El coeficiente de viscosidad es un parámetro clave de un fluido o gas de trabajo. En términos físicos, la viscosidad se puede definir como la fricción interna provocada por el movimiento de las partículas que componen la masa de un medio líquido (gaseoso), o, más simplemente, la resistencia al movimiento.
¿Qué es la viscosidad?
El experimento empírico más simple para determinar la viscosidad: se vierte la misma cantidad de agua y aceite sobre una superficie lisa e inclinada al mismo tiempo. El agua se drena más rápido que el aceite. Ella es más fluida. Se evita que un aceite en movimiento se drene rápidamente debido a la mayor fricción entre sus moléculas (resistencia interna - viscosidad). Así, la viscosidad de un líquido es inversamente proporcional a su fluidez.
Relación de viscosidad: fórmula
De forma simplificada, el proceso de movimiento de un fluido viscoso en una tubería se puede considerar en forma de capas paralelas planas A y B con la misma superficie S, la distancia entre las cuales es h.
Estas dos capas (A y B) se mueven a diferentes velocidades (V y V+ΔV). La capa A, que tiene la velocidad más alta (V+ΔV), involucra a la capa B, que se mueve a una velocidad más baja (V). Al mismo tiempo, la capa B tiende a disminuir la velocidad de la capa A. El significado físico del coeficiente de viscosidad es que la fricción de las moléculas, que son la resistencia de las capas de flujo, forma una fuerza que Isaac Newton describió por el siguiente fórmula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Aquí:
- ΔV es la diferencia en las velocidades de las capas de flujo de fluido;
- h – distancia entre capas de flujo de fluido;
- S – superficie de la capa de flujo de fluido;
- Μ (mu) - un coeficiente que depende de la propiedad del líquido, llamado viscosidad dinámica absoluta.
En unidades SI, la fórmula se ve así:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × segundo)
Aquí F es la fuerza de gravedad (peso) de la unidad de volumen del fluido de trabajo.
Valor de viscosidad
En la mayoría de los casos, el coeficiente de viscosidad dinámica se mide en centipoises (cP) de acuerdo con el sistema de unidades CGS (centímetro, gramo, segundo). En la práctica, la viscosidad está relacionada con la relación entre la masa de un líquido y su volumen, es decir, con la densidad del líquido:
ρ=metro / V
Aquí:
- ρ – densidad del líquido;
- m – masa de fluido;
- V es el volumen de líquido.
La relación entre la viscosidad dinámica (Μ) y la densidad (ρ) se llama viscosidad cinemática ν (ν – en griego –desnudo):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Por cierto, los métodos para determinar el coeficiente de viscosidad son diferentes. Por ejemplo, la viscosidad cinemática todavía se mide de acuerdo con el sistema CGS en centistokes (cSt) y en unidades fraccionarias - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Determinación de la viscosidad del agua
La viscosidad del agua se determina midiendo el tiempo que tarda el fluido en fluir a través de un tubo capilar calibrado. Este dispositivo está calibrado con un fluido estándar de viscosidad conocida. Para determinar la viscosidad cinemática, medida en mm2/s, el tiempo de flujo del fluido, medido en segundos, se multiplica por una constante.
La unidad de comparación es la viscosidad del agua destilada, cuyo valor es casi constante incluso cuando cambia la temperatura. El coeficiente de viscosidad es la relación entre el tiempo en segundos que tarda un volumen fijo de agua destilada en salir de un orificio calibrado y el del fluido que se está probando.
Viscosímetros
La viscosidad se mide en grados Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") o grados Redwood (°RJ) según el tipo de viscosímetro utilizado. Los tres tipos de viscosímetros se diferencian únicamente en la cantidad de fluido saliendo.
Viscosímetro que mide la viscosidad en la unidad europea grado Engler (°E), calculado200cm3 medio líquido saliente. Un viscosímetro que mide la viscosidad en Saybolt Universal Seconds ("SUS" o "SSU" usado en los EE. UU.) contiene 60 cm3 del fluido de prueba. En Inglaterra, donde se utilizan los grados Redwood (°RJ), el viscosímetro mide la viscosidad de 50 cm3 fluido. Por ejemplo, si 200 cm3 de cierto aceite fluye diez veces más lento que el mismo volumen de agua, entonces la viscosidad de Engler es 10°E.
Debido a que la temperatura es un factor clave en el cambio del coeficiente de viscosidad, las mediciones generalmente se toman primero a una temperatura constante de 20 °C y luego a valores más altos. Así, el resultado se expresa sumando la temperatura adecuada, por ejemplo: 10°E/50°C o 2,8°E/90°C. La viscosidad de un líquido a 20 °C es mayor que su viscosidad a temperaturas más altas. Los aceites hidráulicos tienen las siguientes viscosidades a sus respectivas temperaturas:
190 cSt a 20 °C=45,4 cSt a 50 °C=11,3 cSt a 100 °C.
Traducir valores
La determinación del coeficiente de viscosidad ocurre en diferentes sistemas (americano, inglés, GHS) y, por lo tanto, a menudo es necesario transferir datos de un sistema dimensional a otro. Para convertir los valores de viscosidad de un fluido expresados en grados Engler a centistokes (mm2/s), utilice la siguiente fórmula empírica:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Por ejemplo:
- 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 rápidamente la viscosidad estándar del aceite hidráulico, la fórmula se puede simplificar de la siguiente manera:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Con una viscosidad cinemática ν en mm2/s o cSt, puede convertirla en un coeficiente de viscosidad dinámica Μ usando la siguiente relación:
M=ν × ρ
Ejemplo. Resumiendo las diversas fórmulas de conversión para grados Engler (°E), centistokes (cSt) y centipoises (cP), suponga que un aceite hidráulico con una densidad de ρ=910 kg/m3 tiene una viscosidad cinemática de 12° E, que en unidades de cSt es:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Porque 1cSt=10-6m2/s y 1cP=10-3N×s/m2, entonces la viscosidad dinámica será:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Factor de viscosidad del gas
Se determina por la composición (química, mecánica) del gas, el efecto de la temperatura, la presión y se utiliza en cálculos de dinámica de gas relacionados con el movimiento del gas. En la práctica, la viscosidad de los gases se tiene en cuenta al diseñar los desarrollos de campos de gas, donde los cambios de coeficiente se calculan según los cambios en la composición del gas (especialmente importante para los campos de gas condensado), la temperatura y la presión.
Calcular la viscosidad del aire. Los procesos serán similares alas dos corrientes discutidas anteriormente. Suponga que dos corrientes de gas U1 y U2 se mueven en paralelo, pero a diferentes velocidades. La convección (penetración mutua) de moléculas ocurrirá entre las capas. Como resultado, el impulso de la corriente de aire que se mueve más rápido disminuirá y el que inicialmente se mueve más lento se acelerará.
El coeficiente de viscosidad del aire, según la ley de Newton, se expresa mediante la siguiente fórmula:
F=-h × (dU/dZ) × S
Aquí:
- dU/dZ es el gradiente de velocidad;
- S – área de impacto de fuerza;
- Coeficiente h - viscosidad dinámica.
Índice de viscosidad
El índice de viscosidad (VI) es un parámetro que correlaciona los cambios en la viscosidad y la temperatura. Una correlación es una relación estadística, en este caso dos cantidades, en la que un cambio de temperatura acompaña a un cambio sistemático de viscosidad. Cuanto mayor sea el índice de viscosidad, menor será el cambio entre los dos valores, es decir, la viscosidad del fluido de trabajo es más estable con los cambios de temperatura.
Viscosidad del aceite
Las bases de los aceites modernos tienen un índice de viscosidad por debajo de 95-100 unidades. Por lo tanto, en los sistemas hidráulicos de máquinas y equipos, se pueden utilizar fluidos de trabajo suficientemente estables, que limitan el amplio cambio de viscosidad en condiciones de temperaturas críticas.
El coeficiente de viscosidad "favorable" se puede mantener introduciendo en el aceite aditivos especiales (polímeros) obtenidos durante la destilación del aceite. Aumentan el índice de viscosidad de los aceites paracuenta de limitar el cambio de esta característica en el intervalo permitido. En la práctica, con la introducción de la cantidad requerida de aditivos, el índice de baja viscosidad del aceite base se puede aumentar a 100-105 unidades. Sin embargo, la mezcla obtenida de esta manera deteriora sus propiedades a alta presión y carga térmica, lo que reduce la eficacia del aditivo.
En los circuitos de alimentación de potentes sistemas hidráulicos, se deben utilizar fluidos de trabajo con un índice de viscosidad de 100 unidades. Los fluidos de trabajo con aditivos que aumentan el índice de viscosidad se utilizan en circuitos de control hidráulico y otros sistemas que operan en el rango de baja / media presión, en un rango de temperatura limitado, con pequeñas fugas y en operación por lotes. Con el aumento de la presión, la viscosidad también aumenta, pero este proceso se produce a presiones superiores a 30,0 MPa (300 bar). En la práctica, este factor suele pasarse por alto.
Medición e indexación
De acuerdo con las normas internacionales ISO, el coeficiente de viscosidad del agua (y otros medios líquidos) se expresa en centistokes: cSt (mm2/s). Las mediciones de viscosidad de los aceites de proceso deben realizarse a temperaturas de 0 °C, 40 °C y 100 °C. En cualquier caso, en el código de grado de aceite, se debe indicar la viscosidad mediante una cifra a una temperatura de 40 °C. En GOST, el valor de la viscosidad se da a 50°C. Los grados más utilizados en la ingeniería hidráulica van desde ISO VG 22 hasta ISO VG 68.
Los aceites hidráulicos VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 a 40°C tienen valores de viscosidad correspondientes a su marcado: 22, 32, 46, 68 y 100 cSt. Óptimola viscosidad cinemática del fluido de trabajo en los sistemas hidráulicos oscila entre 16 y 36 cSt.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Automotrices (SAE) ha establecido rangos de viscosidad a temperaturas específicas y les ha asignado los códigos apropiados. El número que sigue a la W es la viscosidad dinámica absoluta Μ a 0 °F (-17,7 °C) y la viscosidad cinemática ν se determinó a 212 °F (100 °C). Esta indexación se aplica a los aceites para todas las estaciones utilizados en la industria automotriz (transmisión, motor, etc.).
Efecto de la viscosidad en la hidráulica
La determinación del coeficiente de viscosidad de un líquido no solo tiene interés científico y educativo, sino que también tiene un valor práctico importante. En los sistemas hidráulicos, los fluidos de trabajo no solo transfieren energía de la bomba a los motores hidráulicos, sino que también lubrican todas las partes de los componentes y eliminan el calor generado por los pares de fricción. La viscosidad del fluido de trabajo que no es apropiada para el modo de operación puede afectar seriamente la eficiencia de todos los sistemas hidráulicos.
La alta viscosidad del fluido de trabajo (aceite de muy alta densidad) conduce a los siguientes fenómenos negativos:
- La mayor resistencia al flujo del fluido hidráulico provoca una caída de presión excesiva en el sistema hidráulico.
- Deceleración de la velocidad de control y movimientos mecánicos de los actuadores.
- Desarrollo de cavitación en la bomba.
- Liberación de aire nula o demasiado baja del aceite del tanque hidráulico.
- Notablepérdida de potencia (disminución de la eficiencia) del sistema hidráulico debido a los altos costos de energía para superar la fricción interna del fluido.
- Par motor principal de la máquina aumentado debido al aumento de la carga de la bomba.
- Aumento de la temperatura del fluido hidráulico debido al aumento de la fricción.
Así, el significado físico del coeficiente de viscosidad radica en su influencia (positiva o negativa) sobre los componentes y mecanismos de vehículos, máquinas y equipos.
Pérdida de potencia hidráulica
La baja viscosidad del fluido de trabajo (aceite de baja densidad) conduce a los siguientes fenómenos negativos:
- Disminución de la eficiencia volumétrica de las bombas como resultado del aumento de las fugas internas.
- Aumento de fugas internas en los componentes hidráulicos de todo el sistema hidráulico: bombas, válvulas, distribuidores hidráulicos, motores hidráulicos.
- Mayor desgaste de las unidades de bombeo y atasco de las bombas debido a la viscosidad insuficiente del fluido de trabajo necesario para proporcionar la lubricación de las piezas en fricción.
Compresibilidad
Cualquier líquido se comprime bajo presión. Con respecto a los aceites y refrigerantes utilizados en ingeniería mecánica hidráulica, se ha establecido empíricamente que el proceso de compresión es inversamente proporcional a la masa del líquido por volumen. La relación de compresión es más alta para los aceites minerales, significativamente más baja para el agua y mucho más baja para los fluidos sintéticos.
En sistemas hidráulicos simples de baja presión, la compresibilidad del fluido tiene un efecto insignificante en la reducción del volumen inicial. Pero en máquinas potentes con alta hidráulicapresión y grandes cilindros hidráulicos, este proceso se manifiesta notablemente. Para aceites minerales hidráulicos a una presión de 10,0 MPa (100 bar), el volumen disminuye un 0,7 %. Al mismo tiempo, el cambio en el volumen de compresión se ve ligeramente afectado por la viscosidad cinemática y el tipo de aceite.
Conclusión
La determinación del coeficiente de viscosidad le permite predecir el funcionamiento de equipos y mecanismos en diversas condiciones, teniendo en cuenta los cambios en la composición de un líquido o gas, presión, temperatura. Además, el control de estos indicadores es relevante en el sector de petróleo y gas, servicios públicos y otras industrias.
