Rheologie in der Düsentechnik


Die Rheologie befasst sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie. Hierunter fallen somit also auch Flüssigkeiten und Gase.

Nur bei genauer Kenntnis der relevanten rheologischen Daten zu zerstäubender Flüssigkeiten können Düsen und Zerstäuber ausgewählt, ausgelegt oder optimiert werden. Darüber hinaus muss in der Düsentechnik neben den rheologischen Daten noch der Volumenstrom berücksichtigt werden. 

In der gesamten Strömungsmechanik, -die Zerstäubungstechnik kann als spezielles Teilgebiet dieser angesehen werden-, besitzt die Rheologie von Fluiden also eine wichtige Bedeutung.

Die Rheologie spielt in der gesamten Zerstäubungstechnik eine wichtige Rolle.

Bereits die Erfahrung lehrt, dass es einen großen Unterschied macht, ob Wasser oder ein hoch viskoses Öl durch eine Rohrleitung zu pumpen ist.

Die erforderliche Leistung der Pumpe wird bei dem Öl je nach Länge und Durchmesser der Leitung viel höher sein. Hinzu kommt der Einfluss des geförderten Volumenstroms.

Auch in der Zerstäubungstechnik spielen die rheologischen Eigenschaften eine enorm wichtige Rolle. Ist eine Flüssigkeit beispielsweise zu zäh, lässt sie sich mit bestimmten Düsen gar nicht mehr versprühen.

Es entstehen dann kein klassisches Spray mit feinen Tropfen. Vielmehr treten nur noch Flüssigkeitsstrahlen und sogenannte Fragmente auf.

Warum die Rheologie von Flüssigkeiten in der Düsentechnik bekannt sein muss!

Die Rheologie zu zerstäubender Flüssigkeiten oder Suspensionen in Verbindung mit dem Volumenstrom kann bereits im Vorfeld Auskunft darüber geben, ob bestimmte Düsentypen überhaupt zur Lösung der gestellten Aufgabe in Betracht kommen. Teure und zeitaufwendige Fehlentscheidungen lassen sich somit im Vorfeld vermeiden.

Im Wesentlichen spielen drei verschiedene rheologische Eigenschaften der zu zerstäubenden Flüssigkeit eine wichtige Rolle.

  • An erster Stelle ist die Viskosität η beziehungsweise ν zu nennen. Diese ist ein Maß für die innere Reibung einer strömenden Flüssigkeit beziehungsweise eines Gases. Sie ist somit maßgeblich am Entstehen eines “Druckverlustes” oder eines “Geschwindigkeitsverlustes” beteiligt.

    Insbesondere bei den Einstoff-Druckdüsen spielt die Viskosität eine wichtige Rolle. Es muss zudem zwingend berücksichtigt werden, ob das zu zerstäubende Fluid ein newtonsches oder jedoch nicht-newtonsches Fließverhalten aufweist. Hier erhalten Sie weitere Informationen zur Viskosität.

  • Die Dichte ρ einer Flüssigkeit sollte ebenfalls bekannt sein. Deren Betrag übt ebenfalls einen Einfluss auf das Zerstäubungsverhalten aus. So beispielsweise bei dem Selbstansaugen von Flüssigkeiten an Zweistoff-Düsen äußerer Mischung. Bei Einstoff-Druckdüsen ist die Dichte von Bedeutung für die maximale Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Druckdifferenz. Detailliertere Informationen zur Dichte finden Sie hier.

  • Die Oberflächenspannung σ ist für die Tropfenbildung wichtig. Das Zerfallen eines Flüssigkeitsstrahles beziehungsweise einer Flüssigkeitslamelle wird von ihr beeinflusst. Tendenziell werden Tropfengrößen etwas feiner, wenn die Oberflächenspannung gering ist. Bei Ultraschall-Verneblern hingegen kann eine geringe Oberflächenspannung problematisch sein. Hier lesen Sie mehr zur Oberflächenspannung.

Wenn die Rheologie sich von Wasser unterscheidet

Viele zu zerstäubende Flüssigkeiten weisen eine Rheologie auf, die sich von Wasser unterscheidet. Es ist sehr gefährlich, sich auf Ergebnisse aus Zerstäubungsversuchen mit Wasser zu stützen, wenn das Original-Fluid eine abweichende Rheologie besitzt. 

Ist beispielsweise das real zu zerstäubende Fluid viskoser, also zähflüssiger, als Wasser, ist mit deutlich anderen Sprayeigenschaften zu rechnen. Im Extremfall kann sogar die Düse oder der Zerstäuber vollständig versagen!

Zwar ist der Einfluss der Oberflächenspannung σ und der Dichte ρ von Flüssigkeiten nicht ganz so wesentlich für den Zerstäubungsprozess wie die Viskosität. Jedoch sollte man diese rheologischen Eigenschaften ebenfalls kennen. Denn sind alle relevanten rheologischen Daten bekannt, resultiert hieraus ein besonders großer Vorteil.

Unser Tipp zur Rheologie!

Ist die Rheologie des Original-Fluides bekannt, resultiert hieraus ein weiterer und ganz praktischer, Vorteil! Es kommt gelegentlich vor, dass Flüssigkeiten toxisch, explosibel oder besonders kostspielig sind. In diesen Fällen ist es wenig sinnvoll, Optimierungen an Düsen im Labor oder in Versuchsständen mit dem Originalfluid durchzuführen.

Sowohl bei dem Messen von Tropfengrößenverteilungen als auch bei der Entwicklung und Optimierung von Düsensystemen können in diesen Fällen Modell-Fluide verwendet werden. Diese weisen dann weitgehend dieselbe Rheologie wie das Original-Fluid auf. Jedoch mit dem Unterschied, dass diese sich einfach handhaben lassen und kostengünstig sind.

Unser Rheologie-Labor stellt die gewünschten Modell-Fluide in benötigter Menge rasch zur Verfügung. Auch das zählt selbstverständlich zu unserem Full-Service für Sie!

Bestimmen der Rheolgie

Für eine Vielzahl an Flüssigkeiten sind die rheologischen Daten als Funktion der Temperatur in Tabellenwerken angegeben. Dennoch kommt es gelegentlich vor, dass die Daten spezieller Flüssigkeiten nicht aufgeführt sind.

Die Rheologie Ihrer Flüssigkeiten messen wir im Labor.

Dieses stellt jedoch kein Problem dar!

Bei Bedarf und in Ihrem Auftrag bestimmen wir gerne für Sie die erforderlichen Daten in dem umfassend ausgestatteten Rheologie-Labor. Selbstverständlich auch als Funktion der Temperatur!

Ebenso können wir Fließkurven sogenannter nicht-newtonscher Flüssigkeiten erstellen. Hierzu stehen moderne Rotations-Viskosimeter zur Verfügung.

Das Messen rheologischer Eigenschaften bieten wir Ihnen gerne auch als separate und unabhängige Dienstleistung an. Also nicht nur ausschließlich zur Klärung zerstäubungstechnischer Fragestellungen. Sondern auch dann, wenn es beispielsweise um Prozessoptimierungen im Bereich der Strömungsmechanik, Verfahrens- oder Produktionstechnik geht.

Beratung zu allen Fragestellungen rund um die Rheologie und zu Stoffwerten.

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Dann wenden Sie sich doch einfach an unsere

Hotline: +49 251 2 87 99 53-0 .

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