Klampumo koeficientas yra pagrindinis darbinio skysčio arba dujų parametras. Fizine prasme klampumą galima apibrėžti kaip vidinę trintį, kurią sukelia dalelių, sudarančių skystos (dujinės) terpės masę, judėjimas, arba, paprasčiau, pasipriešinimą judėjimui.
Kas yra klampumas
Paprasčiausias empirinis klampumo nustatymo eksperimentas: ant lygaus pasvirusio paviršiaus vienu metu pilamas toks pat vandens ir aliejaus kiekis. Vanduo nuteka greičiau nei aliejus. Ji yra skystesnė. Judančiai alyvai greitai nutekėti neleidžia didesnė trintis tarp jos molekulių (vidinė varža – klampumas). Taigi skysčio klampumas yra atvirkščiai proporcingas jo sklandumui.
Klampumo santykis: formulė
Supaprastinta forma klampaus skysčio judėjimo vamzdyne procesas gali būti nagrinėjamas plokščių lygiagrečių sluoksnių A ir B pavidalu, kurių paviršiaus plotas yra toks pat S, atstumas tarp kurių yra h.
Šie du sluoksniai (A ir B) juda skirtingu greičiu (V ir V+ΔV). A sluoksnis, kurio greitis didžiausias (V+ΔV), apima B sluoksnį, kuris juda mažesniu greičiu (V). Tuo pačiu metu sluoksnis B linkęs sulėtinti sluoksnio A greitį. Fizinė klampos koeficiento reikšmė yra ta, kad molekulių, kurios yra tekėjimo sluoksnių pasipriešinimas, trintis sudaro jėgą, kurią Isaacas Newtonas aprašė ši formulė:
F=µ × S × (ΔV/h)
Čia:
- ΔV yra skysčio srauto sluoksnių greičių skirtumas;
- h – atstumas tarp skysčio srauto sluoksnių;
- S – skysčio srauto sluoksnio paviršiaus plotas;
- Μ (mu) – koeficientas, priklausantis nuo skysčio savybių, vadinamas absoliučia dinamine klampa.
SI vienetais formulė atrodo taip:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekundė)
Čia F yra darbinio skysčio tūrio vieneto sunkio jėga (svoris).
Klampumo vertė
Daugeliu atvejų dinaminis klampos koeficientas matuojamas centipuais (cP) pagal CGS vienetų sistemą (centimetras, gramas, sekundė). Praktiškai klampumas yra susijęs su skysčio masės ir tūrio santykiu, ty su skysčio tankiu:
ρ=m / V
Čia:
- ρ – skysčio tankis;
- m – skysčio masė;
- V yra skysčio tūris.
Ryšys tarp dinaminės klampos (Μ) ir tankio (ρ) vadinamas kinematine klampa ν (ν – graikiškai –nuogas):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Beje, klampumo koeficiento nustatymo metodai yra skirtingi. Pavyzdžiui, kinematinė klampa vis dar matuojama pagal CGS sistemą centistokais (cSt) ir trupmeniniais vienetais – stokais (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Vandens klampumo nustatymas
Vandens klampumas nustatomas išmatuojant laiką, per kurį skystis prateka per kalibruotą kapiliarinį vamzdelį. Šis prietaisas kalibruojamas naudojant standartinį žinomos klampos skystį. Norint nustatyti kinematinę klampą, matuojamą mm2/s, skysčio tekėjimo laikas, matuojamas sekundėmis, dauginamas iš konstantos.
Palyginimo vienetas yra distiliuoto vandens klampumas, kurio reikšmė beveik pastovi net kintant temperatūrai. Klampumo koeficientas yra laiko sekundėmis, per kurį fiksuotas distiliuoto vandens tūris išteka iš kalibruotos angos, ir bandomojo skysčio tūrio santykis.
Viskasometrai
Klampumas matuojamas Englerio laipsniais (°E), Saybolt universaliosiomis sekundėmis ("SUS") arba raudonmedžio laipsniais (°RJ), priklausomai nuo naudojamo viskozimetro tipo. Trijų tipų viskozimetrai skiriasi tik skystis išteka.
Viskometras, matuojantis klampumą Europos vienetais Englerio laipsniais (°E), apskaičiuotas200cm3 ištekanti skysta terpė. Viskozimetras, matuojantis klampumą Saybolt Universal Seconds („SUS“arba „SSU“, naudojamas JAV), turi 60 cm3 bandomojo skysčio. Anglijoje, kur naudojami Redwood laipsnių (°RJ), viskozimetras matuoja 50 cm3 skysčio klampumą. Pavyzdžiui, jei 200 cm3 tam tikros alyvos teka dešimt kartų lėčiau nei toks pat vandens tūris, tai Englerio klampumas yra 10°E.
Kadangi temperatūra yra pagrindinis veiksnys keičiant klampos koeficientą, matavimai dažniausiai atliekami esant pastoviai 20°C temperatūrai, o vėliau esant didesnėms reikšmėms. Taigi rezultatas išreiškiamas pridedant atitinkamą temperatūrą, pavyzdžiui: 10°E/50°C arba 2,8°E/90°C. Skysčio klampumas 20°C temperatūroje yra didesnis nei jo klampumas aukštesnėje temperatūroje. Hidraulinių alyvų klampumas atitinkamoje temperatūroje yra toks:
190 cSt 20 °C temperatūroje=45,4 cSt 50 °C temperatūroje=11,3 cSt 100 °C temperatūroje.
Išversti vertes
Klampumo koeficientas nustatomas skirtingose sistemose (amerikietiškoje, angliškoje, GHS), todėl dažnai reikia perkelti duomenis iš vienos dimensijos sistemos į kitą. Norėdami konvertuoti skysčio klampumo vertes, išreikštas Englerio laipsniais į centistokes (mm2/s), naudokite šią empirinę formulę:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1 / °E3)
Pavyzdžiui:
- 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.
Norėdami greitai nustatyti standartinį hidraulinės alyvos klampumą, formulę galima supaprastinti taip:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Turėdami kinematinę klampą ν mm2/s arba cSt, galite ją konvertuoti į dinaminį klampos koeficientą Μ naudodami šį ryšį:
M=ν × ρ
Pavyzdys. Apibendrinant įvairias Englerio laipsnių (°E), centistokes (cSt) ir centipoise (cP) perskaičiavimo formules, tarkime, kad hidraulinė alyva, kurios tankis ρ=910 kg/m3 kinematinė klampa 12° E, kuri cSt vienetais yra:
ν=7,6 × 12 × (1–1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Nes 1cSt=10-6m2/s ir 1cP=10-3N×s/m2, tada dinaminis klampumas bus:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Dujų klampumo koeficientas
Jis nustatomas pagal dujų sudėtį (cheminę, mechaninę), temperatūros, slėgio poveikį ir naudojamas atliekant dujų dinaminius skaičiavimus, susijusius su dujų judėjimu. Praktikoje į dujų klampumą atsižvelgiama projektuojant dujų lauko plėtrą, kur koeficiento pokyčiai apskaičiuojami priklausomai nuo dujų sudėties (ypač svarbu dujų kondensato laukams), temperatūros ir slėgio pokyčių.
Apskaičiuokite oro klampumą. Procesai bus panašūs įdu aukščiau aptarti srautai. Tarkime, du dujų srautai U1 ir U2 juda lygiagrečiai, bet skirtingu greičiu. Tarp sluoksnių vyks molekulių konvekcija (abipusis įsiskverbimas). Dėl to greičiau judančio oro srauto impulsas sumažės, o iš pradžių judančio lėtesnis paspartės.
Oro klampos koeficientas pagal Niutono dėsnį išreiškiamas tokia formule:
F=-h × (dU/dZ) × S
Čia:
- dU/dZ yra greičio gradientas;
- S – jėgos poveikio zona;
- Koeficientas h – dinaminis klampumas.
Klampumo indeksas
Klampumo indeksas (VI) yra parametras, koreliuojantis klampos ir temperatūros pokyčius. Koreliacija yra statistinis ryšys, šiuo atveju du dydžiai, kai temperatūros pokytis lydi sistemingą klampos pasikeitimą. Kuo didesnis klampumo indeksas, tuo mažesnis pokytis tarp dviejų verčių, tai yra, darbinio skysčio klampumas yra stabilesnis keičiantis temperatūrai.
Alyvos klampumas
Šiuolaikinių alyvų bazių klampumo indeksas yra mažesnis nei 95–100 vienetų. Todėl mašinų ir įrenginių hidraulinėse sistemose gali būti naudojami pakankamai stabilūs darbiniai skysčiai, kurie riboja didelį klampos pokytį kritinės temperatūros sąlygomis.
„Palankų“klampos koeficientą galima išlaikyti į alyvą įvedant specialių priedų (polimerų), gautų distiliuojant aliejų. Jie padidina alyvų klampumo indeksąatsižvelgiant į šios charakteristikos kitimo ribojimą leistiname intervale. Praktiškai, įvedus reikiamą kiekį priedų, bazinės alyvos žemo klampumo indeksą galima padidinti iki 100-105 vnt. Tačiau tokiu būdu gautas mišinys pablogina savo savybes esant aukštam slėgiui ir šilumos apkrovai, todėl sumažėja priedo efektyvumas.
Galingų hidraulinių sistemų maitinimo grandinėse turėtų būti naudojami darbiniai skysčiai, kurių klampumo indeksas yra 100 vienetų. Darbiniai skysčiai su priedais, didinančiais klampumo indeksą, naudojami hidraulinėse valdymo grandinėse ir kitose sistemose, veikiančiose žemo / vidutinio slėgio diapazone, ribotame temperatūros diapazone, esant nedideliam nuotėkiui ir partijos režimu. Didėjant slėgiui, didėja ir klampumas, tačiau šis procesas vyksta esant didesniam nei 30,0 MPa (300 barų) slėgiui. Praktikoje šis veiksnys dažnai nepaisomas.
Matavimas ir indeksavimas
Pagal tarptautinius ISO standartus, vandens (ir kitų skystų terpių) klampos koeficientas išreiškiamas centistokais: cSt (mm2/s). Techninių alyvų klampumo matavimai turi būti atliekami 0°C, 40°C ir 100°C temperatūroje. Bet kokiu atveju alyvos klasės kode klampumas turi būti nurodytas skaičiumi esant 40 ° C temperatūrai. Pagal GOST klampumo vertė nurodyta 50°C temperatūroje. Inžinerinėje hidraulikoje dažniausiai naudojamos klasės – nuo ISO VG 22 iki ISO VG 68.
Hidraulinės alyvos VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40°C temperatūroje turi klampumo reikšmes, atitinkančias jų žymėjimą: 22, 32, 46, 68 ir 100 cSt. Optimalushidraulinėse sistemose darbinio skysčio kinematinė klampa svyruoja nuo 16 iki 36 cSt.
Amerikos automobilių inžinierių draugija (SAE) nustatė klampumo intervalus esant tam tikroms temperatūroms ir priskyrė jiems atitinkamus kodus. Skaičius, einantis po W, yra absoliuti dinaminė klampa Μ esant 0 °F (-17,7 °C), o kinematinė klampa ν nustatyta 212 °F (100 °C) temperatūroje. Šis indeksavimas taikomas visą sezoną naudojamoms alyvoms, naudojamoms automobilių pramonėje (transmisijos, variklio ir kt.).
Klampumo įtaka hidraulikai
Skysčio klampumo koeficiento nustatymas yra ne tik mokslinis ir edukacinis interesas, bet ir svarbi praktinė vertė. Hidraulinėse sistemose darbiniai skysčiai ne tik perduoda energiją iš siurblio į hidraulinius variklius, bet ir sutepa visas komponentų dalis bei pašalina iš trinties porų susidarančią šilumą. Darbinio skysčio klampumas, netinkamas darbo režimui, gali labai pabloginti visos hidraulinės sistemos efektyvumą.
Didelė darbinio skysčio klampa (labai didelio tankio alyva) sukelia šiuos neigiamus reiškinius:
- Padidėjęs pasipriešinimas hidraulinio skysčio srautui sukelia per didelį slėgio kritimą hidraulinėje sistemoje.
- Valdymo greičio ir mechaninių pavarų judesių lėtėjimas.
- Kavitacijos atsiradimas siurblyje.
- Nulis arba per mažas oro išleidimas iš hidraulinio bako alyvos.
- Pastebimashidraulikos galios praradimas (efektyvumo sumažėjimas) dėl didelių energijos sąnaudų siekiant įveikti vidinę skysčio trintį.
- Padidėjęs mašinos pagrindinės pavaros sukimo momentas dėl padidėjusios siurblio apkrovos.
- Hidraulinio skysčio temperatūros kilimas dėl padidėjusios trinties.
Taigi, fizinė klampos koeficiento reikšmė yra jo įtaka (teigiama ar neigiama) transporto priemonių, mašinų ir įrangos komponentams ir mechanizmams.
Hidraulinės galios praradimas
Mažas darbinio skysčio klampumas (mažo tankio alyva) sukelia tokius neigiamus reiškinius:
- Siurblių tūrinio efektyvumo sumažėjimas dėl didėjančio vidinio nuotėkio.
- Vidinių nuotėkių padidėjimas visos hidraulinės sistemos hidrauliniuose komponentuose – siurbliuose, vožtuvuose, hidrauliniuose skirstytuvuose, hidrauliniuose varikliuose.
- Padidėjęs siurbimo agregatų susidėvėjimas ir siurblių strigimas dėl nepakankamo darbinio skysčio klampumo, būtino besitrinančių dalių sutepimui.
Suspaudžiamumas
Bet koks skystis suspaudžiamas esant slėgiui. Kalbant apie alyvas ir aušinimo skysčius, naudojamus mechaninės inžinerijos hidraulikoje, empiriškai nustatyta, kad suspaudimo procesas yra atvirkščiai proporcingas skysčio masei tūryje. Mineralinių alyvų suspaudimo laipsnis yra didesnis, vandens – žymiai mažesnis, o sintetinių skysčių – daug mažesnis.
Paprastose žemo slėgio hidraulinėse sistemose skysčio suspaudžiamumas turi nedidelį poveikį pradinio tūrio sumažėjimui. Bet galingose mašinose su aukšta hidraulikaslėgis ir dideli hidrauliniai cilindrai, šis procesas pasireiškia pastebimai. Hidraulinėms mineralinėms alyvoms esant 10,0 MPa (100 barų) slėgiui, tūris sumažėja 0,7%. Tuo pačiu metu suspaudimo tūrio pokyčiui šiek tiek įtakos turi kinematinė klampumas ir alyvos rūšis.
Išvada
Klampumo koeficiento nustatymas leidžia numatyti įrangos ir mechanizmų veikimą įvairiomis sąlygomis, atsižvelgiant į skysčio ar dujų sudėties, slėgio, temperatūros pokyčius. Taip pat šių rodiklių kontrolė aktuali naftos ir dujų sektoriuje, komunalinėse ir kitose pramonės šakose.
