Viskosität 2017-01-09T11:38:33+00:00

Die Viskosität als wichtigste Stoffeigenschaft in der Düsentechnik

 

Die Viskosität in der Düsentechnik - Die Wahl geeigneter Düsen und Zerstäuber hängt maßgeblich von der Viskosität und dem Volumenstrom ab.

Ist die Viskosität für eine bestimmte Düsentechnik zu hoch, versagt die gesamte Zerstäubungstechnik.

Die Viskosität ist oft dafür verantwortlich, wenn die Düsentechnik versagt!

Die dynamische Viskosität η beziehungsweise die kinematische Viskosität ν eines Fluides ist die sogenannte rheologische Eigenschaft, die den größten Einfluss auf das Zerstäuben mit Düsen hat. Somit kann man diese als wichtigste Stoffeigenschaft in der gesamten Düsentechnik bezeichnen.

 

Die kinematische Viskosität ν lässt sich leicht in die dynamische umrechnen und natürlich umgekehrt. Sie sind lediglich über die Dichte ρ der Flüssigkeit miteinander verknüpft. Diese muss dann natürlich bekannt sein.

Formel zur Umrechnung von dynamischer Viskosität in kinematische Viskosität

Zu berücksichtigen ist aber grundsätzlich, dass diese Stoffgröße immer von der Temperatur der Flüssigkeit abhängt. Dieses ist bereits aus der alltäglichen Beobachtung bekannt. Das Motorenöl ist bei niedrigen Temperaturen im Winter deutlich „zähflüssiger“ als im Sommer oder bei einem warmen Motor. Bei Flüssigkeiten nimmt diese „Zähflüssigkeit“ üblicherweise mit steigender Temperatur ab. In sehr geringem Maß, jedoch praktisch vernachlässigbar, hängt sie bei Flüssigkeiten auch von dem Druck ab. 

Für Gase gelten andere Gesetzmäßigkeiten, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. So ist beispielsweise bei Zweistoff-Düsen zu berücksichtigen, dass die Viskosität von Gasen im Gegensatz zu Flüssigkeiten mit zunehmender Temperatur ansteigt!

Liegen Informationen zur Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit in Verbindung mit dem Volumenstrom nicht vor, so ist eine geeignete Düse kaum zu finden! Daher ist die Kenntnis dieser Stoffgröße als auch des Fließverhaltens eine Grundvoraussetzung, um eine geeignete Düsentechnik zu wählen!

Dieses betrifft jedoch nicht nur die eigentliche Düsentechnik! Vielmehr ist auch zum Beispiel bei Zuleitungen zu berücksichtigen, dass die Druckverluste mit steigender Viskosität der Flüssigkeit zunehmen. Weist eine Flüssigkeit also eine hohe Viskosität auf, sind gegebenenfalls höhere Pumpenleistungen vorzusehen. Selbstverständlich berücksichtigen wir bei der Auslegung einer Spraytechnik ebenfalls diese wichtigen Aspekte!    

Insbesondere beim Einsatz von Einstoff-Druckdüsen muss diese Stoffgröße als auch der zu zerstäubende Volumenstrom je Düse unbedingt bekannt sein. Weist eine Flüssigkeit eine hohe Viskosität auf und ist der Volumenstrom zudem sehr gering, versagen diese Düsenbauarten besonders rasch. Die Ursache hierfür ist, dass die Strömung oftmals laminar wird! In diesem Fall kommt es nicht mehr zum gewünschten Strahl- oder Lamellenzerfall. Die Folge sind extrem grobe Tropfen. 

Viskosität der newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten.

Viele organische Flüssigkeiten weisen ein sogenanntes newtonsches Fließverhalten auf. Das bedeutet, dass sich die Viskosität nicht mit der Schergeschwindigkeit (also quasi der Strömungsgeschwindigkeit) ändert. Auch zeitliche Einflüsse spielen dann keine Rolle. Typische Vertreter dieser Klasse sind Wasser und die meisten Öle. Hier ist es also ausreichend, wenn der bestimmte Wert bei einer definierten Temperatur angegeben wird. Die Viskosität newtonscher Flüssigkeiten lässt sich auch leicht messen. Zum Beispiel mit sogenannten Kapillarviskosimetern.

Beispiel einer nicht-newtonschen Flüssigkeit ist Ketchup

Die Viskosität von Ketchup verhält sich nicht-newtonsch.

Problematischer ist es jedoch, wenn nicht-newtonsche Flüssigkeiten zerstäubt werden müssen. Die Viskosität dieser Flüssigkeiten ändert sich mit der Schergeschwindigkeit. Es existieren auch bestimmte Flüssigkeiten, die zudem eine zeitabhängige Viskositätsänderung zeigen.

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten, hierunter zählen auch üblicherweise Suspensionen, führen in der Düsentechnik häufig zu großen Problemen. Ebenfalls gehören viel Farben, Lacke, Kunststoffschmelzen und Lebensmittel wie Ketchup zur Gruppe der nicht-newtonschen Flüssigkeiten. Daher ist es zwingend erforderlich, bereits im Vorfeld zur Wahl einer Düse beziehungsweise eines Zerstäubers exakte Informationen zum Fließverhalten zu haben.

 

Fließkurven verschiedener Flüssigkeiten. Die Viskosität ändert sich nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit. Bild: IBR Zerstäubunsgtechnik GmbH

 

Die Viskosität nicht-newtonscher Flüssigkeiten messen.

Die Viskosität nicht-newtonscher Flüssigkeiten kann nicht mit Kapillarviskosimetern ermittelt werden. Einfach aufgrund der Tatsache, dass sich die Werte bei verschiedenen Scherrgeschwindigkeiten (Fließgeschwindigkeiten) ändern. Vereinzelt kommt noch ein zeitlicher Effekt hinzu.

Hier sind also andere Messverfahren gefordert. Mit modernen Rotationsviskosimetern messen wir bei Bedarf für Sie die Fließkurven nicht-newtonscher Flüssigkeiten. Selbstverständlich auch als Funktion der Flüssigkeitstemperatur.

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