Was ist Viskosität?

Die Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Und man muss nicht in einem Labor arbeiten, um dies zu beobachten. Jeder, der schon einmal in der Küche gestanden hat, hat eine Vielzahl von Flüssigkeiten mit den unterschiedlichsten Viskositäten beobachtet.

• Wasser, Milch und Fruchtsaft fließen alle sehr leicht; das kann man beobachten, wenn man sie in ein Glas gießt. Dies sind alles Beispiele für niedrigviskose oder dünnflüssige Flüssigkeiten.
• Andere Beispiele wie Pflanzenöl, Ahornsirup und Spülmittel sind wesentlich zähflüssiger, widerstehen dem Fließen und fließen langsamer aus. Dies sind alles Beispiele für Flüssigkeiten mit mittlerer Viskosität.
• Honig, Melasse und geschmolzene Schokolade lassen sich sehr schwer ausgießen, und oft greifen wir zu einem Löffel oder einem anderen Utensil, um den Vorgang zu beschleunigen. Dies sind alles Beispiele für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität.
• Erdnussbutter, Marmelade und Karamell lassen sich oft überhaupt nicht ausgießen und erfordern Utensilien, um sie aus dem Behälter zu bekommen. Dies sind alles Beispiele für Flüssigkeiten mit sehr hoher Viskosität. Diese Flüssigkeiten sind so dickflüssig, dass sie die Grenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff verwischen. Aber im Gegensatz zu Feststoffen kann die Viskosität dieser Flüssigkeiten gemessen und quantifiziert werden.

Die vielleicht wichtigste Unterscheidung zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten (zumindest aus der Sicht unseres Pumpenherstellers) ist die Frage: "Kann sie mit einer Pumpe bewegt werden?". Die Antwort auf die obige Liste lautet "ja", aber der Schlüssel ist, über die allgemeine Beschreibung "zähflüssig" hinaus zu wissen, welche Viskosität die Flüssigkeit tatsächlich hat.

Einheiten der Viskosität und Messung

Die Begriffe, die ich oben verwendet habe, sind sehr subjektiv. Wenn Sie mich zum Beispiel fragen würden, ob ich groß bin, würde ich ja sagen. Aber wenn ich bei einem professionellen Basketballspiel auf das Spielfeld treten würde, würde man mich wohl eher als klein bezeichnen. Das Gleiche gilt für die Viskosität. Für Kunden, die hauptsächlich mit dünnen Flüssigkeiten wie Wasser zu tun haben, würde Pflanzenöl als zähflüssig gelten. Bei einem Schokoladenhersteller wird Pflanzenöl als dünnflüssig angesehen. Ohne Messung und Quantifizierung ist die Viskosität relativ.

Für eine genauere Messung wird ein Viskosimeter benötigt. Ein Viskosimeter ist ein Gerät, das zur Messung der Viskosität dient. Es gibt viele verschiedene Arten von Viskosimetern, die sich im Preis und in den Messbereichen unterscheiden. Zunächst einmal gibt es zwei verschiedene Arten der Viskositätsmessung.

• Die kinematische Viskosität ist abhängig von der Dichte der Flüssigkeit. Es gibt eine Vielzahl von Maßeinheiten, aber die gebräuchlichste ist Centistokes, abgekürzt cSt.
• Die dynamische Viskosität hängt nur von der Scherspannung oder den Kräften ab, die an der Verformung der Flüssigkeit beteiligt sind. Es gibt eine Vielzahl von Maßeinheiten, aber die gebräuchlichste ist Centipoise, abgekürzt cP.

Die Umrechnung zwischen den beiden Werten ist mit der folgenden Gleichung sehr einfach:

cSt x spezifisches Gewicht =         cPAND   cP ÷ spezifisches Gewicht = cSt

Sehen wir uns einige der gängigsten Beispiele für jede Art von Viskosimetern an.

Kinematische Viskosimeter

• VISKOSITÄTSBECHER - Ein Becher mit einem bestimmten Messvolumen und einer kleinen Öffnung am Boden. Viskositätsbecher funktionieren nach demselben oben beschriebenen Ausgießtest, sind aber kalibriert, um eine genaue Messung zu gewährleisten. Es wird die Zeit gemessen, die benötigt wird, um den Becher vollständig durch die Öffnung zu entleeren. Je länger die Zeit ist, desto höher ist die Viskosität. In einigen Fällen ist die Zeit selbst die Einheit der Viskositätsmessung. Beispiele hierfür sind Saybolt Seconds Universal (abgekürzt SSU oder SUS) oder Saybolt Seconds Furol (abgekürzt SSF oder SFS). Andere bieten eine einfache Umrechnung der Zeit in Sekunden direkt in Zentistokes. Es gibt eine Vielzahl von Messbechern, darunter Ford, Zahn, Shell und Craftsman, und sogar verschiedene Nummern, die auf der Größe der Messöffnung und dem Bereich der Viskosität basieren, für den sie kalibriert sind. Sie sind kostengünstig und können in die Flüssigkeit getaucht werden, um die Messung am Einsatzort zu ermöglichen.
• KAPILLARRÖHRCHEN - Ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen wird in ein U-förmiges Glasrohr mit zwei Kolben gegeben. Es wird gemessen, wie lange die Flüssigkeitsprobe braucht, um von einem Kolben zum anderen zu gelangen. Wie Becherviskosimeter gibt es diese Geräte in verschiedenen Größen, je nach dem Viskositätsbereich, den sie messen sollen. Sie werden gerne in Laborumgebungen eingesetzt, in denen kleinere Proben gemessen werden müssen.
• KONSISTOMETER - Eine geneigte Schale mit Markierungen entlang ihrer Länge, um die Strecke zu messen, die ein Produkt innerhalb einer bestimmten Zeit fließt. Eine federbelastete Klappe am oberen Ende der Schale wird geöffnet, damit die Flüssigkeit über die Markierungen hinweg nach unten fließen kann. Sie sind in der Farben-, Tinten- und Lebensmittelindustrie beliebt, da sie leicht zu reinigen sind und die Konsistenz scherempfindlicher Flüssigkeiten messen können. Ein Nachteil ist, dass sie kein echtes Viskosimeter sind und keine spezifische kinematische Einheit der Viskosität liefern... quantifizierbar, ja, aber nicht direkt in traditionelle Viskositätseinheiten umrechenbar. Aus diesem Grund werden sie oft mit dynamischen Viskosimetern gekoppelt.

Dynamische Viskosimeter

• FALLENDE KUGEL oder FALLENDER KOLBEN - Diese Viskosimeter funktionieren nach dem oben beschriebenen Test mit absteigender Murmel oder Kugel. Auch hier wird die Zeit gemessen, d. h. wie lange es dauert, bis die gewichtete Kugel oder der Kolben durch die Flüssigkeit tropft, während sie sie umströmt. Ein kleiner Nachteil ist, dass diese Viskosimeter nicht für undurchsichtige Flüssigkeiten verwendet werden können.

• ROTATIONS-VISKOMETER - Diese Viskosimeter verwenden eine rotierende Spindel (Becher, Stab, Kegel, Platte usw.), um die Flüssigkeitsprobe zu "rühren" und die daraus resultierende Scherspannung zu messen. Sie sind in der Regel die teuersten Viskosimeter auf dieser Liste, haben aber den großen Vorteil, dass sie die Auswirkungen der Scherung auf die Viskosität der Flüssigkeit beobachten und quantifizieren können (mehr dazu später). Für Flüssigkeiten mit sehr hoher Viskosität (wie das Erdnussbutter-Beispiel oben) ist dies die beste Option.

Was aber, wenn Sie keinen Zugang zu einem Viskosimeter haben? Es gibt eine Reihe von Methoden, um die Viskosität einer Flüssigkeit zu schätzen.

Wie man die Viskosität einer Flüssigkeit abschätzen kann

• VERGLEICHSMETHODE - Indem man eine Flüssigkeit in ein Gefäß gießt oder "schwappt" und ihren Fluss mit einer anderen Flüssigkeit bekannter Viskosität vergleicht, kann man abschätzen, ob die Probenflüssigkeit zähflüssiger, weniger zähflüssig oder ungefähr gleich zähflüssig wie die bekannte Vergleichsflüssigkeit ist. Übliche Beispiele für Vergleiche sind:

Dies ist eine ziemlich subjektive Methode und nur eine sehr grobe Schätzung der Viskosität einer Flüssigkeit, aber Beschreibungen wie diese können helfen, die Viskosität einer Flüssigkeit besser zu definieren, als vage Begriffe wie "dick" oder "schwer" zu verwenden.

DER BLEISTIFT-TEST - Der von Viking Pump entwickelte Bleistifttest ist eine grobe Form eines kinematischen Viskosimeters. Er verwendet einen angespitzten Holzstift, einen Behälter mit Flüssigkeit, der tief genug ist, um den Stift bis zu einer Tiefe von 3" einzutauchen, und eine Uhr oder einen Zeitmesser.

DISCLAIMER: Diese Methode funktioniert am besten für Viskositäten zwischen 100 und 7500 cSt. Die besten und genauesten Messungen werden mit einem Viskosimeter durchgeführt, aber stattdessen kann mit dieser Methode eine Schätzung vorgenommen werden.

Unabhängig von der verwendeten Messmethode ist es wichtig, die Systemvariablen und ihre Auswirkungen zu berücksichtigen, bevor eine Pumpe ausgewählt und dimensioniert wird.

Systemvariablen und ihr Einflus

s auf die Viskosität

Kehren wir zu unserem Küchenbeispiel von vorhin zurück. Jeder, der schon einmal Öl, Sirup oder Soße erhitzt hat, weiß, welche Auswirkungen dies auf die Viskosität hat. Von sehr seltenen Ausnahmen abgesehen, ist die Viskosität einer Flüssigkeit umgekehrt proportional zur Temperatur. Je niedriger die Temperatur, desto höher die Viskosität. Das bedeutet, dass die Viskosität einer Flüssigkeit in der Regel kein fester Wert ist, sondern eher ein Bereich. Wenn Flüssigkeiten in geschlossenen Räumen und in temperaturgeregelten Umgebungen aufbewahrt werden, wird dieser Bereich eingegrenzt, aber es ist immer noch wichtig, die maximale und minimale Viskosität für eine Pumpanwendung zu berücksichtigen.

Die Temperaturerhöhung durch Erwärmung kann auch dazu genutzt werden, die Viskosität der Flüssigkeit zu verringern, was eine Verkleinerung der Pumpe, eine Verringerung der Reibungsverluste in der Leitung sowie eine Reduzierung der Größe und des Stromverbrauchs der Antriebsausrüstung ermöglicht. Auch das Pumpen von Feststoffen bei Raumtemperatur wie Schokolade, Wachs und sogar Asphalt kann so möglich werden.

Eine weitere zu berücksichtigende Variable ist die Scherung. Bei einigen Flüssigkeiten hat die Scherung keine Auswirkungen. Diese Flüssigkeiten werden als Newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet. Ein gängiges Beispiel ist Wasser. Wenn Sie die Viskosität von Wasser vor und nach kräftigem Rühren messen, werden Sie feststellen, dass die Viskosität unabhängig von der Scherung die gleiche ist.

Bei anderen Flüssigkeiten kann die Scherung die Viskosität verändern. Diese Flüssigkeiten werden als nicht-newtonsche Flüssigkeiten eingestuft. Ein gängiges Beispiel ist Ketchup, eine nicht-newtonsche, scherverdünnende Flüssigkeit. In der Flasche verhält sich Ketchup wie eine zähflüssige Flüssigkeit und lässt sich nicht so leicht ausgießen. Erzeugt man jedoch durch Schütteln oder Stöße auf die Flasche eine Scherung, wird er dünnflüssiger und lässt sich leicht ausgießen.

In einem Pumpsystem tritt Scherung auf, wenn sich die Flüssigkeit durch Rohre, Armaturen und die Pumpe selbst bewegt. Das Verständnis der Scherung und ihrer Auswirkungen kann bei der Pumpenauswahl, der Dimensionierung und der Berechnung des Energieverbrauchs helfen.

Viskosität und Pumpenauswahl

Es ist wichtig, daran zu denken, dass Pumpen, die für die Förderung von Wasser und anderen dünnflüssigen Flüssigkeiten konzipiert sind, nicht für die Förderung viskoser Flüssigkeiten geeignet sind. Im besten Fall sind sie bei der Förderung viskoser Flüssigkeiten ineffizient. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem katastrophalen Versagen, das zu Leckagen der Dichtungen und mechanischem Versagen führt.

Als Faustregel sind hier die verschiedenen Klassen von Pumpen und ihre Einsatzgebiete in einem Bereich von Viskositäten aufgeführt:

Selbst mit diesem Leitfaden muss sichergestellt werden, dass die Konstruktion der Pumpe, die Dichtung und die zugehörige Antriebsausrüstung für den zu fördernden Viskositätsbereich geeignet sind.