مفهوم شاخص ویسکوزیته روغن به زبان ساده

یکی از ویژگی‌های مهم و بارز در سیالات، وجود خاصیت روان شدن یا جاری شدن آن‌ها است. در دنیای علم برای اندازه‌گیری میزان روان شدن سیالات از پارامتر یا مشخصه‌ای به نام ویسکوزیته استفاده می‌کنند. ویسکوزیته هر سیال تحت تأثیر عوامل مختلفی بوده و برای افرادی که در صنعت فعالیت دارند، دانستن میزان ویسکوزیته یک سری از مواد ضروری است. دانستن ویسکوزیته روغن و سایر فرآورده‌های نفتی در صنعت اهمیت زیادی داشته و به همین آشنایی با این مفهوم برای فعالان، مدیران و منهدسان صنایع ضروری است.

تعریف ویسکوزیته به زبان ساده

اگر با یک جمله ساده بخواهیم ویسکوزیته را تعریف کنیم، باید بگوییم که ویسکوزیته معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت سیال در برابر جاری شدن است. به عبارتی ویسکوزیته میزان اصطکاک مولکول‌های داخلی سیال در حال حرکت را توصیف می‌کند.

هرچه اصطکاک داخلی مولکول‌ها بیشتر باشد، مقاومت در برابر جاری شدن سیال بیشتر بوده و ویسکوزیته آن سیال نیز بالاتر است؛ اما برعکس هرچه ویسکوزیته سیال کمتر باشد، ترکیب مولکولی سیال مقاومت کمتری در برابر حرکت داشته و اصطکاک کمی ایجاد می‌شود و بنابراین سیال راحت‌تر جریان پیدا خواهد کرد.

ویسکوزیته روغن چیست؟

ویسکوزیته معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت روغن‌های روانکاری در برابر جریان است. طبق تئوری روانکاری هیدرودینامیکی (Hydrodynamic Lubrication Theory) می‌توان گفت که هر چه ویسکوزیته روغن بیشتر باشد، ضخامت لایه‌مرزی که محل تماس روغن جاری و سطح را جدا می‌کند، بیشتر می‌شود. مهم‌ترین عاملی که می‌توانیم بگوییم تغییر آن می‌تواند تأثیر زیادی بر ویسکوزیته و گرانروی روغن داشته باشد، دما است.

 

همچنین می توانید مقاله روغن هیدرولیک  را بخوانید

آشنایی با مفهوم شاخص ویسکوزیته

شاخص ویسکوزیته (viscosity index) که به‌طور خلاصه VI نیز نامیده می‌شود، تأثیر بسیار زیادی بر کیفیت محصول نهایی دارد. درواقع شاخص ویسکوزیته یک کمیت استاندارد است که تغییرات ویسکوزیته سینماتیکی با دما را بررسی می‌کند. هر چه که مقدار شاخص ویسکوزیته اعلامی بیشتر شود، نشان‌دهنده این است که ویسکوزیته تأثیرپذیری کمتری از دما دارد یا به عبارت ساده‌تر، دما تاثیر زیادی بر میزان ویسکوزیته روغن ندارد.

چرا میزان شاخص گرانروی برای روغن اهمیت زیادی دارد؟

کنترل شاخص گرانروی یا همان ویسکوزیته برای بسیاری از صنایع به‌خصوص صنایع نفت اهمیت ویژه‌ای دارد. درواقع به دلیل کاربردهای بسیار زیادی که روغن‌ها یا همان روانکارها در صنایع دارند، میزان ویسکوزیته و فلوییدیتی (fluidity) تأثیر بسیار زیادی در عملکرد دستگاه‌ها و در آخر، محصول تولیدی نهایی دارد.

ویژگی‌های ویسکوزیته روغن در دماهای مختلف به شیوه‌های گوناگون در فرآیندهای صنعتی صنایع مختلف به کار می‌رود و هر صنعت با توجه به نیازهای خود، تغییراتی در ویسکوزیته به‌وسیله تغییر دما به وجود می‌آورد تا بتواند آن را متناسب با استانداردهای تولیدی خود کند.

تأثیر دما بر تغییرات ویسکوزیته روغن

پارامتر دما و تأثیر آن بر روی ویسکوزیته روغن‌های روان کننده یا همان گریس‌ها یکی از عوامل تعیین‌کننده عملکرد روانکارها در سیستم‌های مکانیکی است. با توجه به اینکه گرانروی روغن به‌سرعت با افزایش دما، کاهش پیدا می‌کند، این کاهش ویسکوزیته ممکن است منجر به بروز مشکلات عملکردی شدید در سیستم‌های مکانیکی صنعتی و حتی حمل‌ونقل شود.

از سوی دیگر افزایش دما بر اثر اصطکاک در سیستم‌های تریبیولوژی (tribology systems) مانند چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها و موتورها اجتناب‌ناپذیر بوده و حتی محیط‌های عملیاتی با دمای بالا مانند توربین‌های بخار یا گاز نیز می‌توانند موجب تولید گرما و کاهش ویسکوزیته ماده روانکار شوند.

اگر به‌طور علمی‌تر بخواهیم به اهمیت ماجرا اشاره‌کنیم، باید بگوییم که حضور و پایداری فیلم روان کننده‌ (lubricating film) بین بدنه قطعات یا تجهیزاتی که با یکدیگر در تماس هستند، بسیار اهمیت دارد. برای مثال در مواردی که سیستم در دماهای پایین ( زیر صفر) قرار است کار کند، روغن‌های روان کننده به علت دمای پایین، سفت تر شده و در برابر حرکت مقاومت می‌کنند. پس برای مهندسین انتخاب روانکار مناسب با توجه به تغییرات دمای کار سیستم برای اطمینان از عملکرد مناسب آن‌ها بسیار اهمیت دارد.

نحوه محاسبه ویسکوزیته

امروزه برای محاسبه ویسکوزیته انواع روغن‌ها در دماهای مختلف از روابط تجربی زیادی استفاده می‌شود که رابطه رینولدز را می‌توان معروف‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها معرفی کرد. رابطه رینولدز که آن را در ادامه مشاهده می‌کنید، کاهش ویسکوزیته بر اثر افزایش دما را با یک تابع نمایی نشان می‌دهد:

η=ae^-bT

در این رابطه، اِتا، ویسکوزیته دینامیکی بوده و a و b ثابت‌های تجربی هستند. این رابطه بسیار ساده بوده و برای برخی از سیالات در محدوده‌های دمایی خاص کاربرد دارد.
چند سال بعد در ۱۹۲۸، والتر نیز رابطه‌ای را برای محاسبه گرانروی سیالات پیشنهاد داد:

ѵ=(^p(1/T)r)-s

در این رابطه، ѵ (نو)، نشان‌دهنده ویسکوزیته سینماتیکی (kinematic viscosity) و r، p، q و s ثوابت تجربی هستند. نمودار و جدول ویسکوزیته ASTM (D341) طبق این رابطه تشکیل‌شده است. شکل کلی رابطه بالا را می‌توان برای بقیه سیالات این‌گونه بیان کرد:

log₁₀.log₁₀.Z=A-B.log₁₀.T

در این معادله دما (T) برحسب کلوین بوده و a و b ثابت هستند. Z نیز در این رابطه تابعی از ویسکوزیته سینماتیکی در cST mm^{2}/s است. این رابطه برای انواع روغن‌های نفتی در بازه دمایی ۷۰- درجه سانتی گراد تا ۳۷۰ درجه سانتی‌گراد با دقت خوبی تغییرات ویسکوزیته را نشان می‌دهد.

 

همچنین می توانید مقاله روغن دنده صنعتی را بخوانید

نحوه محاسبه شاخص ویسکوزیته روغن

شاخص ویسکوزیته روغن را بر اساس اندازه‌گیری ویسکوزیته این ماده در دو دمای مرجع متفاوت که یکی ۳۷٫۸ و دیگری ۹۸٫۹ درجه سانتی‌گراد است، محاسبه می‌کنند. اندازه‌گیری شاخص ویسکوزیته برای انواع روغن‌ها در فرآیند تولید آن‌ها بسیار سخت است؛ زیرا طبق استانداردها، این شاخص باید در این دو دما اندازه‌گیری شود اما فرآیند تولید ممکن است در دماهایی غیرازاین دو دما انجام شود. برای اندازه‌گیری ویسکوزیته انواع روغن در دو دمای مرجع از محلول‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شود.

انواع آنالایزرهای مورداستفاده در سنجش گرانروی روغن

• آنالایزرهای مویرگی: ابتدا به‌وسیله یک پمپ ویسکوزیته دینامیکی اندازه‌گیری شده و برای محاسبه ویسکوزیته سینماتیکی از چگالی سنج خارجی استفاده می‌شود. شاخص ویسکوزیته نیز به کمک دو آنالایزر که هرکدام در یکی از دماهای مرجع قرار دارند، انجام می‌شود.

• آنالایزرهای مبتنی بر ویسکومتر ارتعاشی: یک آنالایزر به‌تنهایی امکان اندازه‌گیری آنلاین ویسکوزیته در دو دمای مرجع را داشته و شاخص ویسکوزیته را طبق استاندارد ASTM D 2270-04 اعلام می‌کند.

کلام پایانی

برای تعیین شاخص ویسکوزیته روغن به محاسبه ویسکوزیته روغن در دو دمای مختلف نیاز داریم که این مرجع‌ها پس از بررسی‌ها تعیین‌شده و در جهان نیز پذیرفته‌شده‌اند. محاسبه گرانروی روغن را می‌توان با کمک روابط ریاضی معرفی‌شده انجام داد اما در صنعت معمولاً به دلیل خطاهایی که این معادلات دارند، از دستگاه‌های ویژه‌ای برای آنالیز و محاسبه گرانروی استفاده‌شده و درنهایت نیز جدول ویسکوزیته برای روغن در دماهای مختلف تهیه می‌شود.

منابع:

https://www.sofraser.com

https://lubricants.totalenergies.com