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BA PHY - 01669_C_F - Rév. 12 05/05/2006 I - DÉFINITIONS - UNITÉS ..............

BA PHY - 01669_C_F - Rév. 12 05/05/2006 I - DÉFINITIONS - UNITÉS ........................................................................................................... 1 1 - Viscosité dynamique .................................................................................................................... 1 2 - Viscosité cinématique................................................................................................................... 2 II - MESURE DE LA VISCOSITÉ ................................................................................................... 3 1 - Viscosité cinématique................................................................................................................... 3 2 - Viscosité dynamique .................................................................................................................... 5 III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE ................................................... 6 1 - Viscosité des liquides ................................................................................................................... 6 2 - Viscosité des gaz ......................................................................................................................... 6 C C 1 1 - -8 8 GRANDEURS PHYSIQUES VISCOSITÉ Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Ingénieurs en Sécurité Industrielle Ce document comporte 11 pages 01669_C_F 1 I - DÉFINITIONS - UNITÉS La viscosité est généralement définie comme caractérisant la résistance à l’écoulement d’un fluide ; elle intervient dans tous les phénomènes liés à l’écoulement des fluides : – pertes de charge dans les tuyauteries – écoulement dans les vannes, les soupapes et tous les types de restrictions – pompage – filtration - décantation La viscosité est d’autant plus grande que la résistance à l’écoulement est élevée et, en raison des différentes méthodes de mesure utilisées pour la déterminer, on distingue deux types de viscosité : la viscosité dynamique et la viscosité cinématique. 1 - LA VISCOSITÉ DYNAMIQUE La viscosité dynamique µ (Mû), appelée encore viscosité absolue, traduit les interactions moléculaires au sein du fluide en mouvement. Traditionnellement, la viscosité dynamique était exprimée en poises (P) ou en centipoises (cP). Elle est maintenant mesurée dans le système international d’unités en pascal x seconde (Pa.s). En pratique, la correspondance entre les 2 systèmes d’unités est simple puisque le centipoise correspond exactement au millipascal seconde (mPa.s). 1 cP = 1 mPa.s = 0,001 Pa.s Le tableau suivant donne quelques valeurs de viscosité dynamique de fluides usuels. Viscosité dynamique à 20°C (en cP ou en mPa.s) Liquides : éther n-octane eau mercure kérosène 0,24 0,55 1,0 1,6 2,5 Éthylène glycol 20 Acide sulfurique pur 23 Huiles SAE 10 W 40 150 (environ) Gaz : vapeur d’eau air 0,010 0,019 La viscosité dynamique µ des liquides peut être mesurée par exemple à l’aide de viscosimètres rotatifs dont le principe de fonctionnement repose sur la mesure du couple résistant lié à la mise en rotation d’un mobile tournant au sein de l’échantillon à analyser. C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 2 2 - LA VISCOSITÉ CINÉMATIQUE La viscosité cinématique υ (Nû), d’utilisation courante pour les liquides, prend en compte la masse volumique ρ du fluide à la même température. Cette dernière intervient chaque fois que l’on détermine une viscosité en mesurant un temps d’écoulement sous charge, c’est-à-dire le temps mis par un liquide pour s’écouler à travers un orifice sous l’action de son propre poids. On conçoit en effet que le temps obtenu dépend non seulement de la viscosité propre du liquide mais aussi de sa densité. La viscosité cinématique est obtenue à partir de la viscosité dynamique par la formule : Viscosité cinématique υ = viscosité dynamique µ masse volumique ρ υ = µ ρ Habituellement exprimée en stokes (St) et en centistokes (cSt), la viscosité cinématique dans le système SI doit être mesurée en mètres carré par seconde (m2/s). La correspondance avec les unités habituelles est la suivante : 1 St = 10–4 m2/s 1 cSt = 0,01 St = 10–6 m2/s = 1 mm2/s 1 cSt = 1 mm2/s Application Donner la valeur de la viscosité cinématique des corps ci-dessous : Viscosité dynamique à 20°C (mPa . s) Masse volumique à 20°C (kg/m3) Viscosité cinématique à 20°C (mm2/s) Eau 1,00 998 Mercure 1,60 13540 Éther 0,24 710 On constate que le mercure et l’éther ont tous les deux une viscosité cinématique inférieure à celle de l’eau, mais pour des raisons différentes : le mercure en raison de sa très grande masse volumique, et l’éther par sa viscosité dynamique assez faible. C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 3 II - MESURE DE LA VISCOSITÉ 1 - VISCOSITÉ CINÉMATIQUE Les mesures de viscosité cinématique des hydrocarbures liquides se font au moyen de 2 types de viscosimètre selon que le mélange est clair ou opaque : – le viscosimètre Ubbelohde à niveau suspendu pour les liquides transparents – le viscosimètre Cannon Fenske à écoulement inversé pour les liquides opaques Sens d'écoulement Repères D ANA 088 A Tube de remplissage Tube de remplissage Repères Sens d'écoulement Tube capillaire UBBELOHDE CANNON-FENSKE À titre d’exemple, les schémas ci-après font apparaître la situation de l’appareil au déclenchement et à l’arrêt du chronomètre. D ANA 086 A C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 4 Quelque soit l’appareil utilisé, cette mesure fournit un temps en secondes qui, multiplié par la “constante de l’appareil”, permet d’obtenir directement la viscosité du produit en centistokes. La détermination de la viscosité peut être effectuée avec d’autres appareils qui répondent au même principe : mesure d’un temps d’écoulement d’un volume donné de produit à travers un orifice calibré. Les plus utilisés sont les viscosimètres Engler et Saybolt dont les schémas sont donnés ci-dessous. Flacon de réception Flacon de réception 200 cm3 60 cm3 Obturateur Thermomètre Repère Liquide à essayer Bain marie thermostaté Ajutage calibré Universal Ø = 1,76 mm Furol Ø = 3,15 mm Niveau de remplissage Fond du bain thermostatique D ANA 087 A ° ENGLER SSU SSF Mesure d'un temps d'écoulement Appareil ENGLER Appareil SAYBOLT La viscosité prend alors le nom de l’appareil et s’exprime : – pour le viscosimètre Engler en degré Engler (abréviation °E) – pour le viscosimètre Saybolt en secondes Saybolt universal (SSU) si on utilise l’orifice “universal” d’un diamètre de 1,76 mm et en secondes Saybolt Furol (SSF) avec l’orifice 3,15 mm Quelque soit le type d'appareil utilisé, la mesure doit être réalisée à une température précise car la viscosité des liquides dépend très fortement de la température. C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 5 2 - VISCOSITÉ DYNAMIQUE Il existe de nombreux appareils permettant de mesurer la viscosité dynamique. Dans la plupart, le fluide est cisaillé entre deux surfaces, l'une fixe, l'autre mobile en rotation. Le viscosimètre à cylindre coaxiaux est illustré ci-dessous à titre d'exemple. D IRA 1001 A Rotor Cylindre mobile Cylindre fixe Ressort calibré Stator 50 60 70 40 Il comprend un cylindre fixe contenant le fluide et un cylindre mobile, immergé et entraîné par un moteur (formé d'un rotor et d'un stator). Le stator est suspendu et maintenu par un ressort calibré qui s'oppose à sa rotation. Le couple de réaction subi par le stator est proportionnel à la viscosité du liquide et à la température de mesure. Cela se traduit par un angle de rotation du stator visualisé par une aiguille ou une indication numérique. C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 6 III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE 1 - VISCOSITÉ DES LIQUIDES D’une façon générale, la viscosité des liquides diminue très vite avec la température. Il importe donc de pratiquer les mesures à des températures parfaitement contrôlées, qui sont le plus souvent 40°C, 50°C ou 100°C. Les courbes en annexe indiquent la variation de viscosité avec la température d’échantillons de fuel-oil lourd et de fuel domestique. Application Déterminer la viscosité d’un fuel N° 2 aux températures suivantes Température (°C) 40 60 80 100 140 Viscosité (cSt) Les planches en annexe donnent des exemples de viscosité de divers composés chimiques et des huiles moteurs. 2 - VISCOSITÉ DES GAZ Les gaz ont une viscosité dynamique beaucoup plus faible que celle des liquides. Mais à l’inverse de ceux-ci, la viscosité des gaz augmente avec la température comme le montre les planches en annexe. C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 7 VISCOSITÉ DES FUEL-OILS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 80 100 200 300 400 500 600 800 1000 20 40 50 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 3 4 5 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 Température (°C) — D'après GUILLERMIC — VIscosité Cinématique (Centistokes) VISCOSITÉ DES FUEL-OILS Spécification Exemple de produit commercial Intervalle de viscosité du produit considéré FUEL- OIL D OMES TIQU E FUEL -OIL N°1 FUEL -OIL N°2 FO N°1 FOD FO N°2 110 15 40 9,5 D PPC 001 A C C1 1 - -8 8  2006 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 01669_C_F 8 VISCOSITÉ DE PRODUITS DIVERS Essence (d = 0,716) Acide sulfurique à 60 % (d = 1,500) Essence (d = 0,680) Huile moteur 20 W 40 Alcool Eau Benzène Butane 2000 1000 400 200 100 40 20 10 8 6 5 4 3 2 1.0 0,8 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0 20 40 uploads/Industriel/ c1-8-viscosite.pdf