Mgawo wa mnato ni kigezo muhimu cha kigiligili cha kufanya kazi au gesi. Kwa maneno ya kimwili, mnato unaweza kufafanuliwa kuwa msuguano wa ndani unaosababishwa na msogeo wa chembe zinazounda wingi wa chombo kioevu (gesi), au, kwa urahisi zaidi, ukinzani wa kusogea.
Mnato ni nini
Jaribio rahisi zaidi la kimajaribio la kubainisha mnato: kiasi sawa cha maji na mafuta hutiwa kwenye uso laini ulioinama kwa wakati mmoja. Maji hutoka kwa kasi zaidi kuliko mafuta. Yeye ni kioevu zaidi. Mafuta ya kusonga yanazuiwa kukimbia haraka na msuguano wa juu kati ya molekuli zake (upinzani wa ndani - viscosity). Kwa hivyo, mnato wa kimiminika unawiana kinyume na umajimaji wake.
Uwiano wa mnato: fomula
Katika umbo lililorahisishwa, mchakato wa kusogezwa kwa giligili mnato kwenye bomba unaweza kuzingatiwa katika mfumo wa tabaka tambarare sambamba A na B zenye eneo la uso sawa S, umbali kati ya ambayo ni h.
Tabaka hizi mbili (A na B) husogea kwa kasi tofauti (V na V+ΔV). Safu A, ambayo ina kasi ya juu zaidi (V + ΔV), inahusisha safu B, ambayo inasonga kwa kasi ya chini (V). Wakati huo huo, safu B inaelekea kupunguza kasi ya safu A. Maana ya kimwili ya mgawo wa mnato ni kwamba msuguano wa molekuli, ambayo ni upinzani wa tabaka za mtiririko, huunda nguvu ambayo Isaac Newton alielezea na fomula ifuatayo:
F=µ × S × (ΔV/h)
Hapa:
- ΔV ni tofauti ya kasi ya tabaka za mtiririko wa maji;
- h – umbali kati ya tabaka za mtiririko wa maji;
- S - eneo la uso wa safu ya mtiririko wa maji;
- Μ (mu) - mgawo kulingana na sifa ya kioevu, inayoitwa mnato kabisa unaobadilika.
Katika vitengo vya SI, fomula inaonekana kama hii:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekunde)
Hapa F ni nguvu ya mvuto (uzito) ya ujazo wa kitengo cha umajimaji unaofanya kazi.
Thamani ya mnato
Mara nyingi, mgawo wa mnato unaobadilika hupimwa kwa centipoise (cP) kwa mujibu wa mfumo wa CGS wa vitengo (sentimita, gramu, sekunde). Kwa mazoezi, mnato unahusiana na uwiano wa wingi wa kioevu kwa kiasi chake, yaani, kwa wiani wa kioevu:
ρ=m / V
Hapa:
- ρ - msongamano wa kioevu;
- m – wingi wa umajimaji;
- V ni ujazo wa kioevu.
Uhusiano kati ya mnato unaobadilika (Μ) na msongamano (ρ) unaitwa mnato wa kinematic ν (ν - kwa Kigiriki -uchi):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Kwa njia, mbinu za kubainisha mgawo wa mnato ni tofauti. Kwa mfano, mnato wa kinematic bado hupimwa kwa mujibu wa mfumo wa CGS katika centistoke (cSt) na katika vitengo vya sehemu - stoke (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Kubainisha mnato wa maji
Mnato wa maji hubainishwa kwa kupima muda unaochukua kwa umajimaji kutiririka kupitia mirija ya kapilari iliyorekebishwa. Kifaa hiki kinarekebishwa na maji ya kawaida ya mnato unaojulikana. Ili kubaini mnato wa kinematiki, unaopimwa kwa mm2/s, muda wa mtiririko wa kiowevu, unaopimwa kwa sekunde, huzidishwa na kisichobadilika.
Kipimo cha kulinganisha ni mnato wa maji yaliyoyeyushwa, ambayo thamani yake ni karibu kutobadilika hata halijoto inapobadilika. Mgawo wa mnato ni uwiano wa muda katika sekunde ambao huchukua kiasi kisichobadilika cha maji yaliyoyeyushwa kutiririka kutoka kwenye mwalo uliorekebishwa hadi ule wa umajimaji unaojaribiwa.
Viscometers
Mnato hupimwa kwa digrii Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") au digrii Redwood (°RJ) kulingana na aina ya viscometer inayotumika. Aina tatu za viscometer hutofautiana tu katika kiasi cha umajimaji ukitoka.
Mnato wa kupima viscometer katika kitengo cha digrii ya Uropa Engler (°E), imekokotolewa200cm3 kioevu kinachotiririka. Kipima mnato cha kupima mnato katika Sekunde za Saybolt Universal ("SUS" au "SSU" inayotumika Marekani) ina sentimita 603 ya umajimaji wa majaribio. Nchini Uingereza, ambapo digrii za Redwood (°RJ) hutumiwa, kipima mnato hupima mnato wa 50 cm3 umajimaji. Kwa mfano, ikiwa 200 cm3 ya mafuta fulani inapita polepole mara kumi kuliko ujazo sawa wa maji, basi mnato wa Engler ni 10°E.
Kwa sababu halijoto ni kipengele muhimu katika kubadilisha mgawo wa mnato, kwa kawaida vipimo huchukuliwa kwanza kwa halijoto isiyobadilika ya 20°C, na kisha kwa viwango vya juu zaidi. Kwa hivyo matokeo yanaonyeshwa kwa kuongeza halijoto ifaayo, kwa mfano: 10°E/50°C au 2.8°E/90°C. Mnato wa kioevu saa 20 ° C ni kubwa zaidi kuliko mnato wake kwa joto la juu. Mafuta ya haidroli yana mnato ufuatao kwa viwango vyake vya joto:
190 cSt kwa 20°C=45.4 cSt kwa 50°C=11.3 cSt kwa 100°C.
Tafsiri maadili
Uamuzi wa mgawo wa mnato hutokea katika mifumo tofauti (Kiamerika, Kiingereza, GHS), na kwa hivyo mara nyingi ni muhimu kuhamisha data kutoka kwa mfumo mmoja wa vipimo hadi mwingine. Ili kubadilisha thamani za mnato wa umajimaji zinazoonyeshwa kwa digrii Engler hadi centistoke (mm2/s), tumia fomula ifuatayo ya majaribio:
ν(cSt)=7.6 × °E × (1-1/°E3)
Kwa mfano:
- 2°E=7.6 × 2 × (1-1/23)=15.2 × (0.875)=13.3 cSt;
- 9°E=7,6 × 9 × (1-1/93)=68.4 × (0.9986)=68.3 cSt.
Ili kubaini kwa haraka mnato wa kawaida wa mafuta ya majimaji, fomula inaweza kurahisishwa kama ifuatavyo:
ν(cSt)=7.6 × °E(mm2/s)
Kuwa na mnato wa kinematic ν katika mm2/s au cSt, unaweza kuibadilisha kuwa mgawo unaobadilika wa mnato Μ kwa kutumia uhusiano ufuatao:
M=ν × ρ
Mfano. Kwa muhtasari wa fomula mbalimbali za ubadilishaji wa digrii Engler (°E), centistoke (cSt) na centipoise (cP), tuseme kwamba mafuta ya majimaji yenye msongamano wa ρ=910 kg/m3 ina mnato wa kinematic wa 12° E, ambao katika vitengo vya cSt ni:
ν=7.6 × 12 × (1-1/123)=91.2 × (0.99)=90.3 mm2/s.
Kwa sababu 1cSt=10-6m2/s na 1cP=10-3N×s/m2, kisha mnato unaobadilika utakuwa:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6 910=0.082 N×s/m2=82 cP.
Kigezo cha mnato wa gesi
Inabainishwa na muundo (kemikali, mitambo) ya gesi, athari ya halijoto, shinikizo, na hutumika katika hesabu za nguvu za gesi zinazohusiana na mwendo wa gesi. Katika mazoezi, mnato wa gesi huzingatiwa wakati wa kubuni maendeleo ya uwanja wa gesi, ambapo mabadiliko ya mgawo huhesabiwa kulingana na mabadiliko katika muundo wa gesi (hasa muhimu kwa maeneo ya gesi ya condensate), joto na shinikizo.
Kokotoa mnato wa hewa. Taratibu zitakuwa sawa namikondo miwili iliyojadiliwa hapo juu. Tuseme vijito viwili vya gesi U1 na U2 vinasogea sambamba, lakini kwa kasi tofauti. Convection (kupenya kuheshimiana) ya molekuli itatokea kati ya tabaka. Kwa hivyo, kasi ya mkondo wa hewa inayosonga kwa kasi itapungua, na ile inayosonga polepole zaidi itaongeza kasi.
Mgawo wa mnato wa hewa, kwa mujibu wa sheria ya Newton, unaonyeshwa kwa fomula ifuatayo:
F=-h × (dU/dZ) × S
Hapa:
- dU/dZ ndio kipenyo cha mwendo;
- S - eneo la athari kwa nguvu;
- Mgawo h - mnato unaobadilika.
kiashiria cha mnato
Kielezo cha mnato (VI) ni kigezo ambacho hulinganisha mabadiliko ya mnato na halijoto. Uwiano ni uhusiano wa takwimu, katika kesi hii idadi mbili, ambayo mabadiliko ya joto hufuatana na mabadiliko ya utaratibu katika viscosity. Kadiri index ya mnato inavyokuwa juu, ndivyo mabadiliko kati ya maadili haya mawili yanavyopungua, yaani, mnato wa giligili inayofanya kazi ni thabiti zaidi na mabadiliko ya joto.
Mnato wa mafuta
Misingi ya mafuta ya kisasa ina index ya mnato chini ya uniti 95-100. Kwa hivyo, katika mifumo ya majimaji ya mashine na vifaa, vimiminika vya kutosha vya kufanya kazi vinaweza kutumika, ambavyo vinapunguza mabadiliko makubwa ya mnato chini ya hali ya joto kali.
Mgawo wa mnato "Inayopendeza" unaweza kudumishwa kwa kuanzisha viungio maalum vya mafuta (polima) vilivyopatikana wakati wa kunereka kwa mafuta. Wanaongeza index ya mnato wa mafuta kwaakaunti ya kuzuia mabadiliko ya sifa hii katika muda unaoruhusiwa. Katika mazoezi, kwa kuanzishwa kwa kiasi kinachohitajika cha viongeza, index ya chini ya mnato wa mafuta ya msingi inaweza kuongezeka hadi vitengo 100-105. Walakini, mchanganyiko unaopatikana kwa njia hii hudhoofisha sifa zake kwa shinikizo la juu na mzigo wa joto, na hivyo kupunguza ufanisi wa nyongeza.
Katika saketi za nguvu za mifumo ya majimaji yenye nguvu, vimiminika vya kufanya kazi vilivyo na kiashiria cha mnato cha vitengo 100 vinapaswa kutumika. Maji ya kufanya kazi na viungio vinavyoongeza index ya mnato hutumiwa katika mizunguko ya udhibiti wa majimaji na mifumo mingine inayofanya kazi katika safu ya shinikizo la chini / la kati, katika safu ndogo ya joto, na uvujaji mdogo na operesheni ya kundi. Kwa shinikizo la kuongezeka, viscosity pia huongezeka, lakini mchakato huu hutokea kwa shinikizo la juu ya 30.0 MPa (300 bar). Kimsingi, kipengele hiki mara nyingi hupuuzwa.
Kipimo na faharasa
Kulingana na viwango vya kimataifa vya ISO, mgawo wa mnato wa maji (na midia nyingine ya kioevu) huonyeshwa kwa centistoke: cSt (mm2/s). Vipimo vya mnato wa mafuta ya kusindika vinapaswa kufanywa kwa joto la 0 ° C, 40 ° C na 100 ° C. Kwa hali yoyote, katika nambari ya daraja la mafuta, mnato lazima uonyeshwe na takwimu kwa joto la 40 ° C. Katika GOST, thamani ya mnato hutolewa kwa 50 ° C. Alama zinazotumika sana katika hidroli za kihandisi ni kati ya ISO VG 22 hadi ISO VG 68.
Mafuta ya majimaji VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 kwa 40°C yana maadili ya mnato yanayolingana na kuashiria kwao: 22, 32, 46, 68 na 100 cSt. Mojawapomnato wa kinematic wa maji yanayofanya kazi katika mifumo ya majimaji ni kati ya 16 hadi 36 cSt.
Jumuiya ya Wahandisi wa Magari ya Marekani (SAE) imeanzisha safu za mnato katika halijoto mahususi na kuwapa misimbo inayofaa. Nambari inayofuata W ni mnato kabisa unaobadilika Μ kwa 0°F (-17.7°C) na mnato wa kinematic ν ulibainishwa kuwa 212°F (100°C). Faharasa hii inatumika kwa mafuta ya misimu yote yanayotumika katika tasnia ya magari (usambazaji, injini, n.k.).
Athari ya mnato kwenye hydraulics
Uamuzi wa mgawo wa mnato wa kioevu sio tu wa maslahi ya kisayansi na kielimu, lakini pia hubeba thamani muhimu ya vitendo. Katika mifumo ya majimaji, maji ya kazi sio tu kuhamisha nishati kutoka kwa pampu hadi motors hydraulic, lakini pia kulainisha sehemu zote za vipengele na kuondoa joto linalotokana na jozi za msuguano. Mnato wa giligili ya kufanya kazi ambayo haifai kwa modi ya uendeshaji inaweza kuathiri vibaya utendakazi wa majimaji yote.
Mnato wa juu wa kiowevu kinachofanya kazi (mafuta ya msongamano mkubwa sana) husababisha hali zifuatazo hasi:
- Kuongezeka kwa upinzani dhidi ya mtiririko wa maji ya majimaji husababisha kushuka kwa shinikizo kupita kiasi katika mfumo wa majimaji.
- Kupungua kwa kasi ya udhibiti na mienendo ya kiufundi ya viimilisho.
- Maendeleo ya cavitation kwenye pampu.
- Sifuri au utoaji hewa wa chini sana kutoka kwa mafuta ya tanki ya maji.
- Inaonekanakupoteza nguvu (kupungua kwa ufanisi) wa majimaji kutokana na gharama kubwa za nishati ili kuondokana na msuguano wa ndani wa maji.
- Kuongezeka kwa torque ya mashine kuu ya kusongesha kulikosababishwa na kuongezeka kwa mzigo wa pampu.
- Kupanda kwa halijoto ya kiowevu cha hydraulic kutokana na kuongezeka kwa msuguano.
Kwa hivyo, maana halisi ya mgawo wa mnato iko katika ushawishi wake (chanya au hasi) kwenye vipengele na taratibu za magari, mashine na vifaa.
Kupoteza nguvu ya majimaji
Mnato mdogo wa umajimaji unaofanya kazi (mafuta ya msongamano mdogo) husababisha hali zifuatazo hasi:
- Kupungua kwa ufanisi wa ujazo wa pampu kutokana na kuongezeka kwa uvujaji wa ndani.
- Ongezeko la uvujaji wa ndani katika vijenzi vya majimaji vya mfumo mzima wa majimaji - pampu, vali, visambazaji vya majimaji, mota za maji.
- Kuongezeka kwa uchakavu wa pampu za pampu na msongamano wa pampu kutokana na mnato wa kutosha wa kigiligili cha kufanya kazi kinachohitajika ili kutoa ulainishaji wa sehemu za kusugua.
Mfinyazo
Kioevu chochote kinabana kwa shinikizo. Kuhusiana na mafuta na vipozezi vinavyotumika katika majimaji ya uhandisi wa mitambo, imethibitishwa kwa uthabiti kwamba mchakato wa kukandamiza ni sawia na wingi wa kioevu kwa kiasi. Uwiano wa mgandamizo ni wa juu zaidi kwa mafuta ya madini, chini sana kwa maji, na chini sana kwa vimiminiko vya syntetisk.
Katika mifumo rahisi ya majimaji yenye shinikizo la chini, kubana kwa umajimaji kuna athari ndogo katika upunguzaji wa ujazo wa awali. Lakini katika mashine zenye nguvu na hydraulic ya juushinikizo na mitungi kubwa ya majimaji, mchakato huu unajidhihirisha dhahiri. Kwa mafuta ya madini ya majimaji kwa shinikizo la 10.0 MPa (bar 100), kiasi hupungua kwa 0.7%. Wakati huo huo, mabadiliko ya kiasi cha mgandamizo huathiriwa kidogo na mnato wa kinematic na aina ya mafuta.
Hitimisho
Uamuzi wa mgawo wa mnato hukuruhusu kutabiri utendakazi wa vifaa na taratibu chini ya hali mbalimbali, kwa kuzingatia mabadiliko katika muundo wa kioevu au gesi, shinikizo, joto. Pia, udhibiti wa viashirio hivi ni muhimu katika sekta ya mafuta na gesi, huduma, na sekta nyinginezo.
