Lécuellé Thomas 20/01/06 Dubois Thibaud Dalmières Antoine 1A22 VISCOSITE
SOMMAIRE INTRODUCTION... 3 I. GENERALITES SUR LA VISCOSITE... 4 II. LES PRINCIPAUX TYPES DE VISCOSIMETRES... 5 1) Viscosimètres à capillaires 2) Viscosimètres a chute de bille 3) Viscosimètres rotatifs III. UTILISATIONS DES HUILES (en particulier lubrification des moteurs)... 6 1) Les différentes huiles 2) Rôles du lubrifiant 3) Caractéristique demandées aux huiles moteurs 4) Normes et spécifications IV. MESURES DE VISCOSITE... 9 1) Dispositif expérimental 2) Etude expérimentale 3) Résultats CONCLUSION... 13 2
INTRODUCTION Le but de ce TP est d'étudier la viscosité d'une huile et d'observer la variation de la viscosité en fonction de la température. Nous allons dans un premier temps rappeler des généralités sur la viscosité des substances, puis présenter les différents types de viscosimètres ainsi que celui que nous allons utiliser pour les mesures, ensuite exposer certaines caractéristiques des huiles notamment dans le cadre de la lubrification des moteurs, présenter les résultats de mesures de viscosité obtenus, et enfin procéder à l'analyse de ces résultats. 3
I. GENERALITES SUR LA VISCOSITE La viscosité est la résistance à l'écoulement qu'oppose une substance, sous forme d'une tension de cisaillement, à une vitesse de cisaillement donnée. La viscosité dépend dans une large mesure de la température, aussi faut-il que toute indication de viscosité soit accompagnée de la température de mesure, des comparaisons de viscosité n'étant permises qu'entre liquides à la même température. Pour procéder à une mesure de viscosité, on produit dans le liquide une certaine vitesse de cisaillement (en le remuant par exemple), et l'on mesure la force (par exemple le couple rotatif) nécessaire. Les valeurs de vitesse de cisaillement et force nécessaire permettent alors de calculer la viscosité, ou bien celle-ci peut être obtenue par des tableaux de valeur établis à cet effet. On distingue deux types de viscosité: - la viscosité dynamique (µ) exprimée en Pa.s ou Poiseuille. Elle correspond au rapport d une pression sur l inverse d une durée : µ = F A C n - la viscosité cinématique (ν) exprimée en m²/s. C'est la viscosité dynamique (µ) rapportée à la masse volumique (ρ) : ν = µ ρ 4
II. LES PRINCIPAUX TYPES DE VISCOSIMETRES 1) Viscosimètres à capillaires Le principe est le suivant : l'échantillon est introduit dans un réservoir. On mesure le temps d'écoulement du fluide entre deux repères du tube capillaire situé sous le réservoir. Cette information, associée à la constante de l'instrument (liée aux dimensions du tube) permet de calculer la viscosité cinématique. Ce type de viscosimètre est utilisé essentiellement pour des liquides newtoniens ne contenant pas trop de matières en suspension. 2) Viscosimètres a chute de bille Le principe consiste à mesurer le temps de chute d'une bille roulant et glissant dans un tube cylindrique incliné rempli de la substance à mesurer. On mesure au chronomètre le temps nécessaire pour que la bille parcoure une distance définie. Par retournement du cylindre, on peut aussi utiliser le temps de retour de la bille comme mesure de contrôle. Les résultats sont donnés en viscosité dynamique (en mpa.s). 3) Viscosimètres rotatifs Les viscosimètres rotatifs sont habituellement constitués d'un cylindre en rotation dans une cuve contenant l'échantillon. La rotation est maintenue à une vitesse constante par un moteur à courant continu assurant la stabilité de la vitesse. La résistance à l'écoulement de l'échantillon provoque la torsion de la barre d'accouplement moteur-cylindre. Cette torsion est détectée par un transducteur. Les signaux faisant état à la fois de la torsion et de la vitesse sont traités. Ces viscosimètres sont dérivés du viscosimètre absolu de Couette. Ils mesurent le couple de frottement visqueux. Le viscosimètre Fungilab Visco Elite-L est utilisé lors de la manipulation. 5
III. UTILISATIONS DES HUILES (en particulier lubrification des moteurs) 1) Les différentes huiles Il existe différentes sortes d'huile : - les huiles végétales ou animales ont été largement utilisées dans le passé, en particulier pour graisser les roues de différentes machines (chars, diligences, moulins). - les huiles minérales sont fabriquées à partir du pétrole brut et ont permis, à compter du milieu du 19 e siècle, le développement de l'industrie. - les huiles synthétiques, aux performances nettement supérieurs, permettent de dépasser les limites actuelles de l'industrie et laissent bien augurer des techniques du 21 e siècle. Avec l'invention des huiles synthétiques, un pas nouveau est franchi. Pour la production de l'huile minérale, on extrait du pétrole certaines catégories de molécules. Mais le procédé n'est pas parfait : les molécules obtenues sont de tailles différentes, de qui nuit à l'homogénéité de l'huile et limite ses possibilités d'application. Dans les conditions extrêmes de température, les lubrifiants minéraux sont limités. Les synthétiques peuvent répondre à des objectifs plus élevés. Ils sont cependant chers à produire, leur disponibilité est limitée, et le choix dépend du problème posé. Les principales applications sont les fluides pour freins, les fluides hydrauliques ininflammables, la base pour des graisses à haute performance en température, les liquides de coupe solubles à l'eau, et les huiles moteurs ou transmissions. 2) Rôles du lubrifiant Le lubrifiant introduit dans un moteur a pour but : - de réduire les frottements. L'huile doit avoir une viscosité suffisante - de diminuer l'usure - d'évacuer la chaleur. Certaines parties du moteur ne sont refroidies que par le passage de l'huile. C'est le cas des paliers du vilebrequin. - de maintenir la propreté du moteur - d'économiser l'énergie - d'assurer l'étanchéité - d'éliminer les polluants - de protéger contre la corrosion C'est donc un produit complet qui doit aller bien au-delà de la simple lubrification. L'huile est un élément essentiel de la bonne marche d'un moteur. C'est aussi un vecteur d'information dans le sens où son analyse après utilisation doit pouvoir renseigner sur le fonctionnement du moteur : usure, fuites, combustion,... 6
3) Caractéristique demandées aux huiles moteurs viscosité La viscosité permet d'assurer la lubrification nécessaire à la réduction des frottements, de l'usure. Ces notions entraînent également la diminution de la chaleur produite et des économies d'énergie. Pour un lubrifiant moteur la viscosité doit être supérieure à 3.10-6 m²/s. La viscosité évolue avec la température et la pression : si la température augmente, la viscosité diminue, et si la pression augmente, la viscosité augmente. températures limites Les huiles minérales utilisées dans les moteurs sont de type paraffinique car elles ont une meilleure tenue à la température. Les huiles synthétiques rencontrées actuellement ont des caractéristiques nettement supérieures mais sont plus ciblées pour des applications précises. Point d'écoulement limite C'est la température la plus basse pour laquelle le lubrifiant peut encore s'écouler, audessus de cette limite le lubrifiant a le même comportement rhéologique qu'un liquide. Cette température est, comme pour le gazole, tributaire des paraffines contenues qui figent. La température limite normale est -20 C. Cette température conditionne bien entendu l'utilisation du moteur par grands froids. Oxydation L'huile s'oxyde surtout à partir de 60 C. La température maximale d'utilisation avec des antioxydants courants est de 120 C. La température limite est de 160 C. L'oxydation croît avec la température. Les températures des moteurs étant de plus en plus élevées, il est important d'avoir des huiles qui ne s'oxydent pas trop facilement. Point d'éclair C'est la température minimale, à pression atmosphérique normale, à laquelle les composants vaporisés s'allument momentanément en présence de flamme. Il est d'environ 200 C pour les huiles minérales. La température limite d'utilisation d'une huile minérale doit donc être inférieure à cette valeur. Le point d'éclair représente le danger d'inflammation des vapeurs d'huile à haute température. C'est le moyen de classer administrativement les produits pétroliers quant aux problèmes de sécurité qu'ils posent. Début de distillation C'est la température la plus basse, par chauffage, qui fait apparaître le début de la décomposition du lubrifiant. Cette température est d'environ 300 C. Additifs Les additifs ont pour but d'améliorer les caractéristiques de base d'un lubrifiant et le rendre plus apte à supporter les contraintes d'utilisation. Ils sont aussi un moyen de 7
différencier les huiles pour des applications particulières (moteurs sportifs, huiles "spéciales", huiles pour boîtes de vitesses,...). 4) Normes et spécifications Pour remplir ses fonctions, l'huile doit donc posséder des propriétés spécifiques. Celles-ci sont établies à partir de tests normalisés. En France, les normes d'essais sont définies par l'afnor, très souvent copies des normes de l'astm. Masse volumique Cette valeur en kg/m 3 ne sert que comme moyen d'identification. Elle n'a pas de relation avec la viscosité. La densité est très utilisée, elle est donnée en général pour une température de 15 C. Chaleur massique - conductivité thermique La chaleur massique exprimée en J/kg.K augmente avec la température. Elle est d'autant plus élevée que la masse volumique est plus faible. La chaleur massique des huiles minérales jusqu'à 100 C se situe aux environs de 2 kj/kg.k. Viscosité La viscosité est un des éléments les plus importants pour un lubrifiant. Les viscosités dynamique et cinématique sont effectivement mesurées suivant des normes précises. La viscosité dynamique est donnée par la mesure du couple d'un rotor tournant dans l'huile. La viscosité cinématique est mesurée en prenant en compte le temps exact de l'écoulement de l'huile. 8
IV. MESURES DE VISCOSITE Cette manipulation consiste à relever les variations de la viscosité d'une huile avec la température. 1) Dispositif expérimental Le matériel dont nous disposons comporte : - un bac contenant de l'eau - un système de chauffage résistif de l'eau avec thermostat - un système de convection forcée de l'eau - un récipient cylindrique contenant l'huile et baignant dans l'eau - un viscosimètre Fungilab Visco Elite-L 2) Etude expérimentale Remarques sur la viscosité : La viscosité est une caractéristique du fluide qui évolue avec la pression (qui était de 1027 hpa durant l expérience) et la température. Dans l étude qui suit nous supposerons que la pression de la salle (pression atmosphérique) était constante. La viscosité évolue de façon exponentielle en fonction de la température. On appelle indice angulaire de viscosité dynamique, le coefficient m : µ = e m T * ln( µ 0 ) T 0 Description de l expérience : Nous avons, afin de déterminer m, chauffer l huile en mettant en contact le réservoir avec de l eau que nous chauffions : Viscosimètre Thermostat Réservoir d huile Hauteur de l eau Mélangeur Support du réservoir d huile Schéma de l installation 9
Le mélangeur assurait la circulation de l eau autour de la résistance chauffante provenant du thermostat. Nous obtenions donc une température quasi uniforme dans toute la cuve. Cette eau, en contact avec le réservoir d huile, portait l huile à une température légèrement inférieure à la sienne. Le viscosimètre donne la valeur de la température du fluide et de la viscosité du fluide. La vitesse de rotation du cylindre doit être réglée de façon optimale (indication en pourcentage sur le viscosimètre). Nous avons mesuré la viscosité de deux huile : une noire puis un rouge. 3) Résultats Huile noire Viscosité en fonction de la température µ=f(t) 600 500 Viscosité µ (mpa.s) 400 300 200 Huile noire 100 0 285 290 295 300 305 310 315 320 325 Température T (K) Dans le cas d'un liquide, la viscosité dynamique s'exprime en fonction de T par : m T.ln( µ 0 ) T 0 µ = e D'où : ln(ln(µ)) = m.ln T + ln(ln(µ 0 )) T 0 En coordonnées ( ln(t (K) ), ln(ln(µ)) ), la représentation est donc théoriquement linéaire, de pente m (indice angulaire de viscosité dynamique). 10
Voici la courbe expérimentale de viscosité en coordonnées (ln (T (K)), ln (ln (µ))), ainsi que la régression linéaire (la courbe étant proche d une droite) correspondante avec l équation de la droite : ln(ln(µ)) = f(ln(t)) 1,900 1,800 1,700 ln(ln(µ)) 1,600 1,500 Huile noire Linéaire (Huile noire) y = -3,8705x + 23,814 1,400 1,300 1,200 5,660 5,680 5,700 5,720 5,740 5,760 5,780 5,800 ln(t) L'indice angulaire de viscosité vaut donc : m = -3,87 Huile rouge Viscosité en fonction de la température µ=f(t) 60 55 50 Viscosité µ (mpa.s) 45 40 35 Huile rouge 30 25 20 290 295 300 305 310 315 320 Température T (K) 11
ln(ln(µ)) = f(ln(t)) 1,400 1,380 1,360 1,340 ln(ln(µ)) 1,320 1,300 Huile rouge Linéaire (Huile rouge) 1,280 1,260 y = -1,951x + 12,467 1,240 1,220 5,680 5,690 5,700 5,710 5,720 5,730 5,740 5,750 5,760 5,770 ln(t) Contrairement à la première huile, la courbe de la deuxième n est pas linéaire. Cela est du au manque de temps donc le nombre de mesure est insuffisant et le temps de stabilisation de la température dans le fluide n est peut-être pas suffisant. L'indice angulaire de viscosité vaut : -1,951. 12
CONCLUSION Ce TP nous a permis d'observer la variation de la viscosité d'une huile en fonction de la température. Les résultats expérimentaux obtenus corroborent bien la théorie, en ce sens où l'on a observé que la viscosité diminue effectivement en fonction de la température, et où T m.ln( µ 0 ) T0 l'équation théorique µ = e est vérifiée de façon assez satisfaisante (courbe quasilinéaire en coordonnées ( ln(t (K) ), ln(ln(µ)) ) ). Les faibles écarts observés sont dus aux imprécisions expérimentales, notamment l'équilibre thermique qui n'est jamais exactement réalisé (temps limité). Ce type d'étude revêt ainsi une importance toute particulière dans l'industrie des lubrifiants, notamment pour les moteurs. La viscosité est en effet un des éléments les plus importants pour un lubrifiant, et le fait qu'un moteur ait une température de fonctionnement variable nécessite de connaître parfaitement les variations de la viscosité du lubrifiant en fonction de la température, afin de pouvoir en apprécier ses caractéristiques et donc ses performances. 13