O coeficiente de viscosidade é um parâmetro chave de um fluido ou gás de trabalho. Em termos físicos, a viscosidade pode ser definida como o atrito interno causado pelo movimento das partículas que compõem a massa de um meio líquido (gasoso), ou, mais simplesmente, a resistência ao movimento.
O que é viscosidade
A experiência empírica mais simples para determinar a viscosidade: a mesma quantidade de água e óleo são despejadas em uma superfície lisa e inclinada ao mesmo tempo. A água escoa mais rápido que o óleo. Ela é mais fluida. Um óleo em movimento é impedido de drenar rapidamente pelo maior atrito entre suas moléculas (resistência interna - viscosidade). Assim, a viscosidade de um líquido é inversamente proporcional à sua fluidez.
Relação de viscosidade: fórmula
De forma simplificada, o processo de movimento de um fluido viscoso em uma tubulação pode ser considerado na forma de camadas planas paralelas A e B com a mesma área superficial S, cuja distância entre elas é h.
Essas duas camadas (A e B) se movem em velocidades diferentes (V e V+ΔV). A camada A, que tem a velocidade mais alta (V+ΔV), envolve a camada B, que se move a uma velocidade mais baixa (V). Ao mesmo tempo, a camada B tende a diminuir a velocidade da camada A. O significado físico do coeficiente de viscosidade é que o atrito das moléculas, que são a resistência das camadas de fluxo, forma uma força que Isaac Newton descreveu pelo seguinte fórmula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Aqui:
- ΔV é a diferença nas velocidades das camadas de fluxo de fluido;
- h – distância entre as camadas de fluxo de fluido;
- S – área de superfície da camada de fluxo de fluido;
- Μ (mu) - um coeficiente que depende da propriedade do líquido, chamado de viscosidade dinâmica absoluta.
Em unidades do SI, a fórmula fica assim:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × segundo)
Aqui F é a força da gravidade (peso) da unidade de volume do fluido de trabalho.
Valor de viscosidade
Na maioria dos casos, o coeficiente de viscosidade dinâmica é medido em centipoise (cP) de acordo com o sistema de unidades CGS (centímetro, grama, segundo). Na prática, a viscosidade está relacionada à razão entre a massa de um líquido e seu volume, ou seja, a densidade do líquido:
ρ=m / V
Aqui:
- ρ – densidade do líquido;
- m – massa do fluido;
- V é o volume do líquido.
A relação entre viscosidade dinâmica (Μ) e densidade (ρ) é chamada de viscosidade cinemática ν (ν – em grego –nude):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
A propósito, os métodos para determinar o coeficiente de viscosidade são diferentes. Por exemplo, a viscosidade cinemática ainda é medida de acordo com o sistema CGS em centistokes (cSt) e em unidades fracionárias - Stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Determinação da viscosidade da água
A viscosidade da água é determinada medindo-se o tempo que o fluido leva para fluir através de um tubo capilar calibrado. Este dispositivo é calibrado com um fluido padrão de viscosidade conhecida. Para determinar a viscosidade cinemática, medida em mm2/s, o tempo de fluxo do fluido, medido em segundos, é multiplicado por uma constante.
A unidade de comparação é a viscosidade da água destilada, cujo valor é quase constante mesmo quando a temperatura muda. O coeficiente de viscosidade é a razão entre o tempo em segundos que um volume fixo de água destilada leva para sair de um orifício calibrado para o fluido que está sendo testado.
Viscômetros
A viscosidade é medida em graus Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") ou graus Redwood (°RJ), dependendo do tipo de viscosímetro usado. Os três tipos de viscosímetros diferem apenas na quantidade de fluido saindo.
viscosímetro medindo a viscosidade na unidade europeia grau Engler (°E), calculado200cm3 meio líquido de saída. Um viscosímetro que mede a viscosidade em Saybolt Universal Seconds ("SUS" ou "SSU" usado nos EUA) contém 60 cm3 do fluido de teste. Na Inglaterra, onde são usados graus Redwood (°RJ), o viscosímetro mede a viscosidade de 50 cm3 fluido. Por exemplo, se 200 cm3 de um certo óleo flui dez vezes mais devagar que o mesmo volume de água, então a viscosidade Engler é 10°E.
Como a temperatura é um fator chave na alteração do coeficiente de viscosidade, as medições geralmente são feitas primeiro a uma temperatura constante de 20°C e depois em valores mais altos. O resultado é assim expresso adicionando a temperatura apropriada, por exemplo: 10°E/50°C ou 2,8°E/90°C. A viscosidade de um líquido a 20°C é maior que sua viscosidade em temperaturas mais altas. Os óleos hidráulicos têm as seguintes viscosidades em suas respectivas temperaturas:
190 cSt a 20°C=45,4 cSt a 50°C=11,3 cSt a 100°C.
Traduzir valores
A determinação do coeficiente de viscosidade ocorre em diferentes sistemas (americano, inglês, GHS) e, portanto, muitas vezes é necessário transferir dados de um sistema dimensional para outro. Para converter os valores de viscosidade do fluido expressos em graus Engler para centistokes (mm2/s), use a seguinte fórmula empírica:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Por exemplo:
- 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.
Para determinar rapidamente a viscosidade padrão do óleo hidráulico, a fórmula pode ser simplificada da seguinte forma:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Tendo uma viscosidade cinemática ν em mm2/s ou cSt, você pode convertê-la em um coeficiente de viscosidade dinâmica Μ usando a seguinte relação:
M=ν × ρ
Exemplo. Resumindo as várias fórmulas de conversão para graus Engler (°E), centistokes (cSt) e centipoise (cP), suponha que um óleo hidráulico com densidade de ρ=910 kg/m3 tenha uma viscosidade cinemática de 12° E, que em unidades de cSt é:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Porque 1cSt=10-6m2/s e 1cP=10-3N×s/m2, então a viscosidade dinâmica será:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Fator de viscosidade do gás
É determinado pela composição (química, mecânica) do gás, o efeito da temperatura, pressão e é usado em cálculos gás-dinâmicos relacionados ao movimento do gás. Na prática, a viscosidade dos gases é levada em consideração ao projetar desenvolvimentos de campos de gás, onde as mudanças de coeficiente são calculadas dependendo das mudanças na composição do gás (especialmente importante para campos de condensado de gás), temperatura e pressão.
Calcule a viscosidade do ar. Os processos serão semelhantes aosas duas correntes discutidas acima. Suponha que duas correntes de gás U1 e U2 se movam em paralelo, mas com velocidades diferentes. A convecção (penetração mútua) de moléculas ocorrerá entre as camadas. Como resultado, o momento do fluxo de ar em movimento mais rápido diminuirá e o fluxo de ar inicialmente mais lento acelerará.
O coeficiente de viscosidade do ar, de acordo com a lei de Newton, é expresso pela seguinte fórmula:
F=-h × (dU/dZ) × S
Aqui:
- dU/dZ é o gradiente de velocidade;
- S – área de impacto da força;
- Coeficiente h - viscosidade dinâmica.
Índice de viscosidade
O índice de viscosidade (VI) é um parâmetro que correlaciona as mudanças de viscosidade e temperatura. Uma correlação é uma relação estatística, neste caso duas quantidades, na qual uma mudança na temperatura acompanha uma mudança sistemática na viscosidade. Quanto maior o índice de viscosidade, menor a variação entre os dois valores, ou seja, a viscosidade do fluido de trabalho é mais estável com as variações de temperatura.
viscosidade do óleo
As bases dos óleos modernos têm um índice de viscosidade abaixo de 95-100 unidades. Portanto, nos sistemas hidráulicos de máquinas e equipamentos podem ser utilizados fluidos de trabalho suficientemente estáveis, que limitam a grande mudança de viscosidade em condições de temperaturas críticas.
O coeficiente de viscosidade "favorável" pode ser mantido pela introdução no óleo de aditivos especiais (polímeros) obtidos durante a destilação do óleo. Aumentam o índice de viscosidade dos óleos paraconta de limitar a mudança desta característica no intervalo permitido. Na prática, com a introdução da quantidade necessária de aditivos, o baixo índice de viscosidade do óleo base pode ser aumentado para 100-105 unidades. No entanto, a mistura obtida desta forma deteriora suas propriedades em alta pressão e carga térmica, reduzindo assim a eficácia do aditivo.
Nos circuitos de potência de sistemas hidráulicos potentes, devem ser utilizados fluidos de trabalho com índice de viscosidade de 100 unidades. Fluidos de trabalho com aditivos que aumentam o índice de viscosidade são utilizados em circuitos de controle hidráulico e outros sistemas operando na faixa de baixa/média pressão, em faixa de temperatura limitada, com pequenos vazamentos e em operação em batelada. Com o aumento da pressão, a viscosidade também aumenta, mas esse processo ocorre em pressões acima de 30,0 MPa (300 bar). Na prática, esse fator é muitas vezes negligenciado.
Medição e indexação
De acordo com as normas internacionais ISO, o coeficiente de viscosidade da água (e outros meios líquidos) é expresso em centistokes: cSt (mm2/s). As medições de viscosidade de óleos de processo devem ser realizadas em temperaturas de 0°C, 40°C e 100°C. Em qualquer caso, no código do grau do óleo, a viscosidade deve ser indicada por um número a uma temperatura de 40 ° C. No GOST, o valor da viscosidade é dado a 50°C. Os graus mais comumente usados em engenharia hidráulica variam de ISO VG 22 a ISO VG 68.
Os óleos hidráulicos VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 a 40°C possuem valores de viscosidade correspondentes à sua marcação: 22, 32, 46, 68 e 100 cSt. Ótimoa viscosidade cinemática do fluido de trabalho em sistemas hidráulicos varia de 16 a 36 cSt.
A American Society of Automotive Engineers (SAE) estabeleceu faixas de viscosidade em temperaturas específicas e atribuiu a elas os códigos apropriados. O número após o W é a viscosidade dinâmica absoluta Μ a 0°F (-17,7°C) e a viscosidade cinemática ν foi determinada a 212°F (100°C). Esta indexação se aplica a óleos para todas as estações usados na indústria automotiva (transmissão, motor, etc.).
Efeito da viscosidade na hidráulica
A determinação do coeficiente de viscosidade de um líquido não é apenas de interesse científico e educacional, mas também carrega um importante valor prático. Nos sistemas hidráulicos, os fluidos de trabalho não apenas transferem energia da bomba para os motores hidráulicos, mas também lubrificam todas as partes dos componentes e retiram o calor gerado pelos pares de atrito. A viscosidade do fluido de trabalho que não é apropriada para o modo de operação pode prejudicar seriamente a eficiência de todo o sistema hidráulico.
Alta viscosidade do fluido de trabalho (óleo de densidade muito alta) leva aos seguintes fenômenos negativos:
- O aumento da resistência ao fluxo do fluido hidráulico causa uma queda de pressão excessiva no sistema hidráulico.
- Desaceleração da velocidade de controle e movimentos mecânicos dos atuadores.
- Desenvolvimento de cavitação na bomba.
- Liberação de ar zero ou muito baixa do óleo do tanque hidráulico.
- Perceptívelperda de potência (diminuição da eficiência) da hidráulica devido aos altos custos de energia para superar o atrito interno do fluido.
- Aumento do torque do motor principal da máquina causado pelo aumento da carga da bomba.
- Aumento da temperatura do fluido hidráulico devido ao aumento do atrito.
Assim, o significado físico do coeficiente de viscosidade está em sua influência (positiva ou negativa) nos componentes e mecanismos de veículos, máquinas e equipamentos.
Perda de potência hidráulica
Baixa viscosidade do fluido de trabalho (óleo de baixa densidade) leva aos seguintes fenômenos negativos:
- Diminuição da eficiência volumétrica das bombas como resultado do aumento do vazamento interno.
- Aumento de vazamentos internos nos componentes hidráulicos de todo o sistema hidráulico - bombas, válvulas, distribuidores hidráulicos, motores hidráulicos.
- Aumento do desgaste das unidades de bombeamento e bloqueio das bombas devido à viscosidade insuficiente do fluido de trabalho necessário para fornecer lubrificação das peças de atrito.
Compressibilidade
Qualquer líquido comprime sob pressão. No que diz respeito aos óleos e refrigerantes utilizados na engenharia mecânica hidráulica, foi estabelecido empiricamente que o processo de compressão é inversamente proporcional à massa do líquido por volume. A taxa de compressão é maior para óleos minerais, significativamente menor para água e muito menor para fluidos sintéticos.
Em sistemas hidráulicos simples de baixa pressão, a compressibilidade do fluido tem efeito desprezível na redução do volume inicial. Mas em máquinas potentes com altapressão e grandes cilindros hidráulicos, este processo se manifesta visivelmente. Para óleos minerais hidráulicos a uma pressão de 10,0 MPa (100 bar), o volume diminui em 0,7%. Ao mesmo tempo, a mudança no volume de compressão é levemente afetada pela viscosidade cinemática e pelo tipo de óleo.
Conclusão
A determinação do coeficiente de viscosidade permite prever o funcionamento de equipamentos e mecanismos sob várias condições, levando em consideração as mudanças na composição de um líquido ou gás, pressão, temperatura. Além disso, o controle desses indicadores é relevante no setor de óleo e gás, utilities e outras indústrias.
