Kinematik Viskozite Açıklaması
Kinematik Viskozite Nedir?
Kinematik viskozite, bir akışkanın yerçekimi kuvvetleri altında akmaya karşı iç direncinin bir ölçüsüdür. Sabit hacimli bir sıvının, yakından kontrol edilen bir sıcaklıkta, kalibre edilmiş bir viskozimetre içindeki bir kılcal damardan yerçekimi yoluyla bilinen bir mesafeye akması için gereken sürenin saniye cinsinden ölçülmesiyle belirlenir.
Bu değer, santimetre/saniye (cSt) veya milimetre kare gibi standart birimlere dönüştürülür. Viskozite raporlaması yalnızca testin gerçekleştirildiği sıcaklığın da rapor edilmesi durumunda geçerlidir - örneğin 40 derece C'de 23 cSt.
Kullanılmış yağ analizi için kullanılan tüm testler arasında hiçbiri viskoziteden daha iyi test tekrarlanabilirliği veya tutarlılığı sağlamaz. Benzer şekilde, etkin bileşen yağlaması açısından baz yağın viskozitesinden daha kritik bir özellik yoktur. Ancak viskozitede göründüğünden daha fazlası vardır. Viskozite dinamik (mutlak) viskozite veya kinematik viskozite olarak ölçülebilir ve raporlanabilir. İkisi kolayca karıştırılır, ancak önemli ölçüde farklıdır.
En çok kullanılan yağ analiz laboratuvarları kinematik viskoziteyi ölçer ve rapor eder. Buna karşılık, sahadaki çoğu viskozimetre dinamik viskoziteyi ölçer, ancak kinematik viskoziteyi tahmin etmek ve raporlamak üzere programlanmıştır; böylece rapor edilen viskozite ölçümleri çoğu laboratuvar ve madeni yağ tedarikçisi tarafından rapor edilen kinematik sayıları yansıtır.
Viskozite analizinin önemi ve tesis dışı laboratuvar yağ analizini taramak ve desteklemek için kullanılan yerinde yağ analiz cihazlarının artan popülaritesi göz önüne alındığında, petrol analistlerinin dinamik ve kinematik viskozite ölçümleri arasındaki farkı anlaması önemlidir.
Genel olarak viskozite, bir akışkanın belirli bir sıcaklıkta akmaya karşı gösterdiği dirençtir (kayma gerilimi). Bazen viskoziteye yanlışlıkla kalınlık (veya ağırlık) adı verilir. Viskozite boyutsal bir ölçüm değildir, bu nedenle yüksek viskoziteli petrolü kalın ve daha az viskoziteli petrolü ince olarak adlandırmak yanıltıcıdır.
Benzer şekilde, trend amaçları doğrultusunda sıcaklığa referans vermeden viskoziteyi raporlamak da anlamsızdır. Viskozite okumasının yorumlanması için sıcaklığın tanımlanması gerekir. Tipik olarak viskozite, viskozite indeksi gerekiyorsa 40°C'de ve/veya 100°C'de veya her ikisinde de rapor edilir.
Kinematik Viskozite Denklemi
Viskoziteyi ifade etmek için çeşitli mühendislik birimleri kullanılır, ancak açık ara en yaygın olanı kinematik viskozite için centistoke (cSt) ve dinamik (mutlak) viskozite için centipoise (cP)'dir. 40°C'de cSt cinsinden kinematik viskozite, ISO 3448 kinematik viskozite derecelendirme sisteminin temelini oluşturur ve bu sistem onu uluslararası standart haline getirir. Saybolt Universal Seconds (SUS) ve SAE derecelendirme sistemi gibi diğer yaygın kinematik viskozite sistemleri, viskozitenin 40°C veya 100°C'de cSt cinsinden ölçümüyle ilişkilendirilebilir.
Kinematik Viskozitenin Ölçülmesi
Kinematik viskozite, yağın yer çekimi kuvveti altında kılcal boru deliğinden geçmesi için geçen sürenin kaydedilmesiyle ölçülür (Şekil 1). Kinematik viskozimetre tüpünün deliği akışa karşı sabit bir direnç üretir. Değişken viskozitedeki sıvıları desteklemek için farklı boyutlarda kılcal damarlar mevcuttur.
Sıvının kılcal tüp içerisinden akması için geçen süre, her tüp için sağlanan basit bir kalibrasyon sabiti kullanılarak kinematik viskoziteye dönüştürülebilir. Kinematik viskozite ölçümlerini gerçekleştirmeye yönelik baskın prosedür, zamandan tasarruf etmek ve test ölçümünü daha verimli hale getirmek için sıklıkla kullanılmış yağ analiz laboratuvarında değiştirilen ASTM D445'tir.
Şekil 1. Kapiler U-Tüp Viskozimetre
Dinamik Viskozitenin Ölçülmesi (Mutlak Viskozite)
Dinamik viskozite, harici ve kontrollü bir kuvvet (pompa, basınçlı hava vb.) yağı bir kılcal borudan (ASTM D4624) zorladığında veya bir cisim, aşağıdaki gibi harici ve kontrollü bir kuvvet tarafından sıvının içinden geçirildiğinde akışa karşı direnç olarak ölçülür. bir motor tarafından tahrik edilen bir mil. Her iki durumda da, giriş kuvvetinin bir fonksiyonu olarak akışa (veya kesmeye) karşı direnç ölçülür; bu, numunenin uygulanan kuvvete karşı iç direncini veya dinamik viskozitesini yansıtır.
Mutlak viskozimetrelerin çeşitli türleri ve düzenlemeleri vardır. Şekil 2'de gösterilen Brookfield döner yöntemi en yaygın olanıdır. Mutlak viskozite ölçümü, makine yağlama alanında araştırma uygulamaları, kalite kontrol ve gres analizi için kullanılmıştır.
Şekil 2. Döner Viskozimetre ASTM D2983
Dinamik viskozitenin laboratuarda geleneksel Brookfield yöntemiyle test edilmesine yönelik prosedürler ASTM D2983, D6080 ve diğerleri tarafından tanımlanmaktadır. Bununla birlikte, kullanılmış yağ analizi alanında dinamik viskozite yaygınlaşmaktadır çünkü günümüzde piyasada satılan çoğu yerinde viskozimetre kinematik viskoziteyi değil dinamik viskoziteyi ölçmektedir.
Genel olarak konuşursak, kinematik viskozite (cSt), şekil 3'teki denklemlere göre sıvının özgül ağırlığının (SG) bir fonksiyonu olarak mutlak viskozite (cP) ile ilgilidir.
Şekil 3. Viskozite Denklemleri
Bu denklemler ne kadar basit ve zarif görünse de, yalnızca Newton tipi akışkanlar olarak adlandırılan akışkanlar için geçerlidir. Ayrıca sıvının özgül ağırlığının trend periyodu boyunca sabit kalması gerekir. Kullanılmış yağ analizinde bu koşulların hiçbirinin sabit olduğu varsayılamaz, bu nedenle analistin, varyansın meydana gelebileceği koşulların farkında olması gerekir.
Kinematik Viskozite: Newtonian ve Newtonian Olmayan Sıvılar
Newton sıvısı, tüm kesme hızlarında sabit viskoziteyi koruyan bir sıvıdır (kayma gerilimi, kesme hızıyla doğrusal olarak değişir). Bu akışkanlara Newton tipi denir çünkü Sir Isaac Newton'un Akışkanlar Mekaniği Kanununda oluşturduğu orijinal formülü takip ederler. Ancak bazı sıvılar bu şekilde davranmaz. Genel olarak Newtonyen olmayan akışkanlar olarak adlandırılırlar. Newton sıvıları arasında gazlar, su, yağ, benzin ve alkol bulunur.
Tiksotropik olarak adlandırılan bir grup Newtonyen olmayan sıvı, kullanılmış yağ analizinde özellikle ilgi çekicidir çünkü tiksotropik bir sıvının viskozitesi, kesme hızı arttıkça azalır. Tiksotropik bir akışkanın viskozitesi, kayma hızı azaldıkça artar. Tiksotropik sıvılarda ayar süresi, gres durumunda olduğu gibi görünen viskoziteyi artırabilir. Newtonyen olmayan akışkanların örnekleri şunları içerir:
Kesme kalınlaştırıcı sıvılar: kesme hızı arttıkça viskozite artar. Örneğin mısır nişastası suya konup karıştırıldığında zamanla koyulaşmaya başlar.
Kaymayı incelten sıvılar: Kayma hızı arttıkça viskozite azalır. Duvarlarınızın boyası buna iyi bir örnektir. Boyayı karıştırdıkça daha akıcı hale gelir.
Tiksotropik sıvılar: çalkalandığında daha az viskoz hale gelir. Bunun yaygın örnekleri domates ketçapı ve yoğurttur. Çalkalandıktan sonra daha akıcı hale gelirler. Kendi başlarına bırakıldıklarında jel benzeri bir duruma geri dönerler.
Reopektik sıvılar: çalkalandığında daha viskoz hale gelir. Bunun yaygın bir örneği yazıcı mürekkebidir.
Kinematik Viskozite: Pratik Bir Örnek
Önünüzde iki kavanoz olduğunu hayal edin; biri mayonezle, diğeri balla dolu. Her iki kavanoz da Velcro ile masanın yüzeyine yapıştırılmış haldeyken, kendinizi aynı tereyağ bıçaklarını her bir sıvıya aynı açıda ve aynı derinliğe batırdığınızı hayal edin. Aynı saldırı açısını korurken bıçakları aynı devirde döndürerek iki sıvıyı karıştırdığınızı hayal edin.
İki sıvıdan hangisinin karıştırılması daha zordu? Cevabınız, karıştırılması mayonezden çok daha zor olan bal olmalıdır. Şimdi kavanozları masanın üzerindeki Velcro'dan çıkardığınızı ve kavanozları yan çevirdiğinizi hayal edin. Kavanozdan hangisi daha hızlı akar; bal mı yoksa mayonez mi? Cevabın tatlım olmalı; Kavanozu yan çevirdiğinizde mayonez hiç akmayacaktır.
Hangi sıvı daha viskozdur: bal mı yoksa mayonez mi? Mayonez dediyseniz haklısınız… en azından kısmen. Aynı şekilde tatlım dediyseniz kısmen haklısınız. Görünen anormalliğin nedeni, bıçağı her iki maddede döndürürken kesme hızının değişmesi, her kavanozun kendi tarafında döndürülmesinin ise sadece akışa karşı statik direnci ölçmesidir.
Bal Newton tipi bir sıvı iken mayonez Newton tipi olmayan bir sıvı olduğundan, kesme hızı arttıkça veya bıçak döndürüldükçe mayonezin viskozitesi düşer. Karıştırma mayonezi yüksek bir kesme gerilimine maruz bırakır ve bu da mayonezin zorlama etkisine boyun eğmesine neden olur. Tersine, kavanozun basitçe yan yatırılması, mayonezi düşük bir kesme gerilimine maruz bırakır, bu da çok az viskozite değişikliğine neden olur veya hiç değişiklik olmaz, dolayısıyla kavanozun içinde kalma eğilimi gösterir.
Newtonyen olmayan bir sıvının viskozitesi geleneksel olarak ölçülemez. Bunun yerine, viskozite ölçümünün yapıldığı kesme hızını dikkate alan görünür viskozitenin ölçülmesi gerekir. (Bkz. Şekil 4) Test sıcaklığı rapor edilmedikçe viskozite ölçümlerinin bir anlamı olmadığı gibi, görünür viskozite ölçümleri de test sıcaklığı ve kayma hızı rapor edilmedikçe bir anlam ifade etmez.
Örneğin, gresin viskozitesi hiçbir zaman raporlanmaz, bunun yerine gresin görünür viskozitesi centipoises (cP) cinsinden rapor edilir. (Not: viskozite, gresi yapmak için kullanılan baz yağ için rapor edilebilir, ancak bitmiş ürün için raporlanmaz.)
Genel olarak konuşursak, bir sıvı, ana sıvı içinde süspanse edilmiş (fakat kimyasal olarak çözünmemiş) bir maddeden oluşuyorsa Newtonyen değildir. Bunun gerçekleşmesi için emülsiyonlar ve kolloidal süspansiyonlar olmak üzere iki temel kategori vardır. Bir emülsiyon, birbiriyle karışmayan iki sıvının kararlı fiziksel bir arada bulunmasıdır. Mayonez, konakçı sıvı olan yağa emülsifiye edilmiş yumurtalardan oluşan, Newtonyen olmayan yaygın bir sıvıdır. Mayonez Newtonyen olmadığından, uygulanan kuvvetle viskozitesi azalır ve yayılmasını kolaylaştırır.
Koloidal bir süspansiyon, bir ana akışkan içinde stabil bir şekilde süspanse edilen katı parçacıklardan oluşur. Birçok boya kolloidal süspansiyondur. Boya Newton tipi olsaydı, ya kolayca yayılır ama viskozitesi düşükse akmazdı ya da büyük zorlukla yayılır ve fırça izleri bırakırdı, ancak viskozite yüksekse akmazdı.
Boya Newtonyen olmadığı için, fırçanın kuvveti altında viskozitesi azalır, ancak fırça kaldırıldığında eski haline döner. Sonuç olarak boya nispeten kolaylıkla yayılır ancak fırça izi bırakmaz ve akmaz.
Dinamik ve Kinematik Viskozite: Fark Nedir?
Dinamik viskozite, yağın sağladığı film kalınlığını belirler. Kinematik viskozite, yağın sağlayabileceği film kalınlığının derecesini tahmin etmek için yalnızca uygun bir girişimdir, ancak yağın Newtonyen olmaması durumunda daha az önemi vardır.
Pek çok yağlayıcı formülasyonu ve koşulu, Newtonyen olmayan bir sıvı üretecektir; örneğin:
Viskozite İndeksi (VI) İyileştirici Katkı Maddeleri - Çok dereceli mineral bazlı motor yağları (doğal olarak yüksek VI baz yağlar hariç), düşük sıcaklıklarda kompakt olan ve artan sıvı çözünürlüğüne yanıt olarak yüksek sıcaklıklarda genleşen yaylı bir katkı maddesi ile formüle edilmiştir. Bu katkı maddesi molekülü, ana yağın moleküllerinden farklı olduğu için Newton'a uygun olmayan bir şekilde davranır.
Su Kirliliği - Yağ ve serbest su kimyasal olarak karışmaz. Ancak belirli koşullar altında, daha önce tartışılan mayoneze benzer şekilde birleşerek bir emülsiyon oluşturacaklardır. Kremalı kahveye benzeyen yağı gören herkes bu gerçeği doğrulayabilir. Her ne kadar mantığa aykırı gibi görünse de su kirliliği, yağa emülsifiye edildiğinde aslında kinematik viskoziteyi artırır.
Termal ve Oksidatif Bozunma Yan Ürünleri - Birçok termal ve oksidatif bozunma yan ürünü çözünmez ancak stabil bir süspansiyon halinde yağ tarafından taşınır. Bu askıya almalar Newton'a uygun olmayan davranışlar yaratır.
Kurum - Dizel motorlarda yaygın olarak karşılaşılan kurum, yağda kolloidal süspansiyona neden olan bir parçacıktır. Yağın, kurum parçacıklarının topaklaşmasını ve büyümesini önlemek için tasarlanmış dağıtıcı katkı maddesi, koloidal bir süspansiyonun oluşumunu kolaylaştırmaya yarar.
Yukarıda açıklanan bu yaygın olarak karşılaşılan emülsiyonlar veya kolloidlerden birinin mutlak viskozitesi, değişken kayma oranlı mutlak viskozimetre (örneğin, ASTM D4741) ile ölçülseydi, kesme hızı arttıkça ölçüm bir stabilizasyon noktasına kadar azalacaktı. .
Kinematik viskoziteyi tahmin etmek için bu stabilize mutlak viskozite sıvının özgül ağırlığına bölünürse, hesaplanan değer ölçülen kinematik viskoziteden farklı olacaktır. Yine, Şekil 3'teki denklemler yukarıda açıklanan Newton olmayan akışkanlar için değil, yalnızca Newton tipi akışkanlar için geçerlidir; bu tutarsızlığın ortaya çıkmasının nedeni budur.
Kinematik Viskozite ve Özgül Ağırlık Etkileri
Şekil 3'teki denklemlere tekrar bakın. Newton tipi bir sıvının mutlak ve kinematik viskoziteleri, sıvının özgül ağırlığının bir fonksiyonu olarak ilişkilidir. Şekil 1'deki aparatı düşünün; vakum ortadan kaldırıldığında serbest kalan numune yağı içeren ampul, daha sonra yağı kılcal boru boyunca yönlendiren bir basınç yüksekliği üretir.
Tüm akışkanların aynı basınç değerini üreteceği varsayılabilir mi? Hayır, basınç, sıvının özgül ağırlığının veya aynı hacimdeki suyun ağırlığına göre ağırlığının bir fonksiyonudur. Çoğu hidrokarbon bazlı yağlama yağının özgül ağırlığı 0,85 ile 0,90 arasındadır. Ancak yağ bozundukça veya kirlendikçe (örneğin glikol, su ve aşınma metalleri) bu durum zamanla değişebilir, bu da mutlak ve kinematik viskozite ölçümleri arasında bir fark oluşmasına neden olur.
Tablo 2'de sunulan verileri göz önünde bulundurun. Yeni petrol senaryolarının her biri aynıdır ve her iki durumda da mutlak viskozite, genellikle viskozitedeki bir değişikliğin kınanacak sınırı olan yüzde 10 oranında artar. Senaryo A'da, özgül ağırlıktaki küçük bir değişiklik, ölçülen mutlak viskozite ile kinematik viskozite arasında hafif bir farkla sonuçlanır.
Bu diferansiyel, yağ değiştirme alarmının çalmasını biraz geciktirebilir ancak çok fazla hataya neden olmaz. Ancak B senaryosunda fark çok daha büyüktür. Burada özgül ağırlık önemli ölçüde artar ve bu da kinematik viskozitede ölçülen yüzde 1,5'lik bir artışla sonuçlanır; buna karşılık mutlak viskozimetreyle ölçülen yüzde 10'luk bir artış vardır.
Bu, analistin durumu raporlanamaz olarak tanımlamasına yol açabilecek önemli bir farktır. Yapılan hata, her iki senaryoda da akışkanların Newtoniyen kaldığı varsayımıdır.
Newtonyen olmayan akışkanlar oluşturmanın birçok olasılığı nedeniyle, yağ analisti ve yağlama teknolojisi uzmanı için asıl ilgi konusu parametre mutlak viskozite olmalıdır. Sıvının film kalınlığını ve bileşen yüzeylerinin korunma derecesini belirleyen şey budur. Ekonomi, basitlik ve kullanılmış yağ analizi için yeni yağlayıcı test prosedürlerinin yaygın olarak kullanılması nedeniyle, yağın kinematik viskozitesi, yağ yönetimi kararlarının alınmasında ve eğiliminin belirlenmesinde kullanılan ölçülen parametredir. Ancak bazı durumlarda bu, bir yağın viskozitesinin belirlenmesinde gereksiz hatalara neden olabilir.
Sorun basit matematiğe indirgenebilir. Şekil 3'teki denklemlerin önerdiği gibi mutlak ve kinematik viskozite, petrolün özgül ağırlığının bir fonksiyonu olarak ilişkilidir. Hem viskozite hem de özgül ağırlık dinamikse ancak yalnızca biri ölçülürse bir hata oluşacaktır ve kinematik viskozite, ilgilenilen parametre olan akışkanın mutlak viskozitesindeki değişimin doğru bir değerlendirmesini sağlamayacaktır. Hata miktarı, ölçülmeyen parametredeki, yani özgül ağırlıktaki değişim miktarının bir fonksiyonudur.
Kinematik Viskoziteye İlişkin Önemli Sonuçlar
Viskozite ölçümüyle ilgili bu tartışmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:
Laboratuvarın viskoziteyi kinematik yöntemlerle ölçtüğünü varsayarsak, özgül ağırlık ölçümünün rutin bir laboratuvar yağ analiz programına eklenmesi, ölçülen kinematik viskoziteden mutlak viskozitenin tahmin edilmesinde bir değişken olarak bunun ortadan kaldırılmasına yardımcı olacaktır.
Sahada bir viskozimetre kullanırken, laboratuvarın kinematik viskozimetresi ile sahadaki cihaz arasında tam bir uyum aramayın. Bu cihazların çoğu mutlak viskoziteyi (cP) ölçer ve kinematik viskoziteyi (cSt) tahmin etmek için genellikle özgül ağırlığı sabit tutan bir algoritma uygular. Sahadaki viskozimetreden elde edilen sonuçları cP cinsinden trendlendirmeyi düşünün.
Ölçülen parametredir ve sahadaki trendin, kinematik bir viskozimetre ile laboratuvar tarafından üretilen veri trendinden ayırt edilmesine yardımcı olur. Yerinde ve laboratuvar bazlı viskozite ölçümleri arasında mükemmel bir uyum elde etmeye çalışmayın. Bu boşunadır ve çok az değer üretir. En iyi ihtimalle gevşek korelasyon arayın. Yeni yağı her zaman kullanımdaki yağla kullandığınız aynı viskozimetreyle temellendirin.
Newton tipi olmayan akışkanların belirli bir kinematik viskozite için aynı kinematik viskoziteye sahip Newton tipi akışkanlarla aynı film korumasını sağlamadığını unutmayın. Newtonyen olmayan bir sıvının viskozitesi kesme hızına göre değişeceğinden, filmin gücü çalışma yükü ve hızı altında zayıflar. Bu, emülsifiye suyun, akışkan film mukavemetinin kritik olduğu döner elemanlı rulmanlar gibi bileşenlerdeki aşınma oranını artırmasının nedenlerinden biridir (tabii ki su, buharlı kavitasyon, pas ve hidrojen gevrekleşmesi ve kabarma gibi diğer aşınma mekanizmalarına da neden olur).
Viskozite kritik bir sıvı özelliğidir ve viskozitenin izlenmesi, yağ analizi için çok önemlidir. Dinamik ve kinematik viskozite ölçüm teknikleri, kullanılmış yağları test ederken çok farklı sonuçlar üretebilir. Doğru yağlama kararlarının verilebilmesi için viskozite ölçümünün ve viskoz akışkan davranışının tüm ayrıntılarının anlaşıldığından emin olun.