Охрана труда при выполнении лабораторной работы

ЦелЬ работы

Ознакомиться с методиками измерения плотности и кинематической вязкости жидкости.

Опытным путём изучить зависимость изменения плотности и кинематической вязкости жидкостей от температуры.

Общие сведения

Важнейшими физико-механическими свойствами жидкостей являются такие, которые определяют её поведение в гидравлическом приводе и её взаимодействие с элементами гидропривода. К числу важнейших физико-механических свойств жидкостей относятся плотность и вязкость.

2.1. Плотность.

Плотностью ρ называется масса жидкости, отнесенная к единице объёма

, , (1)

где m – масса жидкости;

V – объём жидкости.

Плотность рабочих жидкостей зависит от температуры и от давления, т.е.

.

Изменение плотности жидкости с изменением температуры определяется уравнением Д.И. Менделеева

, (2)

где и – значения плотности при температурах ;

– коэффициент теплового объёмного расширения.

В соответствии с требованиями ГОСТ 3900-47 в качестве исходных данных используется значение плотности жидкости при температуре (таблица 1).

Величина коэффициента теплового объёмного расширения, как показывают экспериментальные данные, зависит от плотности рабочей жидкости. С уменьшением плотности жидкости коэффициент объёмного расширения увеличивается. Некоторые значения коэффициента теплового объёмного расширения представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Параметры рабочих жидкостей гидравлических приводов.

Параметры рабочих жидкостей	1 группа	2 группа	3 группа
МГЕ-4А (ТУ 38101573-75)	ЛЗ-МГ-2 (ТУ 38101328-73)	АМГ-10 (ГОСТ 6794-75)	МГЕ-10 (ТУ 38101572-75)	ВМГЗ (ТУ 38101473-74)	АУ (ГОСТ 1642-75)	МГ- 20 (ТУ 3810150-70)	МГ -30 (ТУ 381ё0150-70)	ИС-45 (ГОСТ 20799-75)
Плотность ρ кг/м3 при θ = 20°С ГОСТ 3900-47	–			–		886-896			–
Вязкость ν, сСт
ν50°	3,6	4,0				12-14	17-23	27-33	38-52
ν-40°	–	–	–	–		–	–	–	–
ν-50°					–	–	–	–	–
Температура вспышки в открытом тигле, °С
Температура застывания, °С	-70	-70	-70	-70	-60	-45	-40	-35	-10

Таблица 2

Изменение коэффициента теплового объёмного расширения минеральных масел от их плотности.

ρ0, кг/м3	βθ, 1/оС	ρ0, кг/м3	βθ, 1/оС
	8,2·10-4		6,4·10-4
	7,7·10-4		6,0·10-4
	7,2·10-4	–	–

Для экспериментального определения плотности рабочих жидкостей применяют специальный прибор, называемый денсиметром. Денсиметр (рис.1) представляет собой запаянный стеклянный сосуд, имеющий два цилиндрических участка – нижний большого диаметра и верхний меньшего диаметра. В нижней части сосуда помещен балласт , в виде маленьких металлических шариков. На верхнем участке нанесены деления, которые соответствуют плотности жидкости, отнесенной к плотности воды при температуре 4°С. Так как денсиметры имеют малый диапазон измерений, они выпускаются наборами, из которых выбирают конкретный денсиметр с диапазоном измерения близким к ожидаемой плотности исследуемой жидкости. Для определения плотности денсиметр опускают в испытываемую жидкость и по верхнему краю мениска производят отсчёт.

Рис. 1. Денсиметр

2.2. Вязкость.

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это физическое свойство жидкости обусловлено силами межмолекулярного сцепления и поэтому проявляется при её движении.

При слоистом движении реальной жидкости каждые её слои перемещаются с различной скоростью. Поэтому на границе двух смежных слоев жидкости возникают касательные напряжения. Согласно гипотезе, впервые высказанной Ньютоном в 1686 г. и экспериментально обоснованной русским ученым профессором Н.П. Петровым в 1863 г., величина касательного напряжения

, , (3)

где μ – динамическая вязкость жидкости;

– градиент скорости (в направлении, нормальном к движущимся слоям жидкости).

Исходя из приведенной формулы, динамическая вязкость

, . (4)

Динамическая вязкость численно равна касательному напряжению при градиенте скорости .

В системе СГС за единицу измерения динамической вязкости принимается пуаз:

1П = 1 .

1П – вязкость, при которой на границе двух смежных слоев жидкости на площади в 1 см² при градиенте скорости возникает сила, равная
1 дине,

.

В технических расчетах часто используют кинематическую вязкость.

Кинематической вязкостью называют отношение динамической вязкости жидкости к её плотности:

. (5)

В системе СГС за единицу измерения кинематической вязкости принимают стокс (Ст). Величина, в 100 раз меньшая 1 стокса, называется сантистоксом и обозначается сСт,

.

Вязкость жидкости зависит от температуры и давления. При увеличении температуры силы молекулярного сцепления в жидкости ослабевают и поэтому её вязкость уменьшается. Снижение температуры жидкости вызывает противоположный эффект.

Для определения вязкости жидкости применяются специальные приборы, называемые вискозиметрами.

В России применяют вискозиметры Пинкевича и Энглера, в США - Сейболта и Фурола, в Англии - Редвуда и во Франции - Барбье. Все аппараты, кроме вискозиметра Пинкевича и его модификаций, дают условные и разнородные единицы вязкости. Для перевода одних условных единиц вязкости в другие пользуются графиками и формулами. Вискозиметры – Пинкевича, Освальда, ВПЖ – обеспечивают определение вязкости в сантистоксах.

Рис.2 Стеклянные вискозиметры

ВНЖ, ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-3, ВПЖ-4

Рассмотрим устройство вискозиметра ВПЖ-2 (Рис.3), который установлен в учебной установке «Свойства жидкости СЖ-01М».

Вискозиметр ВПЖ-2, как разновидность вискозиметра Пинкевича, представляет собой U-образную трубку, устанавливаемую в вертикальной плоскости. Выше и ниже расширения 4 на капиллярном колене 5 нанесены риски А и В, позволяющие фиксировать объем протекающей через капилляр жидкости. Расширение 3 предохраняет от выброса жидкости из колена 5 в процессе работы с прибором. В нижней части колена 1 (трубки большого диаметра) имеется расширение 6, сделанное с целью сократить изменение нижнего уровня жидкости в U-образной трубке при заполнении расширения 4. В верхнем конце колена 1 находится отвод 2 стеклянной трубки, соединенный резиновым шлангом с резиновой грушей, а само колено при испытании закрывается пробкой (пальцем).

Рис. 3 Вискозиметр ВПЖ-2

Для определения вязкости, жидкость заливают в нижнюю часть U-образной трубки. Принцип работы вискозиметра: жидкость из емкости 6, подачей грушей давления в колено 1, загоняется по капилляру 5 в расширение 4 и немного в расширение 3. Затем дают жидкости возможность свободно течь под действием собственного веса. Устанавливают время истечения определенного объема (равного объему расширения 4 вискозиметра, от риски А до риски В) исследуемой жидкости через капиллярную трубку вискозиметра ВПЖ-2, для которого заранее установлена его постоянная. Вязкость жидкости определяется по формуле: ν = С∙Т, сСт, (6) где ν – кинематическая вязкость, сСт;

С – постоянная прибора, сСт/с; (у каждого вискозиметра своя постоянная).

Т – время, с.

Широкое применение в промышленности нашли вискозиметры Энглера – приборы, измеряющие вязкость жидкостей в условных единицах – градусах

Энглера, ,

где Т_θ – время истечения 200 см³ испытуемой жидкости через калиброванное отверстие вискозиметра при температуре θ^оС, с;

T₂₀ – время истечения 200 см³ дистиллированной воды через калиброванное отверстие вискозиметра при температуре θ = 20°С (водное число вискозиметра, указывается в паспорте прибора, обыкновенно скорость истечения воды при 20°С равна 50—52 сек.), с.

Зная вязкость в °Е, можно определить кинематическую вязкость жидкости, например, по формуле Уббелоде

. (7)

Различные жидкости при одной и той же температуре имеют различные значения кинематической вязкости. Более того, у разных жидкостей вязкость от температуры изменяется по различным зависимостям. В таблице 3 приведены значения кинематической вязкости для различных жидкостей.

Большинство зависимостей , применяющихся на практике, являются приближенными эмпирическими формулами, пригодными только для определённых жидкостей и для определённого диапазона температур.

Для минеральных масел в интервале температур θ =30….100°С часто применима формула В.Н. Прокофьева

, (8)

где – кинематическая вязкость при температуре ;

n – показатель степени.

По данным кафедры гидравлики и гидромашин ПНИПУ

, (9)

где – значение кинематической вязкости при .

Для воды зависимость вязкости от температуры определяется выражением

, (10)

где θ – температура воды, °С.

На рис. 4 представлены кривые изменения вязкости от температуры для различных масел.

Таблица 3

Зависимость кинематической вязкости различных жидкостей

от температуры (давление = 1 ата)

№ п/п	Вид жидкости	Кинематическая вязкость n, см2/с.
0°С	10°С	20°С	30°С	40°С	50°С	60°С	70°С	80°С	90°С	100°С
	Воздух сухой	0,137	0,147	0,157	0,166	0,176	0,186	0,196	0,2045	0,217	0,229	0,2378
	Вода пресная	0,0179	0,0130	0,0100	0,008	0,0066	0,0056	0,0048	0,0041	0,0036	0,0033	0,0029
	Керосин	–	–	0,022	–	–	–	–	–	–	–	–
	Трансформ. масло	0,705	0,379	0,225	0,147	0,103	0,0758	0,0578	0,0454	0,0366	0,0303	0,0256
	Веретенное АУ	–	0,740	0,490	0,325	0,212	0,140	0,093	0,0605	0,040	0,0261	0,0178
	Турбинное 22 (Л)	–	2,1	0,96	0,538	0,360	0,214	0,147	0,105	0,079	0,060	0,0475
	Турбинное 30 (УТ)	–	3,40	1,62	0,83	0,490	0,310	0,205	0,146	0,107	0,0795	0,060
	Турбинное 46 (Т)	–	6,50	2,80	1,40	0,750	0,450	0,284	0,195	0,140	0,102	0,078
	Дизельное масло	–	15,2	6,20	2,80	1,35	0,760	0,450	0,290	0,200	0,142	0,108
	Масло МС – 20	76,10	27,10	11,25	5,25	2,68	1,50	0,906	0,581	0,394	0,278	0,204
	Масло МК – 22	–	38,83	15,14	6,91	3,42	1,86	1,106	0,693	0,465	0,323	0,240
	Топочный мазут 40	–	–	45,00	15,00	6,50	3,20	1,70	0,950	0,600	0,390	0,270

4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
УЧЕБНОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Устройство установки (рис.5).

Установка состоит из термостата 1, на крышке 2 которого крепятся: электромотор 8 с вертушкой, вискозиметры 3 и 3а на планках, нагревательный элемент 7, термометр 10; колбы 5 и 5а, в которых размещаются исследуемые жидкости и денсиметры 6 и 6а, клемма заземления 11, и источника постоянного тока 9.

Термостат представляет собой стеклянный сосуд, заполненный дистиллированной водой, в которую помещены измерительные части вискозиметров, колбы, нагреватель, вертушка и рабочая часть термометра.

Источник питания постоянного тока Б5-47 для питания электромотора имеет диапазон ступенчатого регулирования от 0 до 30 Вольт.

На электрической схеме (Рис.6) видно, что нагреватель ЭН подключается к сети 220В 50Гц через электрическую розетку Ш1 и выключатель К1, а источник питания постоянного тока – через электрическую розетку Ш2 и выключатель К2. Конструктивно электрические розетки Ш1 и Ш2 смонтированы на одной панели с выключателями К1 и К2 и имеют надписи: «Нагреватель» и «Вертушка».

Рис. 5 Устройство учебной установки «Свойства жидкости СЖ-01М»

Рис. 6. Электрическая схема учебной установки

«Свойства жидкости СЖ-01М»

4.2. Принцип действия установки.

Вода в термостате 1 (Рис. 5) нагревается до нужной температуры с помощью нагревателя 7. Для равномерности температуры воды во всех частях термостата, нагрев производится при включенном двигателе 8 с вертушкой. Скорость вращения вертушки регулируется переключателем 12 источника питания постоянного тока 9. По достижении заданной температуры воды, нагреватель выключают. Температура контролируется термометром 10.

Перед началом проведения работ на учебной установке, в вискозиметры 4 и 4а и колбы 5 и 5а заливаются исследуемые жидкости, у которых будут определяться кинематические вязкости и плотности. Вискозиметры погружаются в воду так, чтобы верхние расширения были полностью в воде.

При достижении заданной температуры, закрывают пальцем открытый верхний конец трубки левого колена вискозиметра 3 (3а) и, с помощью груши 4 (4а) вискозиметра, вытесняют испытуемую жидкость в вискозиметре из колена 1 в колено 5 так, чтобы верхний уровень жидкости занимал, примерно, третью часть высоты верхнего расширения (см. рис. 3). (Образование пузырьков на свободной поверхности жидкости не допускается. При появлении пузырьков, повторить вытеснение жидкости из колена 1.) Освободить жидкость от избыточного давления со стороны колена 1, (убрав палец), дать ей возможность течь по капилляру под действием собственного веса. Наблюдать течение жидкости по капилляру (понижение уровня жидкости в правом колене); засечь по секундомеру время Т, прохождения уровня жидкости от риски А до риски В. По денсиметру 6 (6а) снимают показания плотности жидкости.

Вычислять значение кинематической вязкости жидкости по формуле 6.

Охрана труда при выполнении лабораторной работы

5.1 Не загромождайте рабочее место около установки.

5.2 При проведении лабораторной работы, возможно воздействие опасных и вредных производственных факторов: опасный уровень напряжения в электрической цепи 220В 50Гц, замыкание которой может пройти через тело человека.

5.3 Не опирайтесь на стеклянный сосуд термостата.

5.4 Не кладите ни чего на термостат.

5.5 Крышку термостата необходимо заземлить. Клемма для защитного заземления находится на крышке и имеет обозначение « ».

Источник постоянного тока Б5-47 заземляется автоматически третьей жилой электрического кабеля при подключении прибора к электросети трехштырьковой вилкой.

5.6 Следите за целостностью изоляции электрических шнуров и вилок электронагревателя и источника постоянного тока.

5.7 К работе с использованием учебной установки, разрешается приступать

после:

-прохождения инструктажа по "Инструкции по охране труда при работе

студентов на учебных установках в лаборатории гидравлики и гидромашин.

ИОТ-048-2005",

- изучения методических указаний к лабораторной работе, разработанной

с применением настоящей учебной установки,

- изучения руководства по эксплуатации вискозиметра,

- настоящего руководства по эксплуатации учебной установки.

5.8 Не работайте на не исправной учебной установке.

5.9 При пользовании учебной установкой запрещается:

- оставлять без присмотра работающее оборудование и электроприборы;

- эксплуатировать шнуры электропитания, провода и кабели с поврежденной или потерявшей защитные свойства изоляцией;

- пользоваться поврежденными вилками, розетками;

- тянуть шнур для отключения электронагревателя и источника питания постоянного тока от розетки электросети (тянуть необходимо вилку электрошнура);

- нагревать воду в термостате выше 80°С;

- прикасаться к нагревательному элементу после включения нагревателя;

- прикасаться голыми частями тела к стенкам термостата и к его крышке, при нагреве воды в термостате выше 40°С.