Che cos'è la viscosità

La viscosità è la misura della resistenza al flusso di un liquido. Non è necessario lavorare in laboratorio per osservarla. Chiunque abbia trascorso un po' di tempo in cucina ha osservato una serie di liquidi con una grande varietà di viscosità.Water, milk, and fruit juice all flow very easily; this can be observed when you pour each into a glass. These are all examples of low viscosity or thin liquids.

• Altri esempi, come l'olio vegetale, lo sciroppo d'acero e il sapone per i piatti, sono notevolmente più viscosi, resistono al flusso e si versano più lentamente. Questi sono tutti esempi di liquidi a media viscosità.
• Il miele, la melassa e il cioccolato fuso sono molto difficili da versare e spesso si ricorre a un cucchiaio o a un altro utensile per accelerare il processo. Sono tutti esempi di liquidi ad alta viscosità.
• Il burro di arachidi, la marmellata e il caramello spesso non si versano affatto e richiedono un utensile per essere estratti dal contenitore. Sono tutti esempi di liquidi ad altissima viscosità. Questi liquidi sono così densi che iniziano a confondere il confine tra liquido e solido. A differenza dei solidi, però, la viscosità di questi liquidi può essere misurata e quantificata.

Forse la distinzione più importante tra solidi e liquidi (almeno dal punto di vista dei produttori di pompe) è “può essere movimentato con una pompa?”. La risposta è sì per tutto l'elenco sopra riportato, ma la chiave è sapere, al di là di una descrizione generica di “viscoso”, quale sia effettivamente la viscosità del liquido.

Unità di misura e di viscosità

I termini che ho usato sopra sono molto soggettivi. Ad esempio, se mi chiedeste se sono alto, vi risponderei di sì. Ma se dovessi scendere in campo in una partita di basket professionistico, sarebbe più corretto descrivermi come basso. Lo stesso vale per la viscosità. Per i clienti che trattano prevalentemente liquidi acquosi come l'acqua, l'olio vegetale è considerato un liquido viscoso. In un'azienda produttrice di cioccolato, l'olio vegetale è considerato un liquido acquoso. Senza misurazioni e quantificazioni, la viscosità è relativa.

Per una misurazione più accurata è necessario un viscosimetro. Un viscosimetro è un dispositivo progettato per misurare la viscosità. Esistono molti tipi di viscosimetri, che variano per prezzo e per range di misurazione della viscosità. Innanzitutto, esistono due diversi tipi di misurazione della viscosità.

• La viscosità cinematica dipende dalla densità del liquido. Esistono diverse unità di misura, ma la più comune è il centistokes, abbreviato in cSt.
• La viscosità dinamica dipende solo dallo sforzo di taglio o dalle forze coinvolte nella deformazione del liquido. Esistono diverse unità di misura, ma la più comune è il centipoise, abbreviato in cP.

La conversione tra le due unità è molto semplice grazie alla seguente equazione:

cSt x peso specifico = cP      E      cP ÷ peso specifico = cSt

Vediamo alcuni degli esempi più comuni di ciascun tipo di viscosimetro.

Viscometri cinematici

• Tazze di viscosità - Una tazza di volume specifico misurato con un piccolo orifizio sul fondo. Le tazze di viscosità funzionano con lo stesso test di versamento descritto sopra, ma sono calibrate per garantire una misurazione accurata. Viene misurato il tempo necessario per far defluire completamente la coppa attraverso l'orifizio. Più lungo è il tempo, più alta è la viscosità. In alcuni casi, il tempo stesso è l'unità di misura della viscosità. Ne sono un esempio i Saybolt Seconds Universal (abbreviato in SSU o SUS) o i Saybolt Seconds Furol (abbreviato in SSF o SFS). Altre sono dotate di una facile conversione del tempo in secondi direttamente in centistokes. È disponibile un'ampia gamma di tazze, tra cui Ford, Zahn, Shell e Craftsman, e anche numeri diversi in base alle dimensioni dell'orifizio e alla gamma di viscosità che sono calibrate per misurare. Sono poco costose e possono essere immerse nel liquido per consentire la misurazione nel punto di utilizzo.
• TUBI CAPILLARI - Un volume specifico di liquido viene posto in un tubo di vetro a forma di U con due bulbi. Il tempo viene misurato in base a quanto tempo impiega il campione di fluido a passare da un bulbo all'altro. Come i viscosimetri a tazza, anche questi sono disponibili in varie dimensioni a seconda della gamma di viscosità che devono misurare. Sono molto diffusi negli ambienti di laboratorio dove si devono misurare campioni più piccoli.
• CONSISTOMETRI - Un vassoio inclinato con marcature lungo la sua lunghezza per misurare la distanza di un prodotto in un tempo specifico. Un cancello caricato a molla vicino alla parte superiore del vassoio viene aperto per consentire al liquido di scendere attraverso le marcature. Sono molto diffusi nell'industria delle vernici, degli inchiostri e degli alimenti perché sono facili da pulire e possono misurare la consistenza di liquidi sensibili al taglio. Uno svantaggio è che non sono un vero viscosimetro e non restituiscono una specifica unità cinematica di viscosità... quantificabile, sì, ma non direttamente convertibile in unità di viscosità tradizionali. Per questo motivo, sono spesso abbinati a viscosimetri dinamici.

Viscosimetri dinamici

• • PALLA CADENTE o PISTONE CADENTE - Questi viscosimetri funzionano con il test della biglia o della pallina discendente descritto in precedenza. Anche in questo caso, la misura è data dal tempo, che viene calcolato in base a quanto tempo impiega la biglia o il pistone pesato a gocciolare attraverso il liquido che scorre intorno ad essa. Un piccolo inconveniente è che questi viscosimetri non possono essere utilizzati su liquidi opachi.
  • VISCOMETRI ROTATIVI - Questi viscosimetri utilizzano un mandrino rotante (tazza, asta, cono, piastra, ecc.) per “agitare” il campione di liquido e misurare lo sforzo di taglio risultante. Sono in genere i viscosimetri più costosi di questo elenco, ma hanno il grande vantaggio di poter osservare e quantificare l'effetto del taglio sulla viscosità del liquido (per saperne di più). Per i fluidi a viscosità molto elevata (come nell'esempio del burro di arachidi) questa è l'opzione migliore.

Ma cosa succede se non si ha accesso a un viscosimetro? Esistono un paio di metodi per stimare la viscosità di un liquido.

Come stimare la viscosità di un liquido

• • METODO DI CONFRONTO - Versando o “sbattendo” un liquido in un barattolo e confrontandone il flusso con un altro liquido di viscosità nota, è possibile stimare se il liquido campione è più viscoso, meno viscoso o più o meno della stessa viscosità del liquido di confronto noto. Esempi comuni utilizzati per i confronti sono:

Si tratta di un metodo piuttosto soggettivo e di una stima molto approssimativa della viscosità di un liquido, ma descrizioni come questa possono aiutare a definire meglio la viscosità di un liquido piuttosto che usare termini vaghi come “denso” o “pesante”.

IL TEST DELLA MATITA - Sviluppato da Viking Pump, il test della matita è una forma grezza di viscosimetro cinematico. Si utilizza una matita di legno appuntita, un contenitore di liquido sufficientemente profondo da immergere la matita fino a una profondità di 3” e un orologio o un timer.

DISCLAIMER: questo metodo funziona meglio per viscosità comprese tra 100 e 7500 cSt. Le misurazioni migliori e più accurate saranno effettuate con un viscosimetro, ma in alternativa questi metodi consentono di stabilire una stima.

Indipendentemente dal metodo di misurazione utilizzato, è importante prendere in considerazione le variabili del sistema e i loro effetti prima di scegliere e dimensionare una pompa.

Variabili del sistema e loro effetto sulla viscosità

Torniamo all'esempio della cucina di prima. Chiunque abbia mai applicato del calore a olio, sciroppo o salsa conosce l'effetto che questo ha sulla viscosità. Salvo rare eccezioni, la viscosità di un liquido varia inversamente alla temperatura. Più bassa è la temperatura, più alta è la viscosità. Ciò significa che di solito la viscosità di un liquido non è un valore fisso, ma piuttosto un intervallo. Mantenendo i liquidi al chiuso e in ambienti a temperatura controllata si riduce tale intervallo, ma è comunque importante considerare quale sarà la viscosità massima e minima per un'applicazione di pompaggio.

L'aggiunta di temperatura attraverso il riscaldamento può essere utilizzata anche per ridurre la viscosità del liquido, consentendo di ridurre le dimensioni della pompa, le perdite di linea per attrito e le dimensioni e il consumo di energia delle apparecchiature di azionamento. Inoltre, può rendere possibile il pompaggio di solidi a temperatura ambiente come cioccolato, cera e persino asfalto.

Un'altra variabile da considerare è il taglio. Per alcuni liquidi il taglio non ha alcun effetto. Questi liquidi sono classificati come liquidi newtoniani. Un esempio comune è l'acqua. Se si misura la viscosità dell'acqua prima e dopo un'agitazione vigorosa, si scoprirà che la viscosità è la stessa, indipendentemente dal taglio.

Per altri liquidi il taglio può alterare la viscosità. Questi liquidi sono classificati come liquidi non newtoniani. Un esempio comune è il ketchup, che è un liquido non newtoniano che si acquosa al taglio. Fermo nella bottiglia, il ketchup si comporta come un liquido viscoso e non si versa facilmente. Ma se si imprime un taglio agitando o colpendo la bottiglia, il liquido si acquosa e si versa facilmente.

Nei sistemi di pompaggio il taglio si verifica quando il liquido si muove attraverso i tubi, i raccordi e la pompa stessa. La comprensione del taglio e dei suoi effetti può essere utile per la scelta, il dimensionamento e il calcolo del consumo energetico delle pompe.

Viscosità e selezione della pompa

È importante ricordare che le pompe progettate per la movimentazione di acqua e altri liquidi acquosi non sono destinate alla movimentazione di liquidi viscosi. Nella migliore delle ipotesi, sono inefficienti quando trattano liquidi viscosi. Nel peggiore dei casi, si guastano in modo disastroso, causando perdite di tenuta e guasti meccanici.

Come regola generale, ecco le varie classi di pompe e le loro applicazioni in una gamma di viscosità:

Anche con questa guida, è importante assicurarsi che la costruzione della pompa, la sua tenuta e i dispositivi di azionamento associati siano adeguati alla gamma di viscosità da gestire.