Pumpen für hochviskose Medien

Viskosität gibt die Fließeigenschaften verschiedener Medien an.

Blaues viskoses Medium

Die Viskosität ist eine Eigenschaft der Fluide, die ihre Fließeigenschaften charakterisiert. Sie gibt an, wie leicht oder schwer ein Fluid fließt. Fluide mit hoher Viskosität fließen langsamer und sind dickflüssiger, während Fluide mit geringer Viskosität schneller fließen und dünnflüssiger sind.

Was ist Viskosität?

Um Viskosität leichter zu verstehen, hilft es sich Honig und Wasser nebeneinander auf einer schiefen Ebene genauer anzusehen. Wasser ist niedrigviskos, Honig hingegen weist eine hohe Viskosität auf. Das führt dazu, dass Honig deutlich langsamer die schiefe Ebene entlang fließt. Honig hat einen hohen - und Wasser einen niedrigen Fließwiderstand. Dieser Fließwiderstand wird fachsprachlich auch als Viskosität bezeichnet. Viskose Medien, zu welchen Flüssigkeiten aber auch Gase gehören können, werden als Fluide bezeichnet.

Wie entsteht Viskosität?

In Inneren von Flüssigkeiten und Gasen befinden sich Teilchen. Die Viskosität ist abhängig von dem Verhalten der Teilchen im Inneren des Stoffes. Innerhalb eines Stoffes mit hoher Viskosität wirken zwischen den Teilchen hohe Anziehungskräfte. Die Teilchen im Inneren sind immer in Bewegung und sie stoßen ständig gegeneinander und behindern sich.

Bei Medien mit niedriger Viskosität sind diese Anziehungskräfte eher gering. Bei Medien höherer Viskosität, ist diese Anziehungskraft der Teilchen höher, so dass der Stoff bzw. die Flüssigkeit weniger beweglich ist. Diesen Zustand bezeichnet man als innere Reibung. Diese innere Reibung entsteht aus den molekularen Kräften und zusätzlich noch durch dem Impulsaustausch der Teilchen untereinander. Die innere Reibung lässt sich gut durch verzahnte Molekülschichten bildlich darstellen. Um diese Verzahnung zu lösen benötigt es eine Krafteinwirkung. Die Größe der Krafteinwirkung ist abhängig von der Stärke der Viskosität.

Als Krafteinwirkung kann zum Beispiel thermische Energie gesehen werden. Wird ein Stoff erhitzt, ändert sich seine Viskosität.

Wie misst man Viskosität?

Viskosität kann in der Regel nicht besonders gut berechnet werden. Sie wird aber mit einem Viskosimeter gemessen. Das Viskosimeter zwingt das Medium in eine Bewegung und der dadurch entstehende Widerstand wird gemessen.

Wie wird Viskosität angegeben?

Bei der dynamischen Viskosität wird der Fließwiderstand innerhalb der Flüssigkeit angegeben. Man gibt dabei, zum Beispiel in Laborberichten, die Viskosität in mPas (Milli-Pascal-Sekunden) oder etwas seltener auch in cP (Centi-Poise) an. Im Falle einer Berechnung wird  die SI-Einheit ist gleich kg/m pro s angegeben.

Um diese Berechnung zu vereinfachen, kann man sie anhand zweier parallel angeordneten Platten darstellen. Platte A und Platte B, in diesem Beispiel, schließen zwischen sich einen Flüssigkeitsfilm ein. Platte A bewegt sich stets parallel mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit zur Bodenplatte B . Diese lineare Bewegung resultiert von einer Krafteinwirkung F .  Die Flüssigkeitsschicht direkt unter Platte A haftet an ihr und bewegt sich in der jeweiligen Bewegungsrichtung. Jedoch nimmt die Verschiebung ab, je weiter die Flüssigkeitsschicht von Platte A entfernt ist. Die Flüssigkeitsschicht, welche direkt an der Platte B ist, bleibt ebenso wie die Platte B unbewegt.

Das bedeutet, dynamische Viskosität gleich Schubspannung (Kraft F geteilt durch bewegte Platte A) geteilt durch Schergefälle (Geschwindigkeit geteilt durch Flüssigkeitsfilmdicke).

Was ist kinematische Viskosität?

Man unterscheidet in kinematische und dynamische Viskosität. Die dynamische Viskosität misst die Zähigkeit des Stoffes, welche in Abhängigkeit des Stoffes steht. Sie wird in Pascalsekunden angegeben.

Die kinematische Viskosität hingegen hilft beim Vergleich von zwei verschiedenen Stoffen, definiert durch das Viskose-Dichte-Verhältnis.

Die Messung und Darstellung der dynamischen Viskosität hat sich als anspruchsvolle Aufgabe erwiesen. Die Ermittlung der kinematischen Viskosität hat sich deshalb als deutlich praxis­tauglicher bewiesen. Das definierte Viskose-Dichte-Verhältnis wird in der  SI-Einheit mm² pro s und in ganz seltenen Fällen als in „Centistoke“ (cSt) dargestellt.

Gemessen wird, basierend auf der Dauer, welche eine bestimmte Flüssigkeitsmenge bei einer bestimmten Temperatur benötigt, um eine Strecke zurückzulegen. Dabei hilft die Schwerkraft und hohe Präzision, die kinematische Viskosität herauszufinden. Mithilfe der Durchflussrate und der Kapillarkonstante des „Viskosimeters“ wird sie anschließend berechnet.

Dividiert man nun die dynamische Viskosität mit der Dichte, erhält man die kinematische Viskosität. Multipliziert man diese kinematische Viskosität mit der Dichte, erhält man wieder die dynamische Viskosität.

Kann sich die Viskosität ändern?

Bei sogenannten newtonschen Flüssigkeiten ändert sich die Viskosität nicht. Sie behalten ihre Viskosität bei, auch wenn Energien auf sie wirken. Das resultiert aus den, von Isaac Newton aufgestellten, Strömungsgesetzen der Mechanik. Wasser, Öl und Alkohol sind newtonsche Flüssigkeiten und ändern demnach ihre Viskosität nicht.

Daraus resultiert, dass nicht-newtonsche Flüssigkeiten ihre Viskosität gelegentlich ändern. Nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind zum Beispiel Ketchup, Blut oder auch Wasser-Stärke-Gemische.

Anhand des Beispiels des Wasser-Stärke-Gemisches lassen sich nicht-newtonsche Flüssigkeiten sehr gut erklären. Vermischt man Wasser und Stärke in einem Verhältnis von 1:2 miteinander und schlägt anschließend mit der Faust schnell und mit etwas mehr Druck drauf, kann man einen Widerstand spüren.

Wie kommt die Änderung der Viskosität bei thermischer Energieeinwirkung zustande?

Erhitzt man Butter ändert sich die Viskosität von ursprünglich 1,5 mPa·s bei 5°C, auf 1,0 mPa·s bei 20°C. Das bedeutet die Viskosität hat sich um ein Drittel verringert.

Doch wie kommt das zustande?

Wärme dehnt die Abstände der Atome im Inneren des Stoffes aus. Denn sind mehr Abstände im Inneren vorhanden, verringern sich die intermolekularen Anziehungskräfte, also werden dadurch die Verzahnungen weniger.

Welche Pumpen eignen sich besonders gut für viskose Medien oder viskose Flüssigkeiten?

Viskose Flüssigkeiten sind sehr anspruchsvoll. Pumpen für viskose Stoffe müssen höchste Zuverlässigkeit vorweisen. Das erste Hindernis entsteht schon bevor das Medium überhaupt in das Innere der Pumpe gelangt. Es muss gewährleistet sein, dass der Stoff zur Eintrittsöffnung fließen kann. Ist diese Hürde gemeistert, gilt es die nächste zu überwinden. Der viskose Stoff oder gar die feststoffhaltige Flüssigkeit darf zu keinen Störungen der Pumpe führen. Feststoffhaltige Flüssigkeiten können auch noch kleinste Mengen an Stückchen enthalten.

Die optimale Lösung dafür sind Verdrängerpumpen - besonders gut geeignet ist neben der Druckluftmembranpumpe, die Taumelringpumpe wie sie von Pumpsystems hergestellt wird.  Durch die schonende Förderung von hochviskosen Flüssigkeiten hat diese Pumpenart viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Pumpen.

Die Taumelringpumpe von Pumpsystems
Eine gute Wahl bei hochviskosen Medien - unsere Taumelringpumpe

Druckluftmembranpumpen, auch Doppelmembranpumpe genannt, bestehen aus zwei Flüssigkeitskammern, zwei Luftkammern und zwei Membranen. Dabei saugt die die eine Membran die Flüssigkeit an und die andere Membran befördert das Medium wieder nach außen.

Mehr über Membranpumpen finden sie hier.

Außerdem geeignet sind rotierende Verdrängerpumpen. Selbst bei hohen Druckunterschieden ermöglichen sie eine linear regelbare Produktförderung und somit auch ein zuverlässiges Dosierergebnis.

Beispiele für rotierende Verdrängerpumpen sind Schraubenspindel-, Exzenterschnecken- oder auch Zahnradpumpen.

Die beliebteste rotierende Verdrängerpumpe ist die Kolbenpumpe.

Die Kolbenpumpe kann man sich t-förmig vorstellen. Im Inneren befindet sich ein Kolben, welcher sich nach oben und unten bewegt. An der Seite befindet sich der Einlass und Auslass. Betätigt man die Pumpe nun, bewegt sich der Kolben nach unten. Dadurch, dass sich die zu fördernde Flüssigkeit in einem Behälter oberhalb der Pumpe befindet, entsteht in ihm nun ein Vakuum. Dadurch schließt und öffnet sich abwechselnd das Einlass- und Auslassventil. Kommt der Kolben wieder oben an, strömt das Medium aus der Pumpe.

Hier können Sie noch mehr über Viskosität erfahren.

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