Die Viskosität – wichtige Stoffeigenschaft in der Strömungsmechanik und Düsentechnik

Die Viskosität zählt zu den wichtigsten Stoffeigenschaften in der Strömungsmechanik. Und somit natürlich auch in der Technologie der Düsen und Zerstäuber. Jedes reale Fluid, hierunter sind Flüssigkeiten und Gase zu verstehen, weist einen bestimmten Wert für die Viskosität auf. Dieser hängt von der Temperatur und insbesondere bei Gasen zusätzlich vom Druck ab. Die auch unter dem Begriff Zähflüssigkeit bekannte Stoffeigenschaft ist maßgeblich für die bei Strömungsvorgängen auftretenden Druckverluste.

Der Einfluss der Viskosität beginnt bereits vor der Düse!

Das ist im Bereich der Düsentechnologie ebenfalls zu berücksichtigen und wird teilweise leider übersehen! Zu zerstäubende Flüssigkeiten oder Suspensionen müssen den Zerstäubern über Rohrleitungen oder Schläuche zugeführt werden. Insbesondere Einstoff-Druckdüsen sind mit einer bestimmten Druckdifferenz zu betreiben, um sowohl das gewünschte Sprayergebnis als auch den vorgegebenen Volumenstrom zu liefern.

In der chemischen Industrie müssen Flüssigkeiten und Suspensionen häufig über lange Wege gefördert werden. Hohe Viskositäten führen zu nennenswerten Druckverlusten!

 

In der chemischen Industrie sowie in Produktionsanlagen sind häufig lange Rohr- oder Schlauchstrecken vorhanden. Hinzu kommen Armaturen, die ebenfalls durchströmt werden. Pumpen und Druckvorlagen übernehmen die Aufgabe, den erforderlichen Druck für den Transport der Fluide zu liefern.

Beim Durchströmen der Leitungen kommt es jedoch zu einem nicht zu unterschätzenden Druckverlust, welcher unter anderem von der Viskosität abhängt!

Hierzu ein Beispiel:

Wird ein Volumenstrom von 10 l/min an Öl mit einer dynamischen Viskosität von 50 mPas durch eine Stahlleitung mit einem Innendurchmesser von 10 mm über eine Länge von 20 m gefördert, tritt ein Druckverlust von fast 2 bar auf! Sind noch zusätzliche Einbauten vorhanden, wird der Druckverlust noch höher ausfallen.

Es ist also bereits bei der Auslegung einer Düsentechnik zu berücksichtigen, ob geforderte Drücke für den Betrieb einer Düse auch tatsächlich zur Verfügung stehen. Selbstverständlich achten unsere Ingenieure auf diesen wichtigen Aspekt!

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

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

Die dynamische Viskosität η beziehungsweise die kinematische Viskosität ν eines Fluides ist somit die Eigenschaft, die den größten Einfluss auf das Zerstäuben mit Düsen hat. Dieses betrifft nicht nur die Speisung der Düsen, sondern auch die Spraybildung! Somit kann man diese als wichtigste Stoffeigenschaft in der gesamten Düsentechnik bezeichnen.

Der Zerfall von Flüssigkeitslamellen oder Flüssigkeitsstrahlen zu einzelnen Tropfen wird von der Zähflüssigkeit beeinflusst. Diese dämpft den gewünschten Zerfall. Mit der Folge, dass gerade Einstoff-Druckdüsen dann rasch versagen und anstelle eines Sprays nur noch vereinzelte und sehr grobe Tropfen liefern.

Sind die zu zerstäubenden Volumenströme dann auch noch klein, tritt dieser unerwünschte Effekt besonders schnell auf. Eventuell kann eine Vorwärmung der Flüssigkeit eine Lösungsmöglichkeit darstellen. Bei Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur ab.

Es ist in jedem Fall also wichtig, neben den Werten für die Viskosität zusätzlich den zu zerstäubenden Volumenstrom zu kennen! Sind nicht mindestens diese beiden Daten bekannt, kann eine Düse nicht verlässlich ausgewählt werden.

Unser Tipp zur Umrechnung von Viskositäten

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

Hier finden Sie einen nützlichen Online-Rechner für die Umrechnung verschiedener Einheiten für die Zähflüssigkeit.

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 (hierunter ist also quasi die Strömungsgeschwindigkeit zu verstehen) 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

Erheblich problematischer ist es jedoch, wenn nicht-newtonsche Flüssigkeiten zerstäubt werden müssen. Die Viskosität dieser Flüssigkeiten ändert sich mit der Schergeschwindigkeit und somit mit der Strömungsgeschwindigkeit. Diese Änderungen können nicht nur in der Düse, sondern auch in den Zuleitungen auftreten.  Es existieren auch bestimmte Flüssigkeiten, die zudem eine zeitabhängige Viskositätsänderung zeigen.

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten, hierunter zählen auch üblicherweise Suspensionen, führen in der gesamten 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. Keinesfalls darf im Zweifelsfall einfach von einem newtonschen Fließverhalten ausgegangen werden!

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

Fließkurven verschiedener Flüssigkeiten. Bei einem newtonschen Fließverhalten ist die Viskosität unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit.

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.

Wir bestimmen für Sie als separate Dienstleistung oder selbstverständlich im Rahmen einer Projektdurchführung die Viskosität Ihrer Fluide! Sowohl an newtonschen als auch nicht-newtonschen Flüssigkeiten. Dieses auch als Funktion der gewünschten Flüssigkeitstemperatur!

Wir beantworten Ihre Fragen zur Viskosität von Fluiden!

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