Kapitel

Vätskors viskositet och dess inverkan på pumpar

Definition av viskositet

Viskositet är en vätskeegenskap, som behandlas i ämnet reologi som beskriver vätskans flytförmåga eller trögflutenhet. Ordet reologi kommer från grekiskans “rheos”,som betyder flyta eller strömma.

Mellan två vätskeskikt, som rör sig med olika hastighet, utvecklas på grund av molekylära effekter ett tangentialmotstånd, en skjuvspänning. Man säger att skjuvspänningen orsakas av vätskans inre friktion eller omvänt, en vätska kan pga inre friktion överföra skjuvkrafter.

En vätska i rörelse deformeras fortlöpande genom skjuvspänningens inverkan. Skjuvspänningens storlek beror på deformationshastigheten och på vätskans trögflutenhet = viskositet.

Viskositeten definieras vid skiktströmning, laminär strömning, av Newtons ansats.

Newtons ansats

Ekv 10.1 Newtons ansats

där

  • τ – skjuvspänning (N/m²)
  • η – dynamisk viskositet (kg/m,s)
  • Δv – hastighetsförändring (m/s)
  • Δy – avstånd mellan skikten (m)

 

Definition av viskositet

Figur 10.1 Definition av viskositet

 

Den dynamiska viskositeten anges i SI-systemet i enheten.

  • 1 kg/m,s = 1 Ns/m2

Andra förekommande enheter är

  • 1 Poise = 1 P = 0,1 kg/m,s

eller

  • 1 centipoise = 1 cP = 10-2 P = 10-3 kg/m,s

I strömningslärans rörelseekvationer för viskös strömning uppträder alltid den dynamiska viskositeten dividerad med vätskans densitet. Denna parameter betecknas kallas kinematisk viskositet

Ekv. 1022 Kinematisk viskositet

Ekv. 10.2

där

  • ν – kinematisk viskositet (m²/s)
  • η – dynamisk viskositet (kg/m,s)
  • ρ – densitet (kg/m³)

SI-enheten för kinematisk viskositet är 1 m2/s

Som multipelenheter användes ibland

1 Stoke = 1 St = 10-4 m2/s

eller vanligare

1 cSt = 10-2 St = 10-6 m/s = 1 mm2/s

Vid enheten 1 cSt = 1 mm2/s erhåller kinematiska viskositeten för vatten av 20°C och 1 bar talvärdet 1.

vatten_viskositet_cSt

Viskositet för vatten cSt vid olika temperaturer

Newtonska vätskor

En vätska, som vid laminär strömning följer Newtons ansats och som har konstant viskositet, oberoende av hastighetsgradient och tid, kallas för en newtonsk vätska.

Figur 10-2 Newtonsk vätska

Figur 10-2 Newtonsk vätska

 

Figur 10-2 Newtonsk vätska

Exempel på newtonska vätskor är:

Vatten, lösningar med vatten, lågmolekylära vätskor, oljor och oljedestillat. Även svartlut, talloljefettsyra uppför sig som newtonska vätskor.

Icke newtonska vätskor

Vätskor, som inte uppfyller kraven för newtonska vätskor, kallas icke newtonska vätskor. De flesta högmolekylära vätskor, suspensioner och emulsioner uppvisar icke newtonska egenskaper.

Icke-newtonska vätskor indelas vanligen i tre huvudgrupper:

  1. Tidsoberoende
    • pseudoplastiska
    • dilatanta
    • plastiska
  2. Tidsberoende
    • tixotropa
    • reopexa
    • irreversibla
  3. Viskoelastiska

Icke newtonska vätskor i grupp 1

Vätskor i grupp 1 påverkas ej av strömningsförloppets utsträckning i tiden. Skjuvspänningen är vid laminär strömning och vid given temperatur entydigt bestämd av hastighetsgradienten. I analogi med newtonska vätskor skrives Ekv. 10.3

Ekv. 10.3

 

där ȠI =ekvivalent – skenbar – dynamisk viskositet

Tidsoberoende icke-newtonska vätskor

Figur 10.3 Tidsoberoende icke-newtonska vätskor

Figur 10.3 Tidsoberoende icke-newtonska vätskor

Vid pseudoplastiska vätskor minskar den ekvivalenta viskositeten med ökande hastighetsgradient.

Exempel pseudoplastiska vätskor:
Högmolekylära lösningar, gummi, latex, vissa smältor, majonäs

Vid dilatanta vätskor ökar den ekvivalenta viskositeten med ökande hastighetsgradient.

Exempel dilatanta vätskor:
Bottensatsen i oljefärg, suspensioner med hög koncentration av finkorniga partiklar som cement, kalk, sand, stärkelse.

Plastiska vätskor kräver en viss minsta skjuvspänning för att överhuvud taget börja flyta. Ekvivalenta viskositeten avtar från ett oändligt högt värde med ökande hastighetsgradient.

Exempel plastiska vätskor:
Tandkräm, salvor, smörjfett, margarin, trycksvärta, pappersmassa, emulsioner.

Icke newtonska vätskor i grupp 2

Hos vätskor i grupp 2, de tidsberoende, påverkas den ekvivalenta viskositeten förutom av hastighetsgradienten även av den utsträckning i tiden, som strömningsförloppet varar.

Illustration till tidsberoende icke newtonska vätskor

Figur 10.4 Illustration till tidsberoende icke newtonska vätskor

 

Figur 10.4 Illustration till tidsberoende icke newtonska vätskor

Vid tixotropa vätskor minskar μ då strömningen startar. Då påverkan upphör återtar vätskan vätskan sin ursprungliga viskositet efter en viss tid.

Exempel tixotropa vätskor:
Målarfärg, geléartade livsmedel

Reopexa vätskor uppvisar ökande viskositet vid mekanisk påverkan och återtar sin ursprungliga viskositet då påverkan upphör

Exempel reopexa vätskor:
Vissa gipssuspensioner

Irreversibla vätskors viskositet återbildas ej alls eller möjligen efter mycket lång tid efter det att påverkan upphört. Dessa vätskor måste pumpas skonsamt.

Exempel irreversibla vätskor:
Ostkoagel, youghurt, marmelad

Icke newtonska vätskor i grupp 3

Grupp 3, viskoelastiska vätskor, innehåller vätskor, som uppvisar både elastiska och viskösa egenskaper. Viskoelastiska vätskor undergår såväl elastisk som viskös deformation. Då strömningen upphör sker en viss elastisk återdeformation.

Exempel viskoelastiska vätskor:
asfalt, smält nylon, gummi, polymera lösningar

Kommentarer till vätskors viskositet vid pumpning

  • Den dynamiska viskositeten är temperaturberoende. Ökande temperatur ger minskande viskositet. Vissa vätskor måste värmas vid pumpning.
  • För den kinematiska viskositeten tillkommer densitetens beroende av temperaturen. Vid mycket höga tryck > 20 Mpa kan ett visst tryckberoende för viskositeten observeras.
  • Förlustkoefficienter vid rörströmning är beroende av Reynolds tal, som i sin tur är beroende av den dynamiska viskositeten.
  • Turbopumpars prestanda är beroende av Reynolds tal. Data är alltid angivna för vatten och måste korrigeras vid pumpning av annan vätska. Vätskor med hög i viskositet pumpas bäst med förträngningspumpar.
  • Viskositet definieras av sambandet skjuvspänning, hastighetsgradient vid laminär strömning. Vid turbulent strömning påverkas detta samband av impulsutbytet mellan skikten orsakat av vätskepartiklarnas överlagrade oregelbundna rörelser.
  • I äldre måttsystem har viskositetsmått angivits i enheter baserade på speciella provmetoder t.ex Engler, Saybolt och Redwood; I tabell 10.1 finns ett översättningsdiagram till SI-enheter
Omräkningsdiagram för olika viskositetsenheter.

Tabell 10.1 Omräkningsdiagram för olika viskositetsenheter.

 

Tabell 10.1 Omräkningsdiagram för olika viskositetsenheter.

Penetrationsbestämning för pumpad vätska

För en del icke newtonska vätskor, t ex smörjfett och asfalt, ger viskositetsbestämning ej tillräcklig upplysning om flytegenskaperna, komplettering med uppgifter om konsistens behövs. Dessa uppgifter erhålles genom penetrationsbestämning.

För fetter är penetrationen ett mått på konsistensen. Den är det djup i tiondels mm som en kon tränger ner i en provkopp med fettprov värmt till 250C. Penetrationen är beroende av om konsistensen förändrats genom omrörning, skakning eller liknande. Hårda fetter har låga penetrationstal medan mjuka fetter har höga. Tillverkare av fetter anger penetrationstal för varje kvalitet t ex 240-325. Två smörjfetter kan vidare ha samma penetrationstal, men ändå ha olika flytförmåga, beroende på den ingående oljans viskositet. För asfalt utföres penetrationsbestämning vid 25°C på i princip samma sätt som för smörjfett, men med en belastad nål i stället för kon. Mätvärdena används för klassificering av asfalt, vanliga penetrationstal är 10-50.