5.1 5 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΞΩΔΟΥΣ ΥΓΡΩΝ ΛΙΠΑΝΤΙΚΩΝ 5.1 Γενικά Το ιξώδες είναι χαρακτηριστική φυσική ιδιότητα ενός ρευστού. Σαν φυσικό μέγεθος, είναι μέτρο της εσωτερικής τριβής ενός ρευστού και, άρα, της αντίστασης που παρουσιάζει κατά τη ροή του. Με βάση αυτό το κριτήριο τα λιπαντικά διακρίνονται σε λεπτόρευστα (ρευστά χαμηλού ιξώδους) και παχύρευστα (ρευστά υψηλού ιξώδους). Το δυναμικό ιξώδες (μ) είναι ανάλογο με τη δύναμη που απαιτείται για την υπερνίκηση των εσωτερικών τριβών. Οι διαστάσεις του είναι (FT/L 2 ) και οι μονάδες του : στο σύστημα SI: (Ν s / m 2 ) ή (Pa s) στο σύστημα CGS: (gr /cm s)= P (Poise) ή 1cP = 0.01 P 1Pa s = 10-3 cp Το πηλίκο του δυναμικού ιξώδους (μ) ενός ρευστού στη θερμοκρασία Τ, δια της πυκνότητάς του (ρ) στην ίδια θερμοκρασία, ονομάζεται κινηματικό ιξώδες (ν) του λιπαντικού μ ν = (5.1) ρ Οι διαστάσεις του είναι (L 2 /T) και οι μονάδες του Stokes (St), όπου 1St =1(cm 2 / sec) Συνήθως χρησιμοποιείται το υποπολλαπλάσιο 1cSt = 10-2 St = 0.01 St =1mm 2 / sec Όπως θα δούμε στη συνέχεια, η ρευστότητα ενός λαδιού μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Έχει λοιπόν μεγάλη σημασία η θερμοκρασία στην οποία μετράμε το κινηματικό ιξώδες, η τιμή του οποίου καθορίζεται συνήθως στους 40 ο C. Μέχρι σήμερα, δεν έχει επικρατήσει η χρήση του κινηματικού ιξώδους, σε μονάδες SI, για τη μέτρηση του ιξώδους.
5.2 Για τον προσδιορισμό του ιξώδους χρησιμοποιούνται μετρητικές διατάξεις που καλούνται ιξωδόμετρα. Τα ευρύτερα διαδεδομένα εξ αυτών στηρίζονται στην ίδια αρχή μέτρησης του κινηματικού ιξώδους: Μετράται ο χρόνος εκροής ορισμένης ποσότητας λαδιού, μέσω τριχοειδούς σωλήνα και σύμφωνα με το νόμο του Poisseuille, ο χρόνος εκροής του υγρού είναι ανάλογος του ιξώδους του, όταν η ροή είναι στρωτή και το υγρό νευτώνιο. Κατ αντιστοιχία με τον τύπο ιξωδομέτρου που χρησιμοποιείται, οι συνήθεις μονάδες μέτρησης του κινηματικού ιξώδους είναι: Βαθμοί Engler ( O E): Χρησιμοποιούνται στη Γερμανία και σε άλλες ευρωπαϊκές χώρες και οι μετρήσεις αναφέρονται σε θερμοκρασία 50 ο C. Μονάδες Redwood I (sec): Συνήθως στους 100 ο F και χρησιμοποιούνται στην Αγγλία. Μονάδες Redwood IΙ (sec): Συνήθως στους 100 ο F, χρησιμοποιούνται στην Αγγλία και ισούνται με το 1/10 του Redwood I. Μονάδες SSU (Seconds Saybolt Universal) (sec): Χρησιμοποιούνται στην Αμερική. Μονάδες SSF (Seconds Saybolt Furol) (sec): Χρησιμοποιούνται στην Αμερική και ισούνται με το 1/10 SSU. Στον Πίνακα 5.1., που παρατίθεται στο τέλος της εκφώνησης, δίνονται οι κατά προσέγγιση αντιστοιχίες των διαφόρων κλιμάκων μέτρησης ιξώδους στην ίδια θερμοκρασία. 5.2 Μεταβολή του ιξώδους με τη θερμοκρασία Όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία ενός λιπαντικού, μεταβάλλεται και το ιξώδες του. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο ελαττώνεται το ιξώδες (λεπτόρευστο), ενώ με τη μείωση της θερμοκρασίας έχουμε αύξηση του ιξώδους (παχύρευστο). Ο καθορισμός της μεταβολής του ιξώδους με τη θερμοκρασία γίνεται είτε υπολογιστικά είτε γραφικά. Η Αμερικανική Εταιρεία Δοκιμής Υλικών (ASTM) έχει τυποποιήσει χάρτες (Σχήματα 5.2 και 5.3), στους οποίους η μεταβολή του ιξώδους με τη θερμοκρασία παριστάνεται από μία ευθεία γραμμή. Προσδιορίζεται λοιπόν το ιξώδες του λαδιού σε δυο διαφορετικές θερμοκρασίες, μεταφέρονται οι τιμές του ιξώδους στο χάρτη, χαράσσεται η ευθεία γραμμή που ενώνει τα δύο
5.3 σημεία και έτσι προσδιορίζεται το ιξώδες του λαδιού σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Γίνεται η παραδοχή ότι το ιξώδες μειώνεται λογαριθμικά με τη θερμοκρασία, πράγμα που με ικανοποιητική προσέγγιση ισχύει για όλα τα υγρά σε θερμοκρασίες από 50 ο C έως 150 ο C και εφόσον δεν υπάρχει αλλαγή φάσης κοντά στη θερμοκρασιακή αυτή περιοχή. Στο Σχήμα 5.1 παρουσιάζεται η μεταβολή του ιξώδους με τη θερμοκρασία για τα συνηθέστερα λιπαντικά κατά την τυποποίηση SAE. Σχήμα 5.1. Μεταβολή του ιξώδους λιπαντικών κατά SAE, με τη θερμοκρασία, σε χάρτη της ASTM
5.4 Σχήμα 5.2. Χάρτης για τη χάραξη των ευθειών μεταβολής του ιξώδους (SSU) με τη θερμοκρασία ( o F)
5.5 Σχήμα 5.3 Xάρτης της ASTM για τη μεταβολή του ιξώδους (cst) με τη θερμοκρασία ( o C)
5.6 5.3. Πειραματική διαδικασία Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση αφορά τον προσδιορισμό του κινηματικού ιξώδους πετρελαϊκών προϊόντων με τη χρήση ιξωδομέτρου Engler και λαμβανόμενα αποτελέσματα δίδονται σε βαθμούς της κλίκακας Engler ( ο Ε). 5.3.1 Πειραματική συσκευή - Ιξωδόμετρο Engler Η μετρητική διάταξη μέτρησης του ιξώδους κατά Engler περιλαμβάνει: Ορειχάλκινο επιχρυσωμένο δοχείο, διπλού τοιχώματος. Το εξωτερικό διαμέρισμα του δοχείου πληρούται με νερό, το οποίο επιτρέπει τη διατήρηση της θερμοκρασίας του συστήματος. Στο εσωτερικό διαμέρισμα, το οποίο έχει προσαρμοσμένον στο κέντρο του οχετό εκροής, τοποθετείται το προς μέτρηση λιπαντικό. Ο οχετός εκροής φράσσεται με κωνικό, ξύλινο αποφρακτικό στέλεχος, το οποίο μπορεί να αφαιρεθεί. Δοχείο περισυλλογής του λιπαντικού, περιεκτικότητας 200cm 3. Χρονόμετρα κλίμακας 1/5 του δευτερολέπτου. Θερμόμετρα υδραργυρικού τύπου τυποποιημένα κατά Engler. Λύχνο θέρμανσης Σχήμα 5.4. Ιξωδόμετρο Engler
5.7 5.3.2. Διαδικασία πειράματος Η ιξωδομέτρηση γίνεται ως εξής: 200cm 3 λιπαντικού ρέουν δια μέσου ενός σωληνίσκου υπό καθορισμένες συνθήκες σε θερμοκρασία t o C. Η ίδια ποσότητα απεσταγμένου νερού στους 20 o C ρέει από τον ίδιο σωληνίσκο και μετρώνται οι χρόνοι εκροής στη μία και στην άλλη περίπτωση. o 3 o χρόνος (sec) για200cm λαδιούσε( t) C Engler = (5.2) 3 o χρόνος (sec) για200cm απεσταγμένουνερούσε( t) C Το λιπαντικό φιλτράρεται και τοποθετείται μέσα στο δοχείο σε ποσότητα ελαφρώς μεγαλύτερη από τη στάθμη αναφοράς. Τοποθετείται στη συνέχεια το κάλυμμα του δοχείου με το αντίστοιχο θερμόμετρο. Οι θερμοκρασίες για το λουτρό ύδατος που βρίσκεται στο εξωτερικό δοχείο είναι: 20 o C για δοκιμές στους 20 o C 50,25 o C για δοκιμές στους 50 o C Όταν επιτευχθεί η ζητούμενη θερμοκρασία και όταν αυτή παραμένει σταθερή για τουλάχιστον 5min, αφαιρείται η περίσσεια λιπαντικού με τη βοήθεια του ξύλινου στελέχους. Στη συνέχεια, ρυθμίζεται πάλι η θερμοκρασία και αφού σταθεροποιηθεί για 5min, απελευθερώνεται το αποφρακτικό στέλεχος και μετράται ο χρόνος εκροής ποσότητας λιπαντικού 200cm 3.. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής άσκησης εκτελούνται μετρήσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίες και προσδιορίζεται το κινηματικό ιξώδες σε ( ο Ε) στις θερμοκρασίες αυτές. Οι μετρήσεις επαναλαμβάνονται για δεύτερο λιπαντικό. Τέλος, γίνεται αναγνώριση/ χαρακτηρισμός των λιπαντικού σύμφωνα με αυτά που παρατίθενται στην παράγραφο 5.3.3. 5.3.3. Ταξινόμηση / κατάταξη λιπαντικών Τα βιομηχανικά λιπαντικά ταξινομούνται, με βάση το ιξώδες, σύμφωνα με τις τυποποιήσεις επιστημονικών οργανισμών ή φορέων τυποποίησης, όπως ISO (International Standardization Organisation), SAE (Society of Automotive Engineers), AGMA (American Gear
5.8 Manufacturer s Association) κλπ. Σύμφωνα με την κατάταξη του ISO τυποποιούνται σε 18 κατηγορίες ρευστότητας (ISO Viscosity Grades ISO VG). Η κατάταξη αυτή δίνεται στον Πίνακα 5.2. Κατά SAE τα λιπαντικά διαιρούνται σε κλάσεις με βάση το ιξώδες τους όπως φαίνεται στον Πίνακα 5.3. Κατά συνέπεια, οι εμπειρικές τιμές ιξώδους που προκύπτουν κατά την πειραματική άσκηση μετατρέπονται σε μονάδες cst και σημειώνονται στον κατάλληλο τυποποιημένο κατά ASTM χάρτη (Σχήμα 5.3). Κατόπιν προσδιορίζεται με γραμμική παρεμβολή το ιξώδες στην κατάλληλη θερμοκρασία (40 ο C ή 100 ο C) και από την τιμή αυτή, με βάση τους Πίνακες 5.2. και 5.3 γίνεται η κατάταξη του ελαίου κατά ISO ή κατά SAE.
5.9 Πίνακας 5.1. Αντιστοιχία τιμών ιξώδους σε διάφορες κλίμακες μέτρησης, για την ίδια θερμοκρασία (cst, o E, SSU, RI: Redwood I)
5.10 Πίνακας 5.2. Κατάταξη βιομηχανικών λαδιών κατά ISO Όρια τιμών ιξώδους Ομάδα ρευστότητας κατά ISO (cst) στους 40 o C Μέση τιμή ιξώδους (cst) στους 40 o C min max ISO VG 2 2.2 1.98 2.42 ISO VG 3 3.2 2.88 3.52 ISO VG 5 4.6 4.14 5.06 ISO VG 7 6.8 6.12 7.48 ISO VG 10 10 9 11.00 ISO VG 15 15 13.5 16.5 ISO VG 22 22 19.8 24.2 ISO VG 32 32 28.8 35.2 ISO VG 46 46 41.4 50.6 ISO VG 68 68 64.2 74.6 ISO VG 100 100 90 110 ISO VG 150 150 135 165 ISO VG 220 220 198 242 ISO VG 320 320 288 352 ISO VG 460 460 414 506 ISO VG 680 680 612 748 ISO VG 1000 1000 900 1100 ISO VG 1500 1500 1350 1650
5.11 Πίνακας 5.3. Κλάσεις λιπαντικών ελαίων στροφαλοθαλάμου κατά SAE (1)(2) (SAE viscosity grades for engine oils (1)(2) )