Qu'est-ce que la viscosité ?

La viscosité est une mesure de la résistance d'un liquide à l'écoulement. Il n'est pas nécessaire de travailler dans un laboratoire pour l'observer. Quiconque a passé un peu de temps dans la cuisine a pu observer toute une série de liquides présentant une grande variété de viscosités.

• L'eau, le lait et les jus de fruits s'écoulent tous très facilement, comme on peut le constater en les versant dans un verre. Ce sont tous des exemples de liquides à faible viscosité ou fluides.
• D'autres exemples tels que l'huile végétale, le sirop d'érable et le savon à vaisselle sont considérablement plus visqueux, résistant à l'écoulement et s'écoulant plus lentement. Ce sont tous des exemples de liquides de viscosité moyenne.
• Le miel, la mélasse et le chocolat fondu sont très difficiles à verser et nous avons souvent recours à une cuillère ou à un autre ustensile pour accélérer le processus. Ce sont tous des exemples de liquides à haute viscosité.
• Le beurre de cacahuète, la confiture et le caramel ne s'écoulent souvent pas du tout et il faut des ustensiles pour les sortir du récipient. Ce sont tous des exemples de liquides à très haute viscosité. Ces liquides sont si visqueux qu'ils commencent à brouiller la frontière entre le liquide et le solide. Mais contrairement aux solides, la viscosité de ces liquides peut être mesurée et quantifiée.

La distinction la plus importante entre les solides et les liquides (du moins du point de vue de notre fabricant de pompes) est peut-être la suivante : « Peut-on le déplacer à l'aide d'une pompe ? La réponse est oui pour toute la liste ci-dessus, mais la clé est de savoir, au-delà d'une description générale de « visqueux », quelle est la viscosité réelle du liquide.

Unités de viscosité et de mesure

Les termes que j'ai utilisés ci-dessus sont très subjectifs. Par exemple, si vous me demandez si je suis grand, je répondrai oui. Mais si je devais entrer sur le terrain lors d'un match de basket professionnel, il serait plus juste de me qualifier de petit. Il en va de même pour la viscosité. Pour les clients qui manipulent principalement des liquides fluides comme l'eau, l'huile végétale serait considérée comme un liquide visqueux. Chez un fabricant de chocolat, on considère l'huile végétale comme un liquide fluide. Sans mesure ni quantification, la viscosité est relative.

Pour une mesure plus précise, un viscosimètre est nécessaire. Un viscosimètre est un appareil conçu pour mesurer la viscosité. Il existe de nombreux types de viscosimètres, dont les prix et les plages de mesure de la viscosité varient. Tout d'abord, il existe deux types différents de mesure de la viscosité.

• La viscosité cinématique dépend de la densité du liquide. Il existe plusieurs unités de mesure, mais la plus courante est le centistoke, abrégé en cSt.
• La viscosité dynamique dépend uniquement de la contrainte de cisaillement ou des forces impliquées dans la déformation du liquide. Il existe plusieurs unités de mesure, mais la plus courante est le centipoise, abrégé en cP.

La conversion entre les deux est très facile à réaliser à l'aide de l'équation suivante :

cSt x densité = cP ET cP ÷ densité = cSt

Examinons quelques-uns des exemples les plus courants de chaque type de viscosimètre.

Viscosimètres cinématiques

• COUPE DE VISCOSITÉ - Une coupe de volume mesuré spécifique avec un petit orifice au fond. Les coupes de viscosité fonctionnent sur la base du même test d'écoulement que celui décrit ci-dessus, mais elles sont étalonnées pour garantir une mesure précise. Le temps nécessaire pour vider complètement le gobelet par l'orifice est mesuré. Plus le temps est long, plus la viscosité est élevée. Dans certains corps, le temps lui-même est l'unité de mesure de la viscosité. Les exemples incluent le Saybolt Seconds Universal (abb. SSU ou SUS) ou le Saybolt Seconds Furol (abb. SSF ou SFS). D'autres permettent de convertir facilement le temps en secondes directement en centistokes. Il existe une grande variété de coupes, notamment Ford, Zahn, Shell et Craftsman, et même des numéros différents en fonction de la taille de l'orifice et de la gamme de viscosités qu'elles sont calibrées pour mesurer. Ces coupes sont peu coûteuses et peuvent être plongées dans le liquide pour permettre une mesure au point d'utilisation.
• TUBES CAPILLAIRES - Un volume spécifique de liquide est placé dans un tube de verre en forme de U avec deux ampoules. Le temps est mesuré en fonction du temps nécessaire à l'échantillon de liquide pour passer d'une ampoule à l'autre. Comme les viscosimètres à coupelle, ces viscosimètres existent en différentes tailles, en fonction de la gamme de viscosités qu'ils sont censés mesurer. Ils sont très appréciés dans les laboratoires où des échantillons plus petits doivent être mesurés.
• CONSISTOMÈTRE - Un plateau incliné avec des marques sur toute sa longueur pour mesurer la distance d'écoulement d'un produit pendant un temps donné. Une porte à ressort située près du sommet du plateau s'ouvre pour permettre au liquide de s'écouler sur les marques. Ces appareils sont populaires dans les secteurs de la peinture, de l'encre et de l'alimentation, car ils sont faciles à nettoyer et peuvent mesurer la consistance de liquides sensibles au cisaillement. L'un de leurs inconvénients est qu'ils ne sont pas de véritables viscosimètres et qu'ils ne renvoient pas d'unité cinématique spécifique de viscosité... quantifiables, certes, mais pas directement convertibles en unités traditionnelles de viscosité. C'est pourquoi ils sont souvent associés à des viscosimètres dynamiques.

Viscosimètres dynamiques

• BILLE TOMBEE ou PISTON TOMBE - Ces viscosimètres fonctionnent sur la base du test de la bille descendante ou de la boule décrit ci-dessus Là encore, la mesure est le temps, c'est-à-dire le temps qu'il faut à la bille ou au piston lesté pour s'égoutter à travers le liquide qui s'écoule autour d'elle. Un petit inconvénient est que ces viscosimètres ne peuvent pas être utilisés sur des liquides opaques.
• VISCOMETRES ROTATIFS - Ces viscosimètres utilisent un axe rotatif (coupelle, tige, cône, plaque, etc.) pour « remuer » l'échantillon de liquide et mesurer la contrainte de cisaillement qui en résulte. Ces viscosimètres sont généralement les plus coûteux de cette liste, mais ils présentent le grand avantage de pouvoir observer et quantifier l'effet du cisaillement sur la viscosité du liquide (nous y reviendrons plus tard). Pour les fluides à très haute viscosité (comme l'exemple du beurre de cacahuète ci-dessus), il s'agit de la meilleure option.

Mais que faire si vous n'avez pas accès à un viscosimètre ? Il existe plusieurs méthodes pour estimer la viscosité d'un liquide.

Comment estimer la viscosité d'un liquide ?

• MÉTHODE DE COMPARAISON - En versant un liquide dans un bocal et en comparant son écoulement à celui d'un autre liquide de viscosité connue, vous pouvez estimer si le liquide de l'échantillon est plus visqueux, moins visqueux ou à peu près de la même viscosité que le liquide de comparaison connu. Les exemples courants utilisés pour les comparaisons sont les suivants

Il s'agit d'une méthode assez subjective et d'une estimation très approximative de la viscosité d'un liquide, mais des descriptions comme celle-ci peuvent aider à mieux définir la viscosité d'un liquide plutôt que d'utiliser des termes vagues comme « visqueux » ou « lourd ».

LE TEST DU CRAYON - Mis au point par Viking Pump, le test du crayon est une forme rudimentaire de viscosimètre cinématique. Il utilise un crayon de bois taillé, un récipient de liquide suffisamment profond pour immerger le crayon à une profondeur de 3 pouces, et une montre ou une minuterie.

AVERTISSEMENT : Cette méthode fonctionne mieux pour des viscosités comprises entre 100 et 7 500 cSt. Les mesures les plus précises seront effectuées à l'aide d'un viscosimètre, mais à défaut, ces méthodes permettent d'établir une estimation.

Quelle que soit la méthode de mesure utilisée, il est important de prendre en compte les variables du système et leurs effets avant de sélectionner et de dimensionner une pompe.

Variables du système et leur effet sur la viscosité

Revenons à notre exemple de cuisine. Quiconque a déjà chauffé de l'huile, du sirop ou de la sauce connaît l'effet de la chaleur sur la viscosité. À de très rares exceptions près, la viscosité d'un liquide varie inversement à la température. Plus la température est basse, plus la viscosité est élevée. Cela signifie que la viscosité d'un liquide n'est généralement pas une valeur fixe, mais plutôt une fourchette. Le fait de conserver les liquides à l'intérieur et dans des environnements à température contrôlée permet de réduire cette plage, mais il est toujours important de tenir compte de la viscosité maximale et minimale pour une application de pompage.

L'augmentation de la température par le chauffage peut également être utilisée pour réduire la viscosité du liquide, ce qui permet de réduire la taille de la pompe, de diminuer les pertes par frottement et de réduire la taille et la consommation d'énergie de l'équipement d'entraînement. Il peut également rendre possible le pompage de solides à température ambiante tels que le chocolat, la cire et même l'asphalte.

Une autre variable à prendre en compte est le cisaillement. Pour certains liquides, le cisaillement n'a aucun effet. Ces liquides sont classés comme des liquides newtoniens. Un exemple courant est l'eau. Si vous mesurez la viscosité de l'eau avant et après une agitation vigoureuse, vous constaterez que la viscosité est la même, indépendamment du cisaillement.

Pour d'autres liquides, le cisaillement peut modifier la viscosité. Ces liquides sont classés dans la catégorie des liquides non newtoniens. Un exemple courant est le ketchup, qui est un liquide non newtonien et fluide par cisaillement. À l'arrêt dans la bouteille, le ketchup se comporte comme un liquide visqueux et ne se verse pas facilement. Mais si l'on provoque un cisaillement en secouant ou en frappant la bouteille, le ketchup se fluidifie et s'écoule facilement.

Dans un système de pompage, le cisaillement se produit lorsque le liquide se déplace dans les tuyaux, les raccords et la pompe elle-même. Comprendre le cisaillement et ses effets peut aider à sélectionner la pompe, à la dimensionner et à calculer la consommation d'énergie.

Viscosité et choix de la pompe

Il est important de se rappeler que les pompes conçues pour l'eau et d'autres liquides fluides ne sont pas conçues pour les liquides visqueux. Au mieux, elles sont inefficaces lorsqu'elles manipulent des liquides visqueux. Dans le pire des cas, elles présentent une défaillance catastrophique, entraînant une fuite de l'étanchéité et une défaillance mécanique.

En règle générale, voici les différentes catégories de pompes et leurs applications dans une gamme de viscosités :

Même avec ce guide, il est important de s'assurer que la construction de la pompe, l'étanchéité et l'équipement d'entraînement associé sont adaptés à la gamme de viscosités à traiter.