گرانروي سيالات كه شاخصي از مقاومت مولكول ها در برابر جريان است نقش مهمي در طراحي سيستم هاي انتقال مايعات دارد. بسیاری از فراورده های نفتی و برخی از مواد غیر نفتی بعنوان روان کننده استفاده می شوند و عملکرد درست دستگاه به گرانروی مناسب مایع مورد استفاده بستگی دارد. بعلاوه دانستن گرانروی بسیاری از سوختهای نفتی به منظور برآورد مناسب در ذخیره سازی، انتقال و شرایط کاربرد آن مهم است. بنابراین تعیین صحیح گرانروی بعنوان یک ویژگی برای بیشتر فراورده های نفتی ضروری است. براي ارزيابي گرانروي يك سیال به صورت عددي، آزمون هاي استاندارد مختلفي به كار گرفته مي شود. اگرچه اين آزمون ها در جزئيات كم و بيش با هم متفاوت هستند اما در كل داراي اصول بنيادي يكساني مي باشند.
در برخی روشهای استاندارد اندازه گیری گرانروی، مدت زمان مورد نياز براي جريان يافتن مقدار مشخصي از سیال در يك دماي خاص تحت تاثير نيروي ثقل از يك مجرا با ابعاد مشخص را اندازه گيري مي نمايند. هرچه سیال غليظ تر باشد زمان مورد نياز براي عبور بيشتر خواهد بود و در برخی از روشهای دیگر از طریق اندازه گیری تنش برشی نسبت به سرعت برشی سیال، گرانروی دینامیک یا مطلق بدست می اید. كنترل دقيق دما هنگام اندازه گیری گرانروی بسیار مهم مي باشد. گرانروي هر سیال با سرد شدن افزايش و با گرم شدن كاهش مي يابد. به همين دليل مقدار گرانروي سیال بايستي به همراه دمايي كه در آن اندازه گيري مي شود گزارش گردد.
انواع گرانروی
1.گرانروی کینماتیک (سینماتیک)
گرانروی کینماتیک، ʋ، عبارت است از گرانروی دینامیکی یک سیال تقسیم بر چگالی آن در یک دمای اندازه گیری شده یکسان.
= ʋ
در معادله فوق η گرانروی دینامیکی و ⍴ چگالی سیال در دمای مشخص است.
همچنین گرانروی کینماتیک عبارت است از مقاومت سیال در برابر جاری شدن تحت نیروی جاذبه که توسط روش آزمون ASTM D445 تعیین می شود. بمنظور تعیین گرانروی کینماتیک، به حجم مشخصی از سیال مورد آزمایش اجازه داده می شود تا تحت تاثیر نیروی وزن، فاصله ی میان دو نقطه مشخص از لوله موئین مندرج (گرانروی سنج) که به دقت در دمای کنترل شده ای نگه داشته شده را طی کند و زمان طی شده را اندازه گیری می کنند و با استفاده از فاکتور لوله ی موئین (فاکتور لوله ی موئین بستگی به نوع آن دارد و توسط کارخانه سازنده مشخص و بر روی آن درج میشود) گرانروی کینماتیک بدست می آید. گرانروی کینماتیک، برحسب سانتی استوک (cst)و از اندازه گیری زمان جریان برحسب ثانیه و درجه بندی ثابت گرانروی سنج بدست می آید. گرانروی کینماتیک تابع فشار است. با افزایش فشار، گرانروی کینماتیک گازها کاهش می یابد ولی گرانروی کینماتیک مایعات افزایش می یابد.
مفهوم «گرید روغن» که در تمامی کاتالوگ ها، برچسب ها، گزارشها و سایر مدارک معرفی یک محصول لوبریکانت درج می شود، براساس ویسکوزیته سینماتیک روغن بیان می شود. این «گرید» در دمای40 درجه سلسیوس اندازه گیری شده و گزارش می شود. البته، برای برخی از روغنها که قرار است در شرایط دمایی گرم نیز کار کنند (مانند انواع روغن های موتوری، گیربکسی، کمپرسوری، توربینی، و…) ویسکوزیته کینماتیک، علاوه بر دمای فوق، در دمای 100 درجه سلسیوس نیز اندازه گیری و گزارش می شود. بر این اساس، طبقه بندیهای متعددی برای انواع روغن توسط سازمانهای مختلف، اعم از SAE، ISO، AGMA، و… ارائه شده است که تاحدودی قابل تبدیل به یکدیگرند. پیوست 1 را ببینید.
2. گرانروی دینامیکی (مطلق)
گرانروی دینامیکی، η، یا ضریب گرانروی یا گرانروی مطلق نسبت تنش برشی به سرعت برشی که مقاومت داخلی سیال در برابر جاری شدن می باشد. واحد عمومی متریک برای گرانروی مطلق، پویز[2] می باشد که بصورت نیروی مورد نیاز برای حرکت یک سانتیمتر مربع از سطحی در برابر سطحی دیگر بصورت موازی، با سرعت یک سانتیمتر برثانیه (cm/s) تعریف می شود که سطوح به وسیله فیلمی از سیال با ضخامت یک سانتیمتر جدا می شوند.
گرانروی دینامیک فقط تابعی از اصطکاک داخلی مایع است و یکی از عوامل اساسی در محاسبات طراحی یاتاقان ها و جریان مایع می باشد و میزان آن با اندازه گیری مقدار نیروی لازم برای غلبه بر نیروی اصطکاک بین دو لایه، با ابعاد مشخص تعیین می شود. تفاوت سرعت بین دو لایه سیال (که بستگی به جا به جایی خطی آن ها دارد) با سرعت برشی (s) شناخته می شود. این گرادیان سرعت به تنش برشی (τ) نیز مربوط می شود. گرانروی دینامیکی طبق رابطه زیر محاسبه می شود:
η = τ /s [N/m2. s-1] or [mPa.s] یا (سانتی پواز)
که در این رابطه τ تنش برشی، s سرعت برشی و η گرانروی دینامیکی می باشد. واحد معمول گرانروی، پواز و سانتی پواز می باشد. گرانروی مطلق تقسیم بر چگالی سیال برابر با گرانروی کینماتیک است.
گرانروی مطلق به طور نمونه بوسیله گرانروی سنج دوار که گشتاور را روی یک محور دوار تعیین می کند و به این ترتیب مقاومت برشی سیال مشخص می شود، اندازه گیری خواهد شد. تغییر اندازه روتور (محور) و فاصله بین روتور و محفظه استاتور و سرعت چرخش می تواند نسبت برشی را تغییر دهد.
شاخص گرانروی(VI)
شاخص گرانروی مقیاسی قراردادی است که برای نمایش مقدار تغییرات گرانروی در روغنهای روان کننده برحسب تغییرات دما مورد استفاده قرار می گیرد. در مباحث روانکاری هیچ یک از پارامترهایی که برای بیان تغییرات گرانروی با دما مطرح شده اند به اندازه ی شاخص گرانروی جایگاه خود را پیدا نکرده اند. که برای اولین بار در سال ۱۹۲۸ در آمریکا معرفی شده است، امروزه بعنوان یک شاخص بین المللی برای یک روغن استفاده می شود.
با مشاهده شکل 1 که براساس ویسکوزیته – دما می باشد، سیالاتی که شاخص گرانروی بالاتری دارند در اثر افزابش دما مقاومت بیشتری به جاری شدن دارند و گرانروی بالاتری نسبت به ترکیبات دیگر در همین دمای بالا و با شاخص گرانروی پایینتر. همچنین شکل 2 نیز رابطه گرانروی دینامیک با گرانروی کینماتیک در دماهای مختلف را نشان می دهد.
تغییرات گرانروی نسبت به درجه حرارت را شاخص گرانروی می گویند که عددی بدون بعد است و از صفر تا مقادیر ۱۰۰، ۲۰۰، ۳۰۰ و حتی بالاتر هم تغییر می کند. روغن با عدد VI پایین مانند 0VI= (شاخص گرانروی صفر)، گرانروی وابستگی زیادی به تغییرات دما دارد. این روغن با کاهش دما به سرعت غلیظتر شده و با افزایش دما به سرعت رقیق تر و نازک تر می شود. روغنهای با عدد VI بالا مانند 200 VI= (شاخص گرانروی بالا)، با کاهش دما غلیظ تر خواهند شد اما نه به سرعت و همچنین با افزایش دما رقیق ترمی شوند اما نه به سرعت و نه به اندازه روغن با شاخص گرانروی پایین. عدد VI همچنین می تواند منفی نیز باشد. جداول موجود در روش تست ASTM D 2270 بطور گسترده ای به منظور تعیین عدد VI مورد استفاده قرار می گیرند. بهرحال VI تمام داستان نیست، این فقط رابطه بین گرانروی و دما را بین دماهای ۴۰ و۱۰۰ درجه سانتیگراد نشان می دهد. دو روان کننده یا روغن پایه با عدد VI یکسان ممکن است تفاوت چشمگیری در دمای پایین در بازه ۵- و ۵۰- درجه سانتیگراد با هم داشته باشند.
شاخص گرانروی بیشتر روغن های معدنی موجود در بازار حدود ۱۰۰ است ولی روغن های چند درجه ای و روغنهای سنتزی گوناگون شاخص گرانروی بالاتری هم دارند برای مقادیر شاخص گرانروی بالاتر از ۱۰۰ نیز آزمون مخصوصی وجود دارد. لازم به ذکر است که در دماهای بالا گرانروی روغن کاهش نسبی کمتری نسبت به تغییرات دما دارد. شکل شماره ۳ تغییرات گرانروی کینماتیک با دما را برای تعدادی از روغن ها با مقادیر VI مختلف نشان می دهد.
تفاوت گرانروی کینماتیک و گرانروی دینامیک
در بین روشهای مختلف گرانروی سنجی دو روش متمایز وجود دارد که می توان گرانروی را توسط آنها بیان کرد، گرانروی کینماتیکی و گرانروی مطلق (شکل 10). تفاوت اصلی بین این دو این است که گرانروی کینماتیکی با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی جاذبه اندازه گیری می شود، درحالیکه گرانروی مطلق با مشاهده مقاومت سیال در برابر جریان تحت نیروی خارجی و کنترل شده، از طریق لوله مویین (کاپیلاری) یا توسط حرکت جسم در سیالات اندازه گیری می شود. گرانروی کینماتیکی با واحد سانتی استوک (cSt) گزارش می شود، اما گرانروی مطلق با واحد سانتی پواز (cP) گزارش می شود. بمنظور مقایسه، گرانروی مطلق اغلب با تقسیم بر وزن مخصوص سیال (SG) به گرانروی کینماتیکی تبدیل می شود.
عوامل موثر بر اندازه گیری گرانروی
اگرچه آزمون گرانروی سیالات ساده به نظر می رسد، اما انجام اندازه گیری دقیق روی روغنهای روانکار می تواند کار دشواری باشد. عوامل متعددی باید شناخته و ثابت نگه داشته شوند تا اندازه گیری درست باشد، مانند: 1- کنترل دما، 2- روش مناسب، 3 – دقت زمان سنج و 4- انتخاب نمونه مناسب. از نظر اهمیت، دما نسبت به گرانروی مانند گرانروی نسبت به روغن پایه است.
تنها وظیفه حمام کنترل دما این است که اطمینان حاصل شود که کل آزمایش اندازه گیری گرانروی در دمای دقیق (معمولاً در دمای 40 یا 100 درجه سانتیگراد) باقی می ماند و در 02/0 درجه سانتی گراد کنترل می شود که دراین خصوص مدیریت دمای حمام در این درجه می تواند چالش برانگیز باشد. با توجه به اینکه گرانروی مهمترین مشخصه فیزیکی ترکیبات نفتی و هیدروکربنی خصوصا روغن است، تلاش برای اندازه گیری گرانروی از طریق روشهای دقیق و استانداردهای معتبر می تواند با روانکاری ماشین آلات قابل اطمینان تر و در نهایت باعث طول عمر بیشتر ماشین الات خواهد شد.
طبقه بندی انواع روغنها بر اساس گرانروی
