Viscosità cinematica Spiegata

Che cos’è la viscosità cinematica?

La viscosità cinematica è una misura della resistenza interna di un fluido al flusso sotto le forze gravitazionali. È determinato misurando il tempo in secondi, richiesto per un volume fisso di fluido di fluire una distanza nota per gravità attraverso un capillare all’interno di un viscosimetro calibrato ad una temperatura strettamente controllata.

Questo valore viene convertito in unità standard come centistokes (cSt) o millimetri quadrati al secondo., La segnalazione della viscosità è valida solo quando viene riportata anche la temperatura alla quale è stata condotta la prova – ad esempio 23 cSt a 40 gradi C.

Di tutti i test impiegati per l’analisi dell’olio usato, nessuno fornisce una migliore ripetibilità o consistenza della prova rispetto alla viscosità. Allo stesso modo, non esiste una proprietà più critica per una lubrificazione efficace dei componenti rispetto alla viscosità dell’olio di base. Tuttavia, c’è più viscosità che soddisfa l’occhio. La viscosità può essere misurata e riportata come viscosità dinamica (assoluta) o come viscosità cinematica. I due sono facilmente confusi, ma sono significativamente diversi.,

I laboratori di analisi dell’olio più utilizzati misurano e riportano la viscosità cinematica. Al contrario, la maggior parte dei viscosimetri in loco misura la viscosità dinamica, ma sono programmati per stimare e riportare la viscosità cinematica, in modo che le misure di viscosità riportate riflettano i numeri cinematici riportati dalla maggior parte dei laboratori e dei fornitori di olio lubrificante.,

Data l’importanza dell’analisi della viscosità unita alla crescente popolarità degli strumenti di analisi dell’olio in loco utilizzati per schermare e integrare l’analisi dell’olio di laboratorio fuori sede, è essenziale che gli analisti del petrolio comprendano la differenza tra le misure di viscosità dinamiche e cinematiche.

In generale, la viscosità è la resistenza di un fluido al flusso (sforzo di taglio) ad una data temperatura. A volte, la viscosità viene erroneamente indicata come spessore (o peso)., La viscosità non è una misura dimensionale, quindi chiamare olio altamente viscoso denso e olio meno viscoso sottile è fuorviante.

Allo stesso modo, la segnalazione della viscosità per scopi di tendenza senza riferimento alla temperatura è priva di senso. La temperatura deve essere definita per interpretare la lettura della viscosità. In genere, la viscosità è riportata a 40°C e / o 100 ° C o entrambi se è richiesto l’indice di viscosità.,

Equazione della viscosità cinematica

Diverse unità ingegneristiche sono utilizzate per esprimere la viscosità, ma le più comuni sono centistoke (cSt) per la viscosità cinematica e centipoise (cP) per la viscosità dinamica (assoluta). La viscosità cinematica in cSt a 40°C è la base per il sistema di classificazione della viscosità cinematica ISO 3448, che lo rende lo standard internazionale. Altri comuni sistemi di viscosità cinematica come Saybolt Universal Seconds (SUS) e il sistema di classificazione SAE possono essere correlati alla misurazione della viscosità in cSt a 40°C o 100°C.,

Misurazione della viscosità cinematica

La viscosità cinematica viene misurata rilevando il tempo impiegato dall’olio per viaggiare attraverso l’orifizio di un capillare sotto la forza di gravità (Figura 1). L’orifizio del tubo viscosimetro cinematico produce una resistenza fissa al flusso. Capillari di diverse dimensioni sono disponibili per supportare fluidi di varia viscosità.

Il tempo impiegato per il flusso del fluido attraverso il tubo capillare può essere convertito in una viscosità cinematica utilizzando una semplice costante di calibrazione fornita per ciascun tubo., La procedura dominante per l’esecuzione di misure di viscosità cinematica è ASTM D445, spesso modificata nel laboratorio di analisi dell’olio utilizzato per risparmiare tempo e rendere la misurazione del test più efficiente.

Misurazione della viscosità dinamica (viscosità assoluta)

La viscosità dinamica viene misurata come resistenza al flusso quando una forza esterna e controllata(pompa, aria pressurizzata, ecc.,) forza l’olio attraverso un capillare (ASTM D4624), oppure un corpo viene forzato attraverso il fluido da una forza esterna e controllata come un mandrino azionato da un motore. In entrambi i casi, viene misurata la resistenza al flusso (o al taglio) in funzione della forza di ingresso, che riflette la resistenza interna del campione alla forza applicata o la sua viscosità dinamica.

Esistono diversi tipi e forme di realizzazione di viscosimetri assoluti. Il metodo rotativo Brookfield illustrato in Figura 2 è il più comune., La misurazione della viscosità assoluta è stata utilizzata per applicazioni di ricerca, controllo qualità e analisi del grasso nel campo della lubrificazione delle macchine.

Le procedure per testare la viscosità dinamica in laboratorio con il tradizionale metodo Brookfield sono definite da ASTM D2983, D6080 e altri. Tuttavia, la viscosità dinamica sta diventando comune nell’area dell’analisi dell’olio usato perché la maggior parte dei viscosimetri in loco venduti sul mercato oggi misura la viscosità dinamica, non la viscosità cinematica., I fornitori di viscosimetri dinamici in loco sono Anton Paar, Kittiwake e Spectro Scientific.

In generale, la viscosità cinematica (cSt) si riferisce alla viscosità assoluta (cP) in funzione del peso specifico del fluido (SG) secondo le equazioni di figura 3.

Semplici ed eleganti come queste equazioni sembrano, valgono solo per i cosiddetti fluidi newtoniani. Inoltre, il peso specifico del fluido deve rimanere costante durante il periodo di tendenza., Nessuna di queste condizioni può essere assunta costante nell’analisi dell’olio usato, quindi l’analista deve essere consapevole delle condizioni in cui può verificarsi la varianza.

Viscosità cinematica: fluidi newtoniani contro fluidi non newtoniani

Un fluido newtoniano è un fluido che mantiene una viscosità costante su tutte le velocità di taglio (lo stress di taglio varia linearmente con la velocità di taglio). Questi fluidi sono chiamati Newtoniani perché seguono la formula originale stabilita da Sir Isaac Newton nella sua Legge della Meccanica dei fluidi. Alcuni fluidi, tuttavia, non si comportano in questo modo. In generale, sono chiamati fluidi non newtoniani., I fluidi newtoniani includono gas, acqua, olio, benzina e alcol.

Un gruppo di fluidi non newtoniani indicati come tixotropici è di particolare interesse nell’analisi dell’olio usato perché la viscosità di un fluido tixotropico diminuisce all’aumentare della velocità di taglio. La viscosità di un fluido tixotropico aumenta al diminuire della velocità di taglio. Con i fluidi tixotropici, il tempo impostato può aumentare la viscosità apparente come nel caso del grasso. Esempi di fluidi non newtoniani includono:

• Liquidi ispessenti al taglio: la viscosità aumenta all’aumentare della velocità di taglio., Ad esempio, l’amido di mais, quando viene messo in acqua e mescolato, inizia a sentirsi più spesso nel tempo.
• Liquidi diradanti: la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di taglio. Dipingere per le tue pareti è un buon esempio di questo. Mentre mescoli la vernice, diventa più fluida.
• Liquidi tixotropici: diventano meno viscosi quando agitati. Esempi comuni di questo sono ketchup di pomodoro e yogurt. Una volta scossi, diventano più fluidi. Quando lasciati soli ritornano ad uno stato gelatinoso.
• Liquidi reopettici: diventano più viscosi quando agitati. Un esempio comune di questo è l’inchiostro della stampante.,quid (più alto shear rate, maggiore è la viscosità)
  Acqua Taglio di diradamento liquidi (frequenza di taglio superiore, bassa viscosità) Olio Tixotropico liquidi (diventa meno viscoso quando agitato) Benzina Rheopectic liquidi (diventa più viscoso quando agitato) Alcol

  una Viscosità Cinematica: Un Esempio Pratico

  si supponga di avere due vasetti di prima, piena di maionese, l’altra piena di miele., Con entrambi i barattoli apposti sulla superficie del tavolo con Velcro, immagina di immergere identici coltelli da burro in ciascuno dei fluidi con la stessa angolazione e alla stessa profondità. Immagina di mescolare i due fluidi ruotando i coltelli allo stesso numero di giri mantenendo lo stesso angolo di attacco.

  Quale dei due fluidi era più difficile da mescolare? La tua risposta dovrebbe essere il miele, che è molto più difficile da mescolare rispetto alla maionese. Ora immagina di staccare i barattoli dal velcro sul tavolo e di girare i barattoli dalla loro parte. Che scorre fuori dal barattolo più velocemente, miele o maionese?, La tua risposta dovrebbe essere il miele; la maionese non scorrerà affatto girando il barattolo su un lato.

  Quale fluido è più viscoso, miele o maionese? Se hai detto maionese, hai ragione at almeno in parte. Allo stesso modo, se hai detto miele sei parzialmente corretto. La ragione dell’apparente anomalia è che quando si ruota il coltello in entrambe le sostanze, la velocità di taglio varia, mentre girando ogni barattolo sul suo lato si misura semplicemente la resistenza statica al flusso.,

  Poiché il miele è un fluido newtoniano mentre la maionese non è newtoniana, la viscosità della maionese diminuisce all’aumentare della velocità di taglio o alla rotazione del coltello. Mescolando sottopone la maionese ad un elevato stress di taglio, facendola cedere all’azione di forzatura. Al contrario, semplicemente impostando il barattolo su un lato sottopone la maionese a una bassa sollecitazione di taglio, con conseguente variazione di viscosità minima o nulla, quindi tende a rimanere nel barattolo.

  Non si può misurare convenzionalmente la viscosità di un fluido non newtoniano., Piuttosto, si deve misurare la viscosità apparente, che prende in considerazione la velocità di taglio alla quale è stata effettuata la misurazione della viscosità. (Vedi Figura 4) Proprio come le misurazioni della viscosità non hanno senso a meno che non venga riportata la temperatura di prova, le misurazioni della viscosità apparente non hanno senso a meno che non vengano riportate la temperatura di prova e la velocità di taglio.

  Ad esempio, la viscosità del grasso non viene mai riportata, piuttosto la viscosità apparente del grasso viene riportata in centipoises (cP)., (Nota: la viscosità può essere riportata per l’olio di base usato per fare il grasso, ma non del prodotto finito.)

  In generale, un fluido non è newtoniano se è composto da una sostanza sospesa (ma non chimicamente disciolta) in un fluido ospite. Perché ciò accada, ci sono due categorie di base, emulsioni e sospensioni colloidali. Un’emulsione è la coesistenza fisica stabile di due fluidi immiscibili. La maionese è un comune fluido non newtoniano, composto da uova emulsionate in olio, il fluido ospite., Poiché la maionese non è newtoniana, la sua viscosità produce con forza applicata, rendendola facile da diffondere.

  Una sospensione colloidale è costituita da particelle solide stabilmente sospese in un fluido ospite. Molte vernici sono sospensione colloidale. Se la vernice fosse newtoniana si diffonderebbe facilmente ma funzionerebbe se la viscosità è bassa, o si diffonderebbe con grande difficoltà e lascerebbe segni di pennello, ma non funzionerebbe se la viscosità è alta.

  Poiché la vernice non è newtoniana, la sua viscosità cede sotto la forza del pennello, ma ritorna quando il pennello viene portato via., Di conseguenza, la vernice si diffonde con relativa facilità, ma non lascia segni di pennello e non funziona.

  Viscosità dinamica vs cinematica: Qual è la differenza

  La viscosità dinamica determina lo spessore del film fornito dall’olio. La viscosità cinematica è semplicemente un comodo tentativo di stimare il grado di spessore del film che l’olio può fornire, ma ha meno significato se l’olio non è newtoniano.,

  

  Molte formulazioni e condizioni di lubrificante produrranno un fluido non newtoniano, tra cui:

  • Additivi miglioratori Indice di viscosità (VI)-Gli oli motore a base minerale multigrado (tranne gli oli base VI naturalmente elevati) sono formulati con un additivo elastico che è compatto a basse temperature e si espande ad alte temperature in risposta all’aumento della solvibilità del fluido. Poiché questa molecola additiva è diversa dalle molecole dell’olio ospite, si comporta in modo non newtoniano.,

  • Contaminazione dell’acqua-Olio e acqua libera non si mescolano, non chimicamente comunque. Ma in determinate circostanze, si combineranno per formare un’emulsione, proprio come la maionese discussa in precedenza. Chiunque abbia visto l’olio che assomiglia al caffè con la crema può attestare questo fatto. Mentre può sembrare controintuitivo, la contaminazione dell’acqua, quando emulsionata nell’olio, aumenta effettivamente la viscosità cinematica.,

  • Sottoprodotti di degradazione termica e ossidativa – Molti sottoprodotti di degradazione termica e ossidativa sono insolubili, ma sono trasportati dall’olio in una sospensione stabile. Queste sospensioni creano un comportamento non newtoniano.

  • Fuliggine – Comunemente incontrato nei motori diesel, fuliggine è una particella che si traduce in una sospensione colloidale nell’olio. L’additivo disperdente dell’olio, progettato per evitare che le particelle di fuliggine si agglomerino e crescano, serve a facilitare la formazione di una sospensione colloidale.,

  Se si misurasse la viscosità assoluta di una di queste emulsioni o colloidi comunemente incontrati sopra con un viscosimetro assoluto a velocità di taglio variabile (ad esempio, ASTM D4741), la misurazione diminuirebbe all’aumentare della velocità di taglio, fino a un punto di stabilizzazione.

  Se si dovesse dividere questa viscosità assoluta stabilizzata per il peso specifico del fluido per stimare la viscosità cinematica, il valore calcolato differirebbe dalla viscosità cinematica misurata., Ancora una volta, le equazioni in Figura 3 si applicano solo ai fluidi newtoniani, non ai fluidi non newtoniani descritti sopra, motivo per cui si verifica questa discrepanza.

  Viscosità cinematica ed effetti di peso specifico

  Guardate di nuovo le equazioni in Figura 3. Le viscosità assolute e cinematiche di un fluido newtoniano sono correlate in funzione del peso specifico del fluido. Si consideri l’apparecchio in Figura 1, il bulbo che contiene l’olio campione, che viene rilasciato quando il vuoto viene eliminato, quindi produce una testa di pressione che spinge l’olio attraverso il tubo capillare.,

  Si può supporre che tutti i fluidi produrranno la stessa testa di pressione? No, la pressione è una funzione del peso specifico del fluido, o peso relativo al peso di un volume identico di acqua. La maggior parte degli oli lubrificanti a base di idrocarburi ha un peso specifico compreso tra 0,85 e 0,90. Tuttavia, questo può cambiare nel tempo come l’olio degrada o diventa contaminato (glicole, acqua e metalli di usura per esempio), che produce un differenziale tra misure di viscosità assoluta e cinematica.

  Considera i dati presentati nella Tabella 2., Ciascuno dei nuovi scenari di petrolio è identico, e in entrambi i casi la viscosità assoluta aumenta del 10 per cento, di solito il limite di condanna per un cambiamento di viscosità. Nello scenario A, la modesta variazione del peso specifico si traduce in un leggero differenziale tra la viscosità assoluta misurata e la viscosità cinematica.

  Questo differenziale potrebbe ritardare leggermente il suono dell’allarme di cambio olio, ma non causerebbe molto errore. Tuttavia, nello scenario B, il differenziale è molto maggiore. Qui, il peso specifico aumenta in modo significativo, il che si traduce in un aumento misurato di 1.,5 per cento in viscosità cinematica, contro un aumento del 10 per cento come misurato con un viscosimetro assoluto.

  Questa è una differenza significativa che potrebbe portare l’analista a identificare la situazione come non riportabile. L’errore che è stato fatto è l’ipotesi in entrambi gli scenari che i fluidi rimangono newtoniani.

  A causa delle molte possibilità di formare fluidi non newtoniani, il vero parametro di interesse per l’analista di petrolio e lube tech dovrebbe essere la viscosità assoluta. È ciò che determina lo spessore del film del fluido e il grado in cui le superfici dei componenti sono protette., Nell’interesse dell’economia, della semplicità e del fatto che le nuove procedure di prova del lubrificante sono comunemente prese in prestito per l’analisi dell’olio usato, la viscosità cinematica dell’olio è il parametro misurato utilizzato per le tendenze e le decisioni di gestione del lubrificante. Tuttavia, in alcuni casi questo può introdurre errori inutili nel determinare la viscosità di un olio.

  Il problema può essere ridotto a semplice matematica. Come suggeriscono le equazioni di Figura 3, la viscosità assoluta e cinematica sono correlate in funzione del peso specifico dell’olio., Se sia la viscosità che il peso specifico sono dinamici, ma solo uno viene misurato, si verificherà un errore e la viscosità cinematica non fornirà una valutazione accurata della variazione della viscosità assoluta del fluido, il parametro di interesse. La quantità di errore è una funzione della quantità di cambiamento nel parametro non misurato, il peso specifico.,

  Conclusioni Importanti Riguardanti la Cinematica Viscosità

  si possono trarre le seguenti conclusioni da questa discussione su misura della viscosità:

  • Supponendo che il laboratorio di misure di viscosità cinematici metodi, aggiungendo gravità specifica misura di una routine di laboratorio di analisi dell’olio di programma vi aiuterà a eliminare una variabile per la stima della viscosità assoluta dalla misura della viscosità cinematica.

  • Quando si utilizza un viscosimetro in loco, non cercare un accordo completo tra il viscosimetro cinematico del laboratorio e lo strumento in loco., La maggior parte di questi dispositivi misura la viscosità assoluta (cP) e applica un algoritmo per stimare la viscosità cinematica (cSt), spesso mantenendo costante il peso specifico. Considerare trending i risultati dal viscosimetro in loco in cP.
    È il parametro che viene misurato e aiuta a differenziare l’andamento in loco dall’andamento dei dati prodotti dal laboratorio con un viscosimetro cinematico. Non cercare di raggiungere un perfetto accordo tra le misure di viscosità in loco e in laboratorio. È inutile e genera poco valore. Nella migliore delle ipotesi, cercare la correlazione sciolto., Basare sempre il nuovo olio con lo stesso viscosimetro che si sta utilizzando con l’olio in servizio.

  • Riconoscere che i fluidi non newtoniani non forniscono la stessa protezione del film per una data viscosità cinematica di un fluido newtoniano della stessa viscosità cinematica. Poiché la viscosità di un fluido non newtoniano varierà con la velocità di taglio, la forza del film è indebolita sotto carico operativo e velocità., Questo è uno dei motivi per cui l’acqua emulsionata aumenta il tasso di usura in componenti come i cuscinetti volventi, dove la resistenza del film fluido è critica (ovviamente, l’acqua causa anche altri meccanismi di usura come la cavitazione vaporosa, la ruggine e l’infragilimento da idrogeno e le vesciche).

  La viscosità è una proprietà critica del fluido e il monitoraggio della viscosità è essenziale per l’analisi dell’olio. Le tecniche di misurazione della viscosità dinamica e cinematica possono produrre risultati molto diversi durante il test degli oli usati., Assicurati che i dettagli della misurazione della viscosità e del comportamento del fluido viscoso siano compresi in modo da poter prendere decisioni di lubrificazione accurate.

  

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