/m2 จากนั้นความหนืดไดนามิกจะเป็น:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6 910=0.082 N×s/m2=82 cP.
ปัจจัยความหนืดของแก๊ส
มันถูกกำหนดโดยองค์ประกอบ (เคมี, กลไก) ของแก๊ส, ผลกระทบของอุณหภูมิ, ความดัน และใช้ในการคำนวณแบบไดนามิกของแก๊สที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของแก๊ส ในทางปฏิบัติ ความหนืดของก๊าซจะถูกนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบการพัฒนาแหล่งก๊าซ โดยที่การเปลี่ยนแปลงค่าสัมประสิทธิ์จะคำนวณขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของก๊าซ (สำคัญอย่างยิ่งต่อแหล่งก๊าซธรรมชาติ) อุณหภูมิและความดัน
คำนวณความหนืดของอากาศ. กระบวนการจะคล้ายกับทั้งสองสตรีมที่กล่าวถึงข้างต้น สมมติว่าสองกระแสก๊าซ U1 และ U2 เคลื่อนที่ขนานกัน แต่ด้วยความเร็วต่างกัน การพาความร้อน (mutual penetration) ของโมเลกุลจะเกิดขึ้นระหว่างชั้นต่างๆ ส่งผลให้โมเมนตัมของกระแสลมที่เคลื่อนที่เร็วขึ้นจะลดลง และกระแสลมที่เคลื่อนที่ช้าลงในตอนแรกจะเร็วขึ้น
สัมประสิทธิ์ความหนืดของอากาศตามกฎของนิวตันแสดงโดยสูตรต่อไปนี้:
F=-h × (dU/dZ) × S
ที่นี่:
- dU/dZ คือการไล่ระดับความเร็ว
- S – พื้นที่กระแทกแรง;
- สัมประสิทธิ์ h - ความหนืดไดนามิก
ดัชนีความหนืด
ดัชนีความหนืด (VI) เป็นพารามิเตอร์ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของความหนืดและอุณหภูมิ ความสัมพันธ์คือความสัมพันธ์ทางสถิติ ในกรณีนี้ ปริมาณสองปริมาณ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความหนืดอย่างเป็นระบบ ยิ่งดัชนีความหนืดสูงเท่าใด ค่าทั้งสองก็จะยิ่งเปลี่ยนแปลงน้อยลงเท่านั้น กล่าวคือ ความหนืดของของไหลทำงานจะมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง
ความหนืดของน้ำมัน
น้ำมันสมัยใหม่มีดัชนีความหนืดต่ำกว่า 95-100 หน่วย ดังนั้นในระบบไฮดรอลิกของเครื่องจักรและอุปกรณ์ สามารถใช้ของเหลวทำงานที่มีความเสถียรเพียงพอ ซึ่งจำกัดการเปลี่ยนแปลงในวงกว้างของความหนืดภายใต้สภาวะอุณหภูมิวิกฤต
"ดี" ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดสามารถคงไว้ได้โดยการแนะนำสารเติมแต่งพิเศษของน้ำมัน (พอลิเมอร์) ที่ได้จากการกลั่นน้ำมัน พวกเขาเพิ่มดัชนีความหนืดของน้ำมันสำหรับบัญชีของการจำกัดการเปลี่ยนแปลงของคุณลักษณะนี้ในช่วงเวลาที่อนุญาต ในทางปฏิบัติ ด้วยการแนะนำปริมาณสารเติมแต่งที่ต้องการ ดัชนีความหนืดต่ำของน้ำมันพื้นฐานสามารถเพิ่มเป็น 100-105 หน่วยได้ อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมที่ได้จากวิธีนี้จะทำให้คุณสมบัติของมันเสื่อมลงเมื่อได้รับแรงดันและความร้อนสูง ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของสารเติมแต่งลดลง
ในวงจรไฟฟ้าของระบบไฮดรอลิกอันทรงพลัง ควรใช้ของไหลทำงานที่มีดัชนีความหนืด 100 หน่วย น้ำยาทำงานที่มีสารเติมแต่งที่เพิ่มดัชนีความหนืดถูกใช้ในวงจรควบคุมไฮดรอลิกและระบบอื่นๆ ที่ทำงานในช่วงแรงดันต่ำ/ปานกลาง ในช่วงอุณหภูมิที่จำกัด โดยมีการรั่วเล็กน้อยและการทำงานเป็นชุด เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น ความหนืดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน แต่กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่แรงดันที่สูงกว่า 30.0 MPa (300 บาร์) ในทางปฏิบัติ ปัจจัยนี้มักถูกละเลย
การวัดและการจัดทำดัชนี
ตามมาตรฐาน ISO สากล ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของน้ำ (และตัวกลางที่เป็นของเหลวอื่นๆ) จะแสดงเป็นหน่วยเซนติสโตก: cSt (mm2/s) การวัดความหนืดของน้ำมันในกระบวนการควรดำเนินการที่อุณหภูมิ 0°C, 40°C และ 100°C ไม่ว่าในกรณีใด ในรหัสเกรดน้ำมัน ความหนืดจะต้องระบุด้วยตัวเลขที่อุณหภูมิ 40 ° C ใน GOST ค่าความหนืดจะได้รับที่ 50°C เกรดที่ใช้บ่อยที่สุดในระบบไฮดรอลิกส์ทางวิศวกรรมมีตั้งแต่ ISO VG 22 ถึง ISO VG 68
น้ำมันไฮดรอลิก VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ที่ 40°C มีค่าความหนืดที่สอดคล้องกับเครื่องหมาย: 22, 32, 46, 68 และ 100 cSt. เหมาะสมที่สุดความหนืดจลนศาสตร์ของของไหลทำงานในระบบไฮดรอลิกมีตั้งแต่ 16 ถึง 36 cSt.
สมาคมวิศวกรยานยนต์แห่งอเมริกา (SAE) ได้กำหนดช่วงความหนืดที่อุณหภูมิเฉพาะและกำหนดรหัสที่เหมาะสมให้กับพวกเขา ตัวเลขที่ตามหลัง W คือค่าความหนืดไดนามิกสัมบูรณ์ Μ ที่ 0°F (-17.7°C) และค่าความหนืดจลนศาสตร์ ν ถูกกำหนดที่ 212°F (100°C) ดัชนีนี้ใช้กับน้ำมันสำหรับทุกฤดูกาลที่ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ (เกียร์ มอเตอร์ ฯลฯ)
ผลของความหนืดต่อระบบไฮดรอลิกส์
การหาค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวไม่ได้เป็นเพียงความสนใจทางวิทยาศาสตร์และการศึกษาเท่านั้น แต่ยังมีคุณค่าในทางปฏิบัติที่สำคัญอีกด้วย ในระบบไฮดรอลิก สารทำงานไม่เพียงแต่ถ่ายเทพลังงานจากปั๊มไปยังมอเตอร์ไฮดรอลิกเท่านั้น แต่ยังหล่อลื่นทุกส่วนของส่วนประกอบและขจัดความร้อนที่เกิดจากคู่แรงเสียดทาน ความหนืดของของไหลทำงานที่ไม่เหมาะสมกับโหมดการทำงานอาจทำให้ประสิทธิภาพของระบบไฮดรอลิกส์ลดลงอย่างมาก
ของเหลวทำงานที่มีความหนืดสูง (น้ำมันที่มีความหนาแน่นสูงมาก) ทำให้เกิดปรากฏการณ์เชิงลบดังต่อไปนี้:
- การต้านทานการไหลของของไหลไฮดรอลิกที่เพิ่มขึ้นทำให้แรงดันตกมากเกินไปในระบบไฮดรอลิก
- การชะลอความเร็วของการควบคุมและการเคลื่อนไหวทางกลไกของแอคทูเอเตอร์
- การพัฒนาคาวิเทชั่นในปั๊ม
- ปล่อยอากาศจากน้ำมันถังไฮดรอลิกเป็นศูนย์หรือต่ำเกินไป
- สังเกตได้การสูญเสียพลังงาน (ประสิทธิภาพลดลง) ของระบบไฮดรอลิกส์เนื่องจากต้นทุนพลังงานสูงเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานภายในของของไหล
- แรงบิดของผู้เสนอญัตติของเครื่องจักรที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากภาระปั๊มที่เพิ่มขึ้น
- อุณหภูมิน้ำมันไฮดรอลิกสูงขึ้นเนื่องจากแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น
ดังนั้น ความหมายทางกายภาพของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจึงมีอิทธิพล (บวกหรือลบ) ที่มีต่อส่วนประกอบและกลไกของยานพาหนะ เครื่องจักรและอุปกรณ์
สูญเสียกำลังไฮดรอลิก
ความหนืดต่ำของของไหลทำงาน (น้ำมันที่มีความหนาแน่นต่ำ) ทำให้เกิดปรากฏการณ์เชิงลบดังต่อไปนี้:
- ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรของปั๊มลดลงเนื่องจากการรั่วภายในที่เพิ่มขึ้น
- การรั่วไหลภายในที่เพิ่มขึ้นในส่วนประกอบไฮดรอลิกของระบบไฮดรอลิกทั้งหมด - ปั๊ม วาล์ว ตัวจ่ายไฮดรอลิก มอเตอร์ไฮดรอลิก
- การสึกหรอของชุดปั๊มและการติดขัดของปั๊มที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากของเหลวทำงานมีความหนืดไม่เพียงพอซึ่งจำเป็นต่อการหล่อลื่นชิ้นส่วนการถู
การบีบอัด
ของเหลวใด ๆ ที่บีบอัดภายใต้ความกดดัน สำหรับน้ำมันและสารหล่อเย็นที่ใช้ในระบบไฮดรอลิกส์ทางวิศวกรรมเครื่องกล ได้มีการกำหนดโดยสังเกตได้ว่ากระบวนการอัดนั้นแปรผกผันกับมวลของของเหลวต่อปริมาตร อัตราการบีบอัดจะสูงกว่าสำหรับน้ำมันแร่ ต่ำกว่าสำหรับน้ำอย่างมาก และต่ำกว่ามากสำหรับน้ำมันสังเคราะห์
ในระบบไฮดรอลิกแรงดันต่ำอย่างง่าย ความสามารถในการอัดของของไหลมีผลกระทบเล็กน้อยต่อการลดปริมาตรเริ่มต้น แต่ในเครื่องจักรทรงพลังที่มีระบบไฮดรอลิกสูงแรงดันและกระบอกสูบไฮดรอลิกขนาดใหญ่ กระบวนการนี้แสดงออกอย่างเห็นได้ชัด สำหรับน้ำมันแร่ไฮดรอลิกที่ความดัน 10.0 MPa (100 บาร์) ปริมาตรจะลดลง 0.7% ในเวลาเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของปริมาตรการอัดจะได้รับผลกระทบเล็กน้อยจากความหนืดจลนศาสตร์และประเภทของน้ำมัน
สรุป
การหาค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดทำให้คุณสามารถทำนายการทำงานของอุปกรณ์และกลไกภายใต้สภาวะต่างๆ โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของของเหลวหรือก๊าซ ความดัน อุณหภูมิ นอกจากนี้ การควบคุมตัวชี้วัดเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องในภาคน้ำมันและก๊าซ สาธารณูปโภค และอุตสาหกรรมอื่นๆ