1AB Badanie gęstości oleju PDF

Preview

Summary

1AB Badanie gęstości oleju...

Description

Data wykonania ćwiczenia 2017-04-04 Imię, Nazwisko Studenta XXXYYY Kierunek, rodzaj studiów Stacjonarne Grupa E1-31 Zespół lab III Rok ak. 2016/17

Ćw. A+B 1. Oznaczenie gęstości produktów naftowych metodą piknometryczną 2. Penetracja smarów stałych 3. Pomiar stężenia mieszanin paliwowych metodą kolorymetryczną 4. Pomiar dynamicznego współczynnika lepkości olejów metodą Hoepplera 5. Pomiar lepkości względnej metodą Englera.

1. Badanie gęstości oleju 1.1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia było zapoznanie się z metodami badania gęstości produktów naftowych oraz wyznaczenie gęstości oleju silnikowego GM Motor Oil 15W 40 metodą piknometryczną.

1.2. Podstawowe definicje. Gęstością danego ciała nazywamy stosunek jego masy wyrażonej w kilogramach do objętości wyrażonej w m3. Gęstością względną nazywamy stosunek gęstości danego ciała 1 do gęstości 2 innego ciała przyjętego za wzorcowe. Jak wynika z definicji, gęstość względna jest liczbą niemianowaną. Ciało, względem którego określamy gęstość względną, nazywa się wzorcowym. Najczęściej jako wzorcowe ciało używamy wody destylowanej. Gęstość wody destylowanej w temperaturze 4°C ciśnieniem 1013 Pa (760 mm Hg) jest równa 1000 kg/m3. Gęstość bezwzględna, inaczej zwana masą właściwą, jest to stosunek masy ciała do objętości, którą zajmuje, wyrażona w jednostkach [kg/m3]. Piknometr jest to niewielkie naczynie w kształcie kolby z dokładnie doszlifowanym korkiem. W środku korka znajduje się kanalik, przez który może wypływać nadmiar cieczy z naczynia.

1.3. Schemat stanowiska pomiarowego.

Rys.1.1. Schemat stanowiska pomiarowego do oznaczania gęstości oleju silnikowego metodą piknometryczną.

1.4. Metodyka pomiarowa. I. Zważyć piknometr na wadze analitycznej dokładnością do 0,001 g. II. Do piknometru nalać wody destylowanej tak, aby wypełniła piknometr do poziomu wyznaczonego przez szyjkę piknometru. III. Zważyć piknometr z wodą destylowaną na wadze analitycznej z dokładnością do 0,001g. IV. Opróżnić piknometr z wody destylowanej i wysuszyć. V. Do piknometru nalać oleju silnikowego tak, aby wypełnił on piknometr do poziomu wyznaczonego przez szyjkę piknometru. VI. Ustawić temperaturę łaźni termostatu ( np. na 30 °C ). VII. Odczekać do momentu aż woda w termostacie osiągnie zadaną temperaturę. VIII. Umiesić piknometr z olejem w łaźni termostatu, ponownie odczytać wartość temperatury i odczekać 20 minut. IX. Piknometr wypełniony podgrzanym olejem wyjąć z łaźni, osuszyć bibułką i zważyć na wadze analitycznej z dokładnością do 0,001g. X. Powtórzyć czynności z punktów VI-IX zwiększając wartości temperatur ( np. wykonać pomiary również dla 50 i 70 C). XI. Otrzymane wyniki zanotować.

1.5. Algorytm obliczeń z przykładem obliczeniowym dla pierwszego pomiaru: a) Wyznaczenie stałej piknometru: m= m2w - m1= 18,525 – 8,360= 10,165 g Gdzie: m2w- masa piknometru wypełnionego wodą destylowaną [g] m1- masa pustego piknometru [g] b) Wyznaczenie przybliżonej wartości gęstości:

ῥ 34 =

m 3−m 1 17,240 −8,360 g =0,8736 3 = 10,165 m cm Gdzie: m3- masa piknometru wypełnionego badaną cieczą [g] m1-masa pustego piknometru [g] m-stała piknometru [g]

c) Wyznaczenie dokładnej wartości gęstości:

ρ34 =0,9982∙ ῥ 34 + 0,00120=0,9982 ∙ 0,8736 + 0,00120=0,8732

kg g =873,21 3 3 m cm

Gdzie:

0,9982 g/cm3- gęstość wody w temperaturze 200C,

0,00120 g /cm 3 - gęstość masy powietrza w temp 200C i ciśnieniu 1013,25hPa.

1.6. Wyniki obliczeń Tabela 1.1. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń.

Lp. 1 2

Masa piknometru napełnionego badanym olejem [g] 17,064 16,951

Temperatura [°C] 34 43

Gęstość oleju kg 3 m 873,21 861,72

[ ]

880 870

Gęstośc oleju [kg/m3]

860 850 840 830 820 810 30

40

50

60

70

80

90

100

110

Temperatura [ C] Rys. 2. Charakterystyka zmienności gęstości badanego oleju w zależności od temperatury. Przeprowadzona została ekstrapolacja przebiegu zmienności funkcji dla zależności gęstości oleju od temperatury, przewidując, że zmienność ta będzie miała charakter liniowy . Punkty po za zakresem uzyskanych danych pomiarowych, zostały wyznaczone na podstawie funkcji liniowej opisanej równaniem: y = - 0,5745*a + 892,743 i określone dla trzech różnych temperatur: 74, 94 i 104 C.

1.7. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń stworzony został wykres zależności gęstości badanego oleju od jego temperatury. Podczas pomiarów zostały wykonane jedynie dwa pomiary, ze względu na ograniczenie czasowe (długi czas nagrzewania się łaźni termostatu do zadanej temperatury i czas przebywania piknometru w łaźni), jednak przewidując charakter zmienności gęstości w funkcji

temperatury, możliwe było wyznaczenie powyższej charakterystyki, na podstawie, której można zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury oleju maleje jego gęstość. Na podstawie pomiarów można stwierdzić, że ćwiczenie zostało przeprowadzone poprawnie, ponieważ po ponownym zważeniu piknometru wraz z próbką oleju wartość masy uległa zmniejszeniu.

2. Penetracja smarów stałych. 2.1. Cel ćwiczenia: Penetracja smarów stałych oraz zapoznanie się z budową i zasadą działania penetrometru.

2.2. Podstawowe definicje: Zasada metod polega na pomiarze głębokości zanurzenia w badanym smarze lub petroleum o temperaturze 25°C znormalizowanego stożka penetracyjnego, opadającego w ciągu 5 sekund w ustalonych w normie PN-88/04133 warunkach. Głębokość zanurzenia stożka zależy od typu smaru, rodzaju zagęszczacza i jego zawartości w oleju. Jest to wielkość charakteryzująca konsystencję smarów stałych, czyli środków smarujących o konsystencji stałej lub półpłynnej. Im wyższa jest wartość penetracji, tym smar ma mniejszą odporność na wyciskanie, natomiast przy zmniejszeniu się penetracji, zwiększają się straty energii na pokonanie oporów tarcia i trudniej jest wprowadzić smar pomiędzy współdziałające części. Wartość penetracji mierzy się, aby można było ocenić (w przybliżeniu) wartość użytkową smaru, np. zdolność wytrzymywania obciążenia czy odporność na wyciskanie spomiędzy współpracujących części. Im wyższa jest wartość penetracji, tym smar ma mniejszą odporność na wyciskanie, natomiast przy zmniejszeniu się penetracji, zwiększają się straty mocy na pokonanie oporów tarcia i trudniej jest wprowadzić smar między współpracujące części. Istnieje kilka sposobów na penetrację smaru: - penetracja smaru nienaruszonego, przeprowadza się ją w oryginalnym opakowaniu w stanie nienaruszonym; - penetracja bez ugniatania, penetracja próbki o konsystencji jaką ma smar w oryginalnym opakowaniu, przeniesiony do naczynia penetracyjnego; - penetracja po ugniataniu, penetracja próbki po mechanicznym ugniataniu smaru w naczyniu penetracyjnym, przez wykonanie 60 podwójnych suwów tłoka w ciągu 60s. - penetracja po przedłużonym ugniataniu, penetracja próbki po mechanicznym ugniataniu smaru w naczyniu penetracyjnym, przez wykonanie więcej niż 60 podwójnych suwów tłoka

2.3. Budowa stanowiska pomiarowego:

Rys. 2.1. Schemat stanowiska pomiarowego.

1. statyw 2. statyw pionowy 3. stolik 4. śruba poziomująca 5. poziomica 6. lusterko 7. jarzmo 8. sworzeń 9. guzik zwalniający

10. tarcza 11. wskazówka 12. pręt 13. stożek penetrujący 14. igła mocująca 15. śruba zaciskowa 16. pokrętło regulujące wysokość 17. naczynie ze smarem 18. ciężarek

2.4. Zasada pomiaru: Pomiary wykonano zgodnie z normą PN-ISO 2137:2011 2.5. Metodyka pomiaru: a) wypełnić za pomocą łopatki naczynie penetracyjne próbką badanego smaru b) wypoziomować penetrometr c) umieścić naczynie penetracyjne na stoliku penetrometru d) stożek penetracyjny wstawić w tulejkę sworznia penetrometru i umocować śrubą zaciskową e) dosunąć stożek do naczynia ze smarem tak, aby odległość ostrza stożka od powierzchni smaru była nie większa niż 0.1 mm f) dosunąć pręt do sworznia i nastawić wskaźnik tarczy na punkt zerowy g) nacisnąć na zacisk zwalniający sworzeń penetrometru, trzymając go w tej pozycji przez 5 sekund h) dosunąć ponownie pręt do sworznia i odczytać penetrację wskazaną na tarczy przez wskazówkę i) podnieść sworzeń ze stożkiem, stożek oczyścić i po wymieszaniu, wgnieceniu i wygładzeniu powierzchni smaru łopatką przeprowadzić następny pomiar j) powtórzyć wymienione czynności jeszcze pięć razy, a następnie przeprowadzić te same czynności badawcze dla drugiej próbki smaru 2.6. Tabela z pomiarami i wynikami: Tabela 2.1. Wyniki pomiarów i obliczeń. Rodzaj smaru

SŁG-3

KALTON EP-1

Lp.

Średnia Średnia Wartości Średni błąd wartość katalogowe Penetracja wartość kwadratowy penetracji penetracji [mm] w [mm]

1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

197 204 200 205 199 210 378 377 383 381 380 384

202,5

1,9450793

20,25

17,5-25,0

380,5

1,118034

38,05

30,5-34,5

2.7. Wnioski: Ćwiczenie pozwoliło określić wartości penetracji dla badanych smarów. Mając podane wyniki pomiarów i obliczeń wraz z wartościami katalogowymi zestawionymi w tabeli 1 możemy przeanalizować, że w przypadku smaru KALTON EP-1 wartości penetracji były, zgodnie z oczekiwaniami, wyższe niż podane w katalogu, ponieważ wartości katalogowe odnoszą się do penetracji po ugniataniu w temperaturze t=25*C, a badany smar nie był dokładnie ugniatany, ponieważ nie było takiej dokładnej możliwości. W przypadku smaru SŁG-3 wartości penetracji mieściły się w dolnych granicach wartości katalogowych, co nie odpowiada oczekiwaniom, ponieważ smar nie był dokładnie ugniatany. Wynika to

prawdopodobnie z zestarzenia się smaru. Wpływ też mogła mieć niższa od zakładanej temperatura pomiarowa. Wartości średniego błędu kwadratowego są niewielkie i nie przekraczają 1% wartości średniej penetracji.

3. Pomiar stężenia metodą kolorymetryczną 3.1. Cel ćwiczenia Pomiar stężenia roztworów metodą kolorymetryczną.

3.2. Schemat stanowiska 1. Żarówka 2. Zwierciadło 3. Naczynie wzorcowe 4. Naczynie badany 5. Pręty szklane 6. Pryzmat romboidalny 7. Pryzmat 8. Soczewka 9. Filtr barwy 10. Soczewka 11. Lustro ruchome 12. Lustro stałe 13. Wsporniki 14. Wsporniki 15. Noniusz

Rys. 3.1. Schemat budowy kolorymetru

3.3. Metodyka pomiarowa Metoda oznaczania oparta jest na zmianie prześwietlonych roztworów tak, aby otrzymać równą intensywność zabarwienia obu probówek – sprawdzając zabarwienie przez okular gdzie widoczne są dwie próbki jednocześnie. 1. Podłączyć kolorymetr do sieci 2. Ustawić pręty szklane w takim położeniu, aby dotykały den naczyń (zerowanie przyrządu) 3. Sprawdzić prawidłowość oświetlenia obu połówek pola widzenia 4. Napełnić naczynia roztworem badanym i wzorcowym 5. Ustawić głębokość zanurzenia prętów szklanych w taki sposób, aby

natężenia oświetlenia obserwowanych połówek pola widzenia były jednakowe 6. Dokonać dziesięciu odczytów grubości prześwietlanych warstw roztworów: Wzorcowego(Lwx) i badanego (Lx)

3.4. Algorytm obliczeń i przykład obliczeniowy Stężenie roztworu badanego liczymy ze wzoru:

C x=

Cwz∗L wz Lx Przykład:

C x=

0,035∗2,9 =0,028 3,6

Lx – grubość warstwy roztworu Lwz – grubość warstwy wzorcowego Cx – stężenie roztworu badanego Cwz – stężenie roztworu wzorcowego

3.5. Tabela pomiarowa i wyników

Tabela.3.1. Przedstawienie wyników pomiarów i obliczeń

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 śrenia

Badany [cm] 2,3 2,8 1,5 2,4 2,9 2,2 2,3 2,9 2,2 2,8

Wzorcow y [cm] 2,6 3,2 2,0 2,9 3,6 2,9 3,0 3,5 2,6 3,6

Cwz [-]

0,035

Lp.

Cx [-] 0,031 0,031 0,026 0,029 0,028 0,027 0,027 0,029 0,030 0,027 0,284

3.6. Wnioski Wyniki jakie uzyskaliśmy zapisane są w tabeli 1. Na jej podstawie można wnioskować, że otrzymane w doświadczeniu wartości stężenia roztworu badanego Cx są zbliżone do stężenia roztworu wzorcowego Cwz, maksymalna wartość otrzymanego stężenia wynosi 0,031 minimalna 0,027. Średnia wartość stężenia uzyskanego w doświadczeniu wynosi 0,0284. Różnice w otrzymanych wartościach mogą wynikać z niedokładności pomiaru i subiektywności wykonanych odczytów . Metoda ta nie

pozwala na dokładne zmierzenie stężenia roztworu, pozwala nam jednak

oszacować jakie stężenie ma dany roztwór.

4. Pomiar dynamicznego współczynnika lepkości olejów metodą Hoepplera 4.1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia było zapoznanie się i zbadanie lepkości oleju GM motors mineraloil 15W-40 metodą lepkościomierza HÖPPLERA

4.2. Podstawowe definicje: Lepkość jest to jeden z najważniejszych parametrów charakteryzujących przydatność płynu do spełnienia roli środka smarowego. Współczynnik lepkości dynamicznej charakteryzuje cechę płynu uwarunkowaną tarciem wewnętrznym, występującym podczas przesuwania się względem siebie dwóch warstewek płynu. Jest on wprost proporcjonalny do siły tarcia (F) i odległości warstewek płynu (y) oraz odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni (A) i różnicy prędkości sąsiednich warstw płynu (u).

η=

dF∗dy dA∗ du

Jednostka to

η=[

N∗m =Pa∗s ] 2∗m m s

w jednostce układu c.g.s. to P – poise = g/(cm*s) Kinematyczny współczynnik lepkości uwzględnia nie tylko lepkość dynamiczną, ale równie ważną gęstość

ν =η/ ρ ν =[

Pa∗s∗kg =m 2/s ] m3

w c.g.s. St – Stokes = cm2/s Jednostką współczynnika lepkości dynamicznej zwanego lepkością bezwzględną η w układzie SI jest Nsm-2 = kgm-1s-1. W układzie CGS jednostką lepkości jest puaz, P=gcm-1s-1; 1 P = 10-1 Nsm-2. Znane są liczne metody wyznaczania lepkości cieczy. Do najczęściej stosowanych należą: metody oparte na pomiarze szybkości przepływu cieczy przez rurkę kapilarną oraz metody oparte na pomiarze szybkości opadania kulki w badanej cieczy.

WL – niemianowana liczba określająca zależność lepkości od zmiany temperatury, w stosunku do dwóch olejów przyjętych jako wzorcowe, których lepkości w temperaturze 100°C są takie same, jak lepkość badanego oleju w tej temperaturze Duża wartość wskaźnika wskazuje na małą zmienność lepkości z temperaturą

4.3. Norma ćwiczenia laboratoryjnego Norma PN-79/C-04013 oraz PN-ISO 2909:2009.

4.4. Schemat stanowiska pomiarowego: 1. cylinder opadowy 2. pierścień pomiarowy 3. korek gumowy 4. nakrętka metalowa 5. korek 6.płaski korek 7. nakrętka metalowa 9. pokrywa 10. śruby łączące 11. termometr 12. otwór odpowietrzający 13. króciec z rurką doprowadzającą 14. króciec z rurką odprowadzającą 15. wspornik 16. statyw 17. sworzeń 18. śruba 19. rura poziomująca 20. poziomica

Rys. 4.1. lepkościomierz Hopplera

4.5. Metodyka: 

dobrać kulkę i umieścić ją w cylindrze opadowym,



wlać próbkę badanego oleju do cylindra opadowego,



włączyć ultratermostat, grzejnik oraz pompkę przetłaczającą ciecz do kąpieli cieplnej lepkościomierza,



ustawić za pomocą termometru kontaktowego żądaną temperaturę (30°C) , przy której oznaczana została lepkość,



po osiągnięciu zadanej temperatury, obrócić kilkukrotnie układ lepkościomierza wokół swojej osi w celu wyrównania temperatury cieczy w cylindrze opadowym,



zmierzyć , przy użyciu stopera, czas toczenia się kuli w cylindrze opadowym , przy czym za początek pomiaru przyjęto moment zetknięcia się dolnego zarysu kuli z górnym pierścieniem cylindra opadowego, za koniec zaś , zetknięcie się dolnego zarysu kuli z dolnym pierścieniem cylindra,



wykonać dwa pomiary czasu toczenia się kuli dla jednej temperatury pomiarowej,



czynności powtórzyć dla kolejnych, wyższych wartości temperatur (dla 50 i 70 °C)

4.6. Algorytm obliczeniowy z przykładem dla pierwszej serii (30 °C) . Obliczenie dynamicznego współczynnika lepkości Posługując się wiskozymetrem Höpplera lepkość oblicza się ze wzoru:

ɳ t =τ śr∗K ( ρk − ρc ) [mPa∗s ] gdzie: śr– średni czas opadania kuli w sekundach K – stała kuli w [mPa]. k – gęstość kulki [g/cm3]. c – gęstość cieczy w temperaturze pomiaru w [g/cm3].

ɳ t =159,00∗0,1441( 8,086 −0,8875 )=164,93 [ mPa∗s] Obliczenie lepkości kinematycznej Kinematyczny współczynnik lepkości wyznaczamy ze wzoru:

[ ]

νt =

ɳ t mm 2 ρc s

νt =

mm2 164,93 =185,838 0,8875 s

[ ]

Obliczenie wskaźnika lepkości Wskaźnik lepkości badanego oleju obliczamy z wzoru: N

WL=

10 −1 +100 [− ] 0 , 0075 Gdzie:

N=

log H −log U 40 [− ] logU 100

Wartości U40 i U100 są wartościami współczynnika lepkości kinematycznej badanego oleju w 40 i 100 ˚C. Dla wartości U 100odczytujemy wartość H z tablic dla lepkości kinematycznej w 100 ˚C w granicach 2÷70 [mm 2/s]. W naszym przypadku U100=14,3 [mm2/s], w związku z tym H=139,6 [mm2/s]

Czyli:

log139, 6−log 82,205 =0, 1991 [− ] log14 ,3 10 0, 1991 −1 +100=177 , 548 ≃178 [− ] WL= 0 ,0075 N=

4.7. Tabela wyników i wykresy Tabela 4.1 Wyniki pomiarów i obliczeń Współczynnik lepkości Nr pomiaru

Temperatura cieczy t [ C] 0

1

30

2

50

3

66

Czas opadania kuli  [s] 160,00 158,00 72,00 60,00 39,85 38,20

Gęstość cieczy

dynamiczny kinematyczny

śr [s]

c [g/cm3]

t [mPa*s]

t [mm2/s]

159,00

0,8755

165,21

188,699

66,00

0,8640

68,69

79,495

39,03

0,8548

40,66

47,571

f(x) = 212.07 x^-0.87 12 R² = 0.93 ν=f(t) Power (ν=f(t))

lepkość kinematyczna produktu ν[mm2/s]

10

8

6

4

2

0 20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

temperatura produktu t[˚C]

Rys. 4.2. Wykres zależności lepkości kinematycznej produktu od temperatury produktu

4.10. Wnioski W czasie przeprowadzania ćwiczenia wyznaczaliśmy współczynnik lepkości dynamiczny metodą Höpplera. Próbie poddaliśmy olej GM motors mineraloil 15W40. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury czas opadania kulki zmniejsza się. Świadczy to o tym, że zmniejsza się gęstość cieczy, a co za tym idzie zmniejsza się także lepkość kinematyczna produktu.

5. Pomiar lepkości względnej metodą Englera. 5.1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia było zapoznanie się i zbadanie lepkości względnej oleju GM motors mineraloil 15W-40 lepkościomierzem Englera.

5.2. Schemat stanowiska pomiarowego. Pomiar wykonywany jest na lepkościomierzu Englera. Składa się on ze wspomnianego lepkościomierza, statywu, kolby pomiarowej, dwóch termometrów i sekundomierza.

1- zbiornik pomiarowy, 2- łaźnia wodna, 3- mieszadło, 4- termometr, 5- kapilara, 6- zatyczka, 7- ostrza wskaźnikowe, 8- pokrywa, 9- termometr, 10- kolba pomiarowa.

Rys. 5.1. Schemat budowy lepkościomierza Englera.

5.3. Metodyka pomiarowa 5.3.1. Wlanie badanego czynnika do naczynia pomiarowego tak, aby zakrył on widełki określające maksymalny poziom produktu. 5.3.2. Ogrzanie czynnika do temperatury 50°C za pomocą łaźni wodnej. 5.3.3. Wyjęcie zatyczki oraz pomiar czasu wypływu 200 cm3 oleju.

5.4. Algorytm obliczeń. Badany produkt : GM Motor Oil 15W-40 Mineral Stała lepkościomierza : K=57,13 [s] Czas wypływu badanego produktu : 530 [s]

Lepkość względna w temperaturze pomiaru obliczamy za...