ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΟ ΙΞΩΔΕΣ ΔΙΑΦΑΝΩΝ ΚΑΙ ΑΔΙΑΦΑΝΩΝ ΥΓΡΩΝ (ASTM D 445, IP 71)

Transcript

1 ΘΕΩΡΙΑ Ιξώδες ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΟ ΙΞΩΔΕΣ ΔΙΑΦΑΝΩΝ ΚΑΙ ΑΔΙΑΦΑΝΩΝ ΥΓΡΩΝ (ASTM D 445, IP 71) Το ιξώδες είναι η ιδιότητα που έχει ένα ρευστό να παρουσιάζει αντίσταση κατά τη ροή του, ως αποτέλεσμα της εσωτερικής τριβής των μορίων του. Υψηλό ιξώδες και μικρή ρευστότητα παρουσιάζουν τα παχύρρευστα υγρά. Αντίθετα, τα λεπτόρρευστα υγρά έχουν μικρό ιξώδες και μεγάλη ρευστότητα. Το ιξώδες αναφέρεται σαν δυναμικό (η) και σαν κινηματικό (ν). Το δυναμικό ιξώδες (η) είναι η αναλογία μεταξύ της εφαρμοζόμενης διατμητικής τάσης ή τάσης απόσχισης (τ) και της ταχύτητας διάτμησης ή ταχύτητας απόσχισης (u) και εκφράζεται από τη σχέση: To δυναμικό ιξώδες (η) μετριέται συνήθως σε centipoise (cp). Στο CGS μονάδα ιξώδους είναι το 1 Poise (P) που ισούται με 1dyn s/cm 2 = 1g/cm s. Στο SI μονάδα ιξώδους είναι το 1 Pa s=1 N s/m 2 που είναι ισοδύναμο με 10 P (Poise). Το κινηματικό ιξώδες (v) είναι το μέτρο της αντίστασης στη ροή ενός ρευστού, κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Ισχύει δε για τα νευτώνια υγρά: όπου: ν = το κινηματικό ιξώδες η = το δυναμικό ιξώδες ρ = η πυκνότητα του υγρού. Μονάδα του κινηματικού ιξώδους στο CGS είναι το Stokes (St) που ισούται με 1 cm 2 /s = 10-4 m 2 /s. Συνήθως χρησιμοποιείται το centistokes () που ισούται με 1 mm 2 /s. Για συγκεκριμένο ιξωδόμετρο, ο χρόνος ροής καθορισμένου όγκου του υγρού είναι ανάλογος του κινηματικού ιξώδους. Ισχύει δηλαδή: όπου: ν = το κινηματικό ιξώδες, σε c = η σταθερά του ιξωδόμετρου, σε / s t = ο χρόνος ροής, σε s. To κινηματικό ιξώδες των διαφανών και αδιαφανών υγρών μετριέται με την πρότυπη μέθοδο ASTM D

2 ΣΚΟΠΟΣ: Η μέθοδος περιγράφει την πορεία για τον προσδιορισμό του κινηματικού ιξώδους υγρών προϊόντων του πετρελαίου, που είναι Νευτώνεια, δηλαδή για την ίδια θερμοκρασία υπάρχει σταθερή σχέση μεταξύ τάσης απόσχισης και ταχύτητας απόσχισης για διάφορα ιξωδόμετρα. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Μετράται ο χρόνος σε sec που απαιτείται για τη ροή σε καθορισμένη θερμοκρασία ορισμένου όγκου του υγρού μέσα στον τριχοειδή σωλήνα του ιξωδομέτρου υπό την επίδραση της βαρύτητας και επαναλήψιμης ωθούσας πίεσης. Το κινηματικό ιξώδες είναι το γινόμενο του μετρηθέντος χρόνου ροής επί την σταθερά του ιξωδομέτρου. ΣΥΣΚΕΥΕΣ: α) Γυάλινα ιξωδόμετρα σύμφωνα με τις προδιαγραφές IP 71 β) Κατάλληλα στηρίγματα ώστε να τοποθετούνται τα ιξωδόμετρα ασφαλώς σε κατακόρυφη θέση μέσα στο λουτρό. γ) Θερμοστατικό λουτρό. Ως λουτρό χρησιμοποιείται διαφανές υγρό. Σε οποιαδήποτε στιγμή της δοκιμής δεν επιτρέπεται ποσότητα του εξεταζόμενου δείγματος να βρίσκεται λιγότερο από 2 cm κάτω από την επιφάνεια και λιγότερο από 2 cm πάνω από τη βάση του. Η ρύθμιση της θερμοκρασίας πρέπει να είναι τέτοια ώστε μεταξύ C θερμοκρασία του λουτρού σε οποιοδήποτε σημείο του να είναι η ίδια ή να μη διαφέρει περισσότερο από 0.01 C. δ) Θερμόμετρα σύμφωνα με τις προδιαγραφές ASTM D-445. ε) Χρονόμετρα ακριβείας 0.2 sec. ΠΟΡΕΙΑ: Οι ειδικές λεπτομέρειες της πορείας που ακολουθείται εξαρτώνται από τον τύπο του ιξωδομέτρου που θα χρησιμοποιηθεί. Γενικά η ακολουθούμενη πορεία έχει ως εξής: α) Το λουτρό διατηρείται στη θερμοκρασία της δοκιμής. β) Ελέγχεται η ακρίβεια του θερμομέτρου. γ) Χρησιμοποιείται καθαρό, ξηρό και ελεγμένο ιξωδόμετρο κατάλληλο για το αναμενόμενο ιξώδες, ώστε ο χρόνος ροής να μην είναι μικρότερος των 200 sec. δ) Το ιξωδόμετρο γεμίζει σύμφωνα με τις οδηγίες που δίνουν για κάθε τύπο ιξωδομέτρου. Ακολουθούν σχηματικά οι δυο τύποι ιξωδομέτρων: 2

3 Σχήμα 1 Σχήμα 2 1. Το ιξωδόμετρο U-σχήματος αντιστρόφου ροής (ιξωδόμετρα για αδιαφανή υγρά) που παρουσιάζεται στο σχήμα 1 είναι κατασκευασμένο από καθαρό βοριοπυριτικό ή άλλο γυαλί, ανθεκτικό στη θερμότητα. Στον ακόλουθο Πίνακα 1 δίνονται τα χαρακτηριστικά των ιξωδόμετρων του τύπου αυτού. Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά Ιξωδόμετρων U-Σχήματος Ιξωδόμ. Νο Σταθερά Ελέγχου Διάμετρος Τριχοειδούς, mm Εσωτ. Διαμ. Μήκος Τριχοειδούς, mm Ελάχιστο Ιξώδες, ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Διηθούμε από το δείγμα cm 3, ανάλογα με το μέγεθος του ιξωδομέτρου. Μεταγγίζουμε το διηθημένο δείγμα στο σωλήνα πλήρωσης του ιξωδομέτρου, χωρίς να υπερβούμε την ανώτερη γραμμή πλήρωσης. Αφήνουμε το δείγμα να ρεύσει μέσα από το τριχοειδές, φροντίζοντας η στήλη του υγρού να είναι συνεχής μέχρι να φτάσει σε μια θέση περίπου 5 mm, κάτω από την κατώτερη 3

4 γραμμή πλήρωσης. Διακόπτουμε τη ροή κλείνοντας το λεπτό σωλήνα με πώμα. Τοποθετούμε το ιξωδόμετρο στο λουτρό και όταν αυτό πάρει τη θερμοκρασία του λουτρού φέρουμε τη στάθμη του υγρού ακριβώς στην ανώτερη γραμμή πλήρωσης. Απομακρύνουμε το πώμα και αφήνουμε το δείγμα να ρεύσει. Μετράμε το χρόνο, σε sec, που απαιτείται για να ρεύσει από την κατώτατη στην ανώτατη γραμμή χρονομέτρησης. Με αυτόν τον τύπο του ιξωδομέτρου γίνεται μόνο μια μέτρηση. 2. Ιξωδόμετρα για διαφανή υγρά ή ιξωδόμετρα αιωρούμενης στάθμης-βραχύς τύπος. Στον ακόλουθο Πίνακα 2 δίνονται τα χαρακτηριστικά του ιξωδόμετρου αυτού του τύπου: Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά Ιξωδόμετρων Αιωρούμενης Στάθμης Ιξωδόμ. Νο Σταθερά c Διάμετρος Τριχοειδούς, mm Ελάχ. Χρόνος ροής, sec ± ± ± ± ± ± ± ± ± Ελάχιστο Ιξώδες, Θέτουμε το ιξωδόμετρο σε λουτρό ώστε η επιφάνεια στάθμης c να βρίσκεται τουλάχιστον 3 cm κάτω από την επιφάνεια του υγρού του λουτρού. Προσέχουμε ώστε ο τριχοειδής σωλήνας του ιξωδομέτρου να είναι σε κατακόρυφη θέση. Μέσω του σωλήνα 1 εισάγουμε με σιφόνι το διηθημένο δείγμα ώστε να πληρωθεί η σφαίρα Α. Όταν η θερμοκρασία του ιξωδομέτρου σταθεροποιηθεί (10 min στους 40 C και 15 min στους 100 C) κλείνουμε με το δάχτυλο τον σωλήνα 3 και αναρροφούμε το δείγμα μέσω του σωλήνα 2, μέχρι η στάθμη του υγρού να ανέλθει 5 mm τουλάχιστον πάνω από τη χαραγή Ε. Απομακρύνουμε το δάχτυλο από το σωλήνα και μετράμε το χρόνο που απαιτείται για να διέλθει η βάση του μηνίσκου του δείγματος από τη χαραγή Ε μέχρι τη χαραγή F. ε) Το ιξώδες του μαζούτ προσδιορίζεται αφού το δείγμα πρώτα προθερμανθεί για να ληφθούν ομοιόμορφα αποτελέσματα. στ) Μεταξύ διαδοχικών προσδιορισμών πλένουμε το ιξωδόμετρο με κατάλληλο διαλύτη. Το ιξώδες μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία και την πίεση. Αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση του ιξώδους (αύξηση της ρευστότητας), ενώ αύξηση της πίεσης οδηγεί σε αύξηση του ιξώδους (μείωση της ρευστότητας). Αντίθετη είναι η συμπεριφορά των λαδιών στις περιπτώσεις μείωσης της θερμοκρασίας και της πίεσης. Αν είναι γνωστές οι τιμές ιξώδους σε δύο θερμοκρασίες, μπορεί να υπολογιστεί το ιξώδες και σε άλλες θερμοκρασίες. Η εξίσωση με την ευρύτερη εφαρμογή στη βιομηχανία του πετρελαίου που δίνει τη μεταβολή του ιξώδους με τη θερμοκρασία είναι η σχέση του Walther: 4

5 όπου: = κινηματικό ιξώδες () = θερμοκρασία (K = C + 273) = σταθερές Η μεταβολή του ιξώδους με την πίεση, είναι της μορφής: ή όπου: = συντελεστές μεταβολής του ιξώδους με την πίεση. = η πίεση σε atm = δυναμικό ιξώδες σε ατμοσφαιρική πίεση (cp) = δυναμικό ιξώδες σε πίεση Ρ atm (cp) Τέλος, για τον υπολογισμό του ιξώδους ενός μίγματος από τα ιξώδη των συστατικών του και την αναλογία ανάμιξης, χρησιμοποιείται η εξής σχέση: όπου: = κινηματικό ιξώδες συστατικού Α () = κινηματικό ιξώδες συστατικού B () = κινηματικό ιξώδες μίγματος () = κατ όγκο αναλογία του συστατικού Α στο μίγμα (x = A/(A+B)) Υπολογισμός Δείκτη Ιξώδους από το κινηματικό ιξώδες στους 40 C και στους 100 C Η αντίσταση του λαδιού στη μεταβολή του ιξώδους του όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία εκφράζεται από το Δείκτη Ιξώδους (Viscosity Index, VI). Ο Δείκτης Ιξώδους είναι μέτρο της τάσης μεταβολής του ιξώδους με τη θερμοκρασία κι εκφράζεται σαν καθαρός αριθμός. Όσο μεγαλύτερος είναι ο Δείκτης Ιξώδους, τόσο μικρότερη είναι η μεταβολή του ιξώδους με τη θερμοκρασία. Ο Δείκτης Ιξώδους προσδιορίζεται από τα κινηματικά ιξώδη στους 40 και 100 C και κυμαίνεται από αρνητικές τιμές για λάδια που προέρχονται από αργά πετρέλαια ασφαλτούχου βάσης μέχρι περίπου 100 για λάδια από αργά πετρέλαια παραφινικής βάσης. Ειδικά επεξεργασμένα λάδια και χημικά πρόσθετα μπορεί να έχουν Δείκτη Ιξώδους 130 ή και μεγαλύτερο. Οι συνηθισμένοι Δείκτες Ιξώδους των εμπορικών ορυκτελαίων κυμαίνονται από 85 ως 150, ενώ τα βασικά λάδια έχουν Δείκτες Ιξώδους από 75 ως 95. Σε εφαρμογές λίπανσης όπου η θερμοκρασία παραμένει λίγο πολύ σταθερή, ο δείκτης ιξώδους έχει μικρή σημασία. Όταν όμως η θερμοκρασία λειτουργίας 5

6 μεταβάλλεται σε μια μεγάλη περιοχή, όπως στους κινητήρες των αυτοκινήτων, πρέπει ο Δείκτης Ιξώδους του λαδιού που θα χρησιμοποιηθεί να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος, σε συμφωνία πάντα με τις υπόλοιπες ιδιότητες του λαδιού. Μεταξύ των προσθέτων βελτιωτικών του Δείκτη Ιξώδους είναι πολυμερή, εστέρες του μεθακρυλικού οξέος και τα πολυισοβουτυλένια, ιδιαίτερα όταν έχουν αντιδράσει με πεντοσουλφίδιο του φωσφόρου (PS 5 ). Επισημαίνεται ότι απαραίτητη προϋπόθεση για την καταλληλότητα του προσθέτου είναι η διαλυτότητά του στο λάδι. Τα πολυμερή με μοριακό βάρος έχουν αποδειχθεί τα πιο αποτελεσματικά. Τα λάδια των κινητήρων πρέπει να είναι αρκετά λεπτόρρευστα σε χαμηλές θερμοκρασίες ώστε να διευκολύνουν την εκκίνηση και αρκετά παχύρρευστα στις θερμοκρασίες λειτουργίας του κινητήρα ( C) για να μειώνουν την τριβή σχηματίζοντας συνεχή μεμβράνη μεταξύ των μεταλλικών επιφανειών. Όπως προαναφέρθηκε ο Δείκτης Ιξώδους είναι μια υπολογιστική παράμετρος που δίνει μια ένδειξη της μεταβολής του ιξώδους με τη θερμοκρασία του υπό εξέταση λαδιού. Στη δεκαετία του 1920, οι Dean και Davis χρησιμοποίησαν μία σειρά από ορυκτέλαια της Pennsylvania (παραφινικής βάσης), τα οποία επιδεικνύουν μικρή αλλαγή του ιξώδους με την θερμοκρασία, και όρισαν ότι έχουν VI = 100. Ταυτόχρονα, μία σειρά Μεξικανικών ορυκτελαίων (ασφαλτούχου βάσης), με μεγάλη μεταβολή του ιξώδους, ορίσθηκαν ότι έχουν VI = 0. Οι δύο αυτές ακραίες κατηγορίες περιέκλειαν όλα τα γνωστά ορυκτέλαια εκείνης της εποχής. Ο υπολογισμός του δείκτη ιξώδους ενός λιπαντικού φαίνεται γραφικά στο Σχήμα 1. Έστω ότι το ιξώδες του προς εξέταση λιπαντικού είναι Υ στους 100 C και U στους 40 C. Τότε, αν το λάδι αυτό είχε VI = 0, θα έχει στους 40 C ιξώδες, ενώ αν είχε VI = 100 θα έχει στους 40 C ιξώδες Η. Ο δείκτης ιξώδους του προς εξέταση λιπαντικού δίνεται από την εξίσωση: Οι τιμές των και δίνονται για στον Πίνακα 1. O δείκτης ιξώδους είναι ένας ακέραιος αριθμός που αποτελεί ένα εμπειρικό μέτρο της σταθερότητας του ιξώδους ως προς την θερμοκρασία και αρχικά, όπως αναφέρθηκε, κυμαινόταν μεταξύ 0 και 100. Στη σύγχρονη εποχή η πλειοψηφία των λιπαντικών έχουν VI > 100, ενώ δεν είναι άγνωστες και οι περιπτώσεις ορυκτελαίων με VI < 0. Στην περίπτωση που ο δείκτης ιξώδους έχει τιμή μεγαλύτερη από 100, τότε η σχέση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του είναι: Όπου: Ο δείκτης ιξώδους αναφέρεται πάντοτε ως ακέραιος αριθμός, ανεξάρτητα αν είναι μικρότερος ή μεγαλύτερος από 100. Τα έλαια βάσεως σπάνια έχουν VI > 105, ενώ τα 6

7 πολύτυπα ορυκτέλαια απαιτούν πολλές φορές VI πάνω από 150, το οποίο επιτυγχάνεται με χρήση βελτιωτικών του δείκτη ιξώδους. Σχήμα 1: Υπολογισμός του Δείκτη Ιξώδους Παράδειγμα 1 Ένα λάδι έχει κινηματικό ιξώδες (Κ.Ι.) 4,50 στους 100 C και 24,80 στους 40 C. Nα υπολογιστεί ο Δείκτης Ιξώδους του λαδιού. Λύση: Επειδή U >, θα ισχύει ο τύπος για λάδια με VI < 100: όπου: = 31,96 (από τον Πίνακα Α, σελ.9) U = 24,80 (από την εκφώνηση) = 23,81 (από τον Πίνακα Α) Οπότε: VI = 88 Παράδειγμα 2 Ένα λάδι έχει κινηματικό ιξώδες (Κ.Ι.) 15,10 στους 100 C και 148,20 στους 40 C. Nα υπολογιστεί ο Δείκτης Ιξώδους του λαδιού. 7

8 Λύση: Επειδή U <, θα ισχύει ο τύπος για λάδια με VI > 100: και: όπου: Υ = 15,10 (από την εκφώνηση) U = 148,20 (από την εκφώνηση) = 151,2 (από τον Πίνακα 1) Οπότε: Ν = 0,0085 και VI = 106 Επισυνάπτεται ο πίνακας Α παραμέτρων υπολογισμού ιξώδους. Υπολογισμός ιξώδους μίγματος Το ιξώδες των μειγμάτων προκύπτει από τη σχέση: X loglog (Va+0.7) + (1-X) loglog (Vb+0.7) = loglog (Vm+0.7) όπου: Va το κινηματικό ιξώδες συστατικού a () Vb το κινηματικό ιξώδες συστατικού b () Χ κατ όγκον αναλογία του συστατικού a στο μίγμα ( x=a/(a+b)) Vm το κινηματικό ιξώδες του τελικού μείγματος Εργαστηριακή Άσκηση-Υπολογιστική Άσκηση Ο σκοπός του πειράματος είναι να υπολογιστούν τα κινηματικά ιξώδη (ΚΙ) ενός συγκεκριμένου λιπαντικού (5W-40) στους 40 C και στους 100 C αντίστοιχα. Καλείστε να μετρήσετε το ΚΙ του λιπαντικού αυτού στο λουτρό των 40 C και στο λουτρό των 100 C αντίστοιχα και ως άσκηση να υπολογίσετε το είκτη Ιξώδους ( Ι) του λαδιού με βάση τις μετρήσεις σας. Επίσης, να απαντήσετε στα ακόλουθα ερωτήματα: 1.Τι ακριβώς συμβολίζει για ένα λιπαντικό κινητήρα η ένδειξη 5W Μας ενδιαφέρει η μέτρηση του κινηματικού ή του δυναμικού ιξώδους και γιατί; Ποιά η πρακτική σημασία της μέτρησης ιξώδους; 8

9 Πίνακας Α παραμέτρων υπολογισμού του δείκτη ιξώδους