Что такое кинематическая вязкость?

    Кинематическая вязкость — это мера внутреннего сопротивления жидкости течению под действием гравитационных сил. Его определяют путем измерения времени в секундах, необходимого для того, чтобы фиксированный объем жидкости прошел известное расстояние под действием силы тяжести через капилляр внутри калиброванного вискозиметра при строго контролируемой температуре.

    Это значение преобразуется в стандартные единицы, такие как сантистоксы (сСт) или квадратные миллиметры в секунду. Отчет о вязкости действителен только в том случае, если также указана температура, при которой проводилось испытание - например, 23 сСт при 40 градусах C.

     Из всех тестов, используемых для анализа отработанного масла, ни один не обеспечивает лучшую повторяемость или стабильность результатов, чем определение вязкости. Аналогично, нет свойства, более важного для эффективной смазки компонентов, чем вязкость базового масла. Однако вязкость — это нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Вязкость можно измерять и сообщать как динамическую (абсолютную) вязкость или как кинематическую вязкость. Эти два понятия легко спутать, но они существенно различаются.

    Большинство лабораторий по анализу использованных масел измеряют и сообщают о кинематической вязкости. Напротив, большинство вискозиметров, устанавливаемых на месте, измеряют динамическую вязкость, но запрограммированы на оценку и отчетность о кинематической вязкости, так что сообщаемые измерения вязкости отражают кинематические числа, сообщаемые большинством лабораторий и поставщиков смазочных масел.

    Учитывая важность анализа вязкости в сочетании с растущей популярностью приборов для анализа нефти на месте эксплуатации, используемых для проверки и дополнения лабораторного анализа нефти за пределами площадки, очень важно, чтобы аналитики нефти понимали разницу между измерениями динамической и кинематической вязкости.

    Вообще говоря, вязкость — это сопротивление жидкости течению (напряжение сдвига) при заданной температуре. Иногда вязкость ошибочно называют толщиной (или весом). Вязкость не является мерой размеров, поэтому называть высоковязкое масло толстым и менее вязкое масло тонким вводит в заблуждение.

    Аналогичным образом, бессмысленно сообщать о вязкости для целей отслеживания тенденций без привязки к температуре. Необходимо определить температуру для интерпретации показаний вязкости. Обычно вязкость указывается при 40°C и/или 100°C или при обеих, если требуется индекс вязкости.

Кинематическое уравнение вязкости

    Для выражения вязкости используется несколько технических единиц, но наиболее распространенными на сегодняшний день являются сантистокс (сСт) для кинематической вязкости и сантипуаз (сП) для динамической (абсолютной) вязкости. Кинематическая вязкость в сСт при 40°C является основой системы классификации кинематической вязкости ИСО 3448, что делает ее международным стандартом. Другие распространенные системы кинематической вязкости, такие как универсальная секундная система Сэйболт (СУС) и система классификации САЭ, могут быть связаны с измерением вязкости в сСт при 40°C или 100°C.

Измерение кинематической вязкости

    Кинематическая вязкость измеряется путем учета времени, которое требуется маслу для прохождения через отверстие капилляра под действием силы тяжести (рис. 1). Отверстие трубки кинематического вискозиметра создает фиксированное сопротивление потоку. Доступны капилляры разных размеров для поддержки жидкостей различной вязкости.

    Время, необходимое жидкости для прохождения через капиллярную трубку, можно преобразовать в кинематическую вязкость, используя простую калибровочную константу, предусмотренную для каждой трубки. Доминирующей процедурой измерения кинематической вязкости является АСТМ D445, которую часто модифицируют в лабораториях по анализу отработанного масла, чтобы сэкономить время и сделать тестовые измерения более эффективными.

Рисунок 1. Капиллярный вискозиметр с U-образной трубкой. 

Измерение динамической вязкости (абсолютной вязкости)

    Динамическая вязкость измеряется как сопротивление потоку, когда внешняя и контролируемая сила (насос, воздух под давлением и т. д.) проталкивает масло через капилляр (АСТМ D4624) или когда тело проталкивается через жидкость под действием внешней и контролируемой силы, такой как шпиндель, приводимый в движение двигателем. В любом случае измеряется сопротивление потоку (или сдвигу) как функция приложенной силы, что отражает внутреннее сопротивление образца приложенной силе или его динамическую вязкость.

    Существует несколько типов и вариантов исполнения абсолютных вискозиметров. Ротационный метод Брукфилда, изображенный на рисунке 2, является наиболее распространенным. Измерение абсолютной вязкости использовалось для исследовательских целей, контроля качества и анализа смазок в области смазывания машин.

Рисунок 2. Роторный вискозиметр АСТМ D2983. 

    Процедуры тестирования динамической вязкости в лаборатории традиционным методом Брукфилда определены АСТМ D2983, D6080 и другими. Однако динамическая вязкость становится все более распространенным явлением в области анализа отработанного масла, поскольку большинство вискозиметров, продаваемых сегодня на рынке, измеряют динамическую вязкость, а не кинематическую вязкость. 

    Вообще говоря, кинематическая вязкость (сСт) связана с абсолютной вязкостью (сП) как функцией удельного веса жидкости (СГ) в соответствии с уравнениями на рисунке 3.

Рисунок 3. Уравнения вязкости 

    Какими бы простыми и элегантными ни выглядели эти уравнения, они справедливы только для так называемых ньютоновских жидкостей. Кроме того, удельный вес жидкости должен оставаться постоянным в течение периода тренда. Ни одно из этих условий нельзя считать постоянным при анализе отработанного масла, поэтому аналитик должен знать об условиях, при которых могут возникнуть отклонения.

Кинематическая вязкость: ньютоновские и неньютоновские жидкости

    Ньютоновская жидкость — это жидкость, которая сохраняет постоянную вязкость при всех скоростях сдвига (напряжение сдвига линейно зависит от скорости сдвига). Эти жидкости называются ньютоновскими, потому что они следуют оригинальной формуле, установленной сэром Исааком Ньютоном в его «Законе механики жидкости». Однако некоторые жидкости ведут себя иначе. В общем, их называют неньютоновскими жидкостями. К ньютоновским жидкостям относятся газы, вода, масло, бензин и спирт.

    Группа неньютоновских жидкостей, называемых тиксотропными, представляет особый интерес для анализа отработанного масла, поскольку вязкость тиксотропных жидкостей уменьшается с увеличением скорости сдвига. Вязкость тиксотропной жидкости увеличивается по мере уменьшения скорости сдвига. Для тиксотропных жидкостей время схватывания может увеличить кажущуюся вязкость, как и в случае с консистентной смазкой. Примеры неньютоновских жидкостей включают:

• Жидкости, загущающиеся при сдвиге: вязкость увеличивается по мере увеличения скорости сдвига. Например, кукурузный крахмал, если его поместить в воду и размешать, со временем становится гуще.

• Жидкости, разжижающие сдвиг: вязкость снижается по мере увеличения скорости сдвига. Краска для стен – хороший тому пример. Когда вы размешиваете краску, она становится более жидкой.

• Тиксотропные жидкости: при взбалтывании становятся менее вязкими. Типичными примерами этого являются томатный кетчуп и йогурт. После встряхивания они становятся более жидкими. Когда их оставляют в покое, они возвращаются в гелеобразное состояние.

• Реопектические жидкости: при взбалтывании становятся более вязкими. Типичным примером этого являются чернила для принтера.

Кинематическая вязкость: практический пример

    Представьте, что перед вами две банки – одна наполнена майонезом, другая наполнена медом. Прикрепив обе банки к поверхности стола с помощью липучки, представьте, что вы погружаете одинаковые ножи для масла в каждую из жидкостей под одним и тем же углом и на одну и ту же глубину. Представьте, что вы перемешиваете две жидкости, вращая ножи с одинаковой скоростью, сохраняя при этом одинаковый угол атаки.

    Какую из двух жидкостей было труднее перемешать? Ваш ответ — мед, который размешать гораздо сложнее, чем майонез. Теперь представьте, что вы отстегиваете банки от застежек-липучек на столе и переворачиваете банки на бок. Что быстрее вытечет из банки: мед или майонез? Ваш ответ должен быть мед; майонез вообще не потечет, если перевернуть банку набок.

    Какая жидкость более вязкая: мед или майонез? Если вы сказали «майонез», вы правы… хотя бы частично. Точно так же, если вы сказали «милая», вы частично правы. Причина кажущейся аномалии в том, что при вращении ножа в обоих веществах скорость сдвига меняется, тогда как поворот каждой банки на бок просто измеряет статическое сопротивление потоку.

    Поскольку мед является ньютоновской жидкостью, а майонез неньютоновской, вязкость майонеза падает по мере увеличения скорости сдвига или при вращении ножа. Перемешивание подвергает майонез высокому напряжению сдвига, заставляя его поддаваться силовому воздействию. И наоборот, если просто поставить банку на бок, майонез подвергается низкому напряжению сдвига, что приводит к незначительному изменению вязкости или к его полному отсутствию, поэтому он имеет тенденцию оставаться в банке.

    Традиционно невозможно измерить вязкость неньютоновской жидкости. Скорее, необходимо измерить кажущуюся вязкость, которая учитывает скорость сдвига, при которой производилось измерение вязкости. (См. рисунок 4). Подобно тому, как измерения вязкости не имеют смысла, если не указана температура испытания, измерения кажущейся вязкости не имеют смысла, пока не сообщаются температура испытания и скорость сдвига.

    Например, вязкость смазки никогда не указывается, а указывается кажущаяся вязкость смазки в сантипуазах (сП). (Примечание: вязкость может указываться для базового масла, используемого для изготовления смазки, но не для готового продукта.)

    Вообще говоря, жидкость является неньютоновской, если она состоит из одного вещества, взвешенного (но не растворенного химически) в жидкости-хозяине. Для этого существуют две основные категории: эмульсии и коллоидные суспензии. Эмульсия – это стабильное физическое сосуществование двух несмешивающихся жидкостей. Майонез — это обычная неньютоновская жидкость, состоящая из яиц, эмульгированных в масло, жидкость-хозяин. Поскольку майонез неньютоновский, его вязкость изменяется при приложении силы, что позволяет легко намазываться.

    Коллоидная суспензия состоит из твердых частиц, стабильно суспендированных в жидкости-хозяине. Многие краски представляют собой коллоидную суспензию. Если бы краска была ньютоновской, она либо легко растекалась бы, но растекалась бы, если вязкость низкая, либо растекалась бы с большим трудом и оставляла следы кисти, но не растекалась бы, если вязкость высокая.

    Поскольку краска неньютоновская, ее вязкость снижается под действием кисти, но возвращается, когда кисть убирают. В результате краска относительно легко распределяется, но не оставляет следов кисти и не течет.

Динамическая и кинематическая вязкость: в чем разница

    Динамическая вязкость определяет толщину пленки масла. Кинематическая вязкость — это просто удобная попытка оценить степень толщины пленки, которую может обеспечить масло, но она имеет меньшее значение, если масло неньютоновское.

Многие составы и условия смазочных материалов приводят к образованию неньютоновской жидкости, в том числе:

• Присадки, улучшающие индекс вязкости (VI). Всесезонные моторные масла на минеральной основе (за исключением базовых масел с естественным высоким индексом вязкости) содержат упругую присадку, которая уплотняется при низких температурах и расширяется при высоких температурах в ответ на повышение растворяющей способности жидкости. Поскольку эта молекула присадки отличается от молекул основного масла, она ведет себя неньютоновским образом.

• Загрязнение воды. Нефть и свободная вода не смешиваются, во всяком случае химически. Но при определенных обстоятельствах они объединятся, образуя эмульсию, очень похожую на майонез, о котором говорилось ранее. Любой, кто видел масло, похожее на кофе со сливками, может подтвердить этот факт. Хотя это может показаться нелогичным, но загрязнение воды при эмульгировании в масло фактически увеличивает кинематическую вязкость.

• Побочные продукты термического и окислительного разложения. Многие побочные продукты термического и окислительного разложения нерастворимы, но переносятся маслом в стабильной суспензии. Эти приостановки создают неньютоновское поведение.

• Сажа. Часто встречающаяся в дизельных двигателях сажа представляет собой частицу, образующую коллоидную суспензию в масле. Диспергирующая присадка к маслу, предназначенная для предотвращения агломерации и роста частиц сажи, способствует образованию коллоидной суспензии.

  
  

    Если бы кто-то измерял абсолютную вязкость одной из этих часто встречающихся эмульсий или коллоидов, описанных выше, с помощью абсолютного вискозиметра с переменной скоростью сдвига (например, АСТМ D4741), результат измерения уменьшался бы по мере увеличения скорости сдвига вплоть до точки стабилизации. .

    Если бы для оценки кинематической вязкости разделить эту стабилизированную абсолютную вязкость на удельный вес жидкости, расчетное значение будет отличаться от измеренной кинематической вязкости. Опять же, уравнения на рисунке 3 применимы только к ньютоновским жидкостям, а не к неньютоновским жидкостям, описанным выше, поэтому и возникает такое несоответствие.

Кинематическая вязкость и эффекты удельного веса

    Посмотрите еще раз на уравнения на рисунке 3. Абсолютная и кинематическая вязкость ньютоновской жидкости зависят от удельного веса жидкости. Рассмотрим устройство на рисунке 1: колбу, содержащую образец масла, которое высвобождается при устранении вакуума, а затем создает напор давления, который прогоняет масло через капиллярную трубку.

    Можно ли предположить, что все жидкости будут создавать одинаковый напор? Нет, давление является функцией удельного веса жидкости или веса по отношению к весу идентичного объема воды. Большинство смазочных масел на углеводородной основе имеют удельный вес от 0,85 до 0,90. Однако со временем ситуация может измениться по мере разложения или загрязнения масла (например, гликолем, водой и металлами износа), что приводит к разнице между измерениями абсолютной и кинематической вязкости.

    Рассмотрим данные, представленные в Таблице 2. Каждый из новых нефтяных сценариев идентичен, и в обоих случаях абсолютная вязкость увеличивается на 10 процентов, что обычно является критическим пределом для изменения вязкости. В сценарии А небольшое изменение удельного веса приводит к небольшой разнице между измеренной абсолютной вязкостью и кинематической вязкостью.

    Этот дифференциал может немного задержать подачу сигнала о замене масла, но не вызовет значительной ошибки. Однако в сценарии Б разница гораздо больше. Здесь удельный вес значительно увеличивается, что приводит к измеренному увеличению кинематической вязкости на 1,5 процента по сравнению с увеличением на 10 процентов, измеренным с помощью абсолютного вискозиметра.

    Это существенная разница, которая может привести к тому, что аналитик определит ситуацию как не подлежащую отчетности. Допущенная ошибка заключается в предположении, что в обоих сценариях жидкости остаются ньютоновскими.

    Из-за множества возможностей образования неньютоновских жидкостей истинным параметром, интересующим аналитиков масел и специалистов по смазочным материалам, должна быть абсолютная вязкость. Именно это определяет толщину пленки жидкости и степень защиты поверхностей компонентов. В интересах экономии, простоты и того факта, что новые процедуры испытаний смазочных материалов обычно заимствуются для анализа отработанного масла, кинематическая вязкость масла является измеряемым параметром, используемым для определения тенденций и принятия решений по управлению смазочными материалами. Однако в некоторых случаях это может привести к ненужным ошибкам при определении вязкости масла.

    Задачу можно свести к простой математике. Как показывают уравнения на рисунке 3, абсолютная и кинематическая вязкость связаны между собой как функция удельного веса масла. Если и вязкость, и удельный вес являются динамическими, но измеряется только один из них, произойдет ошибка, и кинематическая вязкость не обеспечит точную оценку изменения абсолютной вязкости жидкости, интересующего параметра. Величина ошибки зависит от величины изменения неизмеренного параметра — удельного веса.

Важные выводы относительно кинематической вязкости.

Из этого обсуждения измерения вязкости можно сделать следующие выводы:

• Если предположить, что лаборатория измеряет вязкость кинематическими методами, добавление измерения удельного веса к стандартной программе лабораторного анализа масла поможет исключить его из числа переменных при оценке абсолютной вязкости на основе измеренной кинематической вязкости.

  
  При использовании вискозиметра, устанавливаемого на месте, не ждите полного соответствия между кинематическим вискозиметром лаборатории и прибором, устанавливаемым на месте. Большинство этих устройств измеряют абсолютную вязкость (сП) и применяют алгоритм для оценки кинематической вязкости (сСт), часто сохраняя постоянную удельного веса. Рассмотрите возможность анализа тенденций результатов вискозиметра на месте в сП.

  
  

• Это измеряемый параметр, и он помогает отличить тенденцию на месте от тенденции данных, полученных в лаборатории с помощью кинематического вискозиметра. Не пытайтесь добиться идеального согласия между измерениями вязкости на месте и в лаборатории. Это бесполезно и приносит мало пользы. В лучшем случае ищите слабую корреляцию. Всегда проверяйте качество нового масла тем же вискозиметром, который вы используете с маслом, находящимся в эксплуатации.

  
  

• Помните, что неньютоновские жидкости не обеспечивают такую ​​же защиту пленки при заданной кинематической вязкости, как ньютоновская жидкость той же кинематической вязкости. Поскольку вязкость неньютоновской жидкости будет меняться в зависимости от скорости сдвига, прочность пленки ослабляется под действием рабочей нагрузки и скорости. Это одна из причин того, что эмульгированная вода увеличивает скорость износа таких компонентов, как подшипники качения, где прочность пленки жидкости имеет решающее значение (конечно, вода также вызывает другие механизмы износа, такие как паровая кавитация, ржавчина, водородное охрупчивание и образование пузырей).

    Вязкость является важнейшим свойством жидкости, и мониторинг вязкости необходим для анализа нефти. Методы измерения динамической и кинематической вязкости могут давать очень разные результаты при тестировании отработанных масел. Убедитесь, что вы понимаете все тонкости измерения вязкости и поведения вязкой жидкости, чтобы можно было принять точные решения по смазке.