Springe zum Hauptinhalt
+ 41 52 511 3200 (SUI)     + 1 713 364 5427 (USA)     
Nicht-Newtonsche Flüssigkeitsviskosität entmystifizieren

Nicht-Newtonsche Fluidviskositätsmessung mit Inline-Viskosimeter SRV

Viele, wenn nicht die meisten Flüssigkeiten zeigen ein nicht-Newtonsches Verhalten. Eine Flüssigkeit wird als nicht-Newtonsch bezeichnet, wenn ihre gemessene Viskosität von der Schergeschwindigkeit abhängt, mit der die Messung durchgeführt wird.

1. Eine kurze Einführung in nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Die Viskosität ist definiert als das Verhältnis von Scherspannung zu Schergeschwindigkeit, wenn ein Fluid einer gleichmäßigen Scherung ausgesetzt wird, wie in 1 schematisch dargestellt:

Abb.1 - Eine Newtonsche Flüssigkeit, die zwischen zwei parallelen Platten geschert wird

Abb. 1: Eine Newtonsche Flüssigkeit, die zwischen zwei parallelen Platten geschert wird

Wenn die Widerstandskraft (Scherspannung) proportional zur Geschwindigkeit der unteren Platte (Schergeschwindigkeit) ist, wird das Fluid als Newtonsch bezeichnet. Seine Viskosität ist proportional zum Verhältnis von Widerstandskraft zu Geschwindigkeit. Daher hängt die Viskosität nicht davon ab, wie schnell sie geschert wird; Die Scherbeanspruchung nimmt einfach zu, um mit der Schergeschwindigkeit Schritt zu halten. Je größer das Verhältnis von Scherspannung zu Schergeschwindigkeit ist, desto höher ist die Viskosität (die beiden geraden Linien in Abb. 2 unten):

Abb. 2 - Verhalten von Newtonschen und scherverdünnenden Flüssigkeiten

Abb. 2: Verhalten von Newtonschen und scherverdünnenden Flüssigkeiten

Newtonsche und nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Für Newtonsche FlüssigkeitenWenn Sie die Kraft ändern, die Sie auf die Flüssigkeit ausüben, ändert sich deren Viskosität nicht. Die Viskosität bleibt konstant, wenn sich die ausgeübte Kraft ändert. In einem Newtonsche Flüssigkeit Die Beziehung zwischen der Scherspannung und der Schergeschwindigkeit ist linear und verläuft durch den Ursprung, wobei die Proportionalitätskonstante der Viskositätskoeffizient ist.

Nicht-Newton Flüssigkeiten haben Viskositäten, die sich entsprechend der auf die Flüssigkeit ausgeübten Kraft ändern. Die Viskosität ändert sich, wenn sich die ausgeübte Kraft ändert. In einem Nicht-Newtonsche Flüssigkeit Die Beziehung zwischen der Scherspannung und der Schergeschwindigkeit ist unterschiedlich und kann sogar zeitabhängig sein (zeitabhängige Viskosität). Ein konstanter Viskositätskoeffizient kann für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten nicht definiert werden, wie dies für Newtonsche Flüssigkeiten möglich ist.

Im Fall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist das Konzept der Viskosität, das üblicherweise in der Strömungsmechanik zur Charakterisierung der Schereigenschaften einer Flüssigkeit verwendet wird, nicht ganz ausreichend. Stattdessen werden sie am besten anhand mehrerer anderer rheologischer Eigenschaften untersucht, die sich auf Spannungs- und Dehnungsratentensoren unter vielen verschiedenen Strömungsbedingungen beziehen, die mit verschiedenen Geräten oder Rheometern gemessen werden.

Referenz - https://www.wikilectures.eu/w/Non-Newtonian_fluid (Bild - Creative Commons Lizenz)

Eine Art von nicht-Newtonschem Verhalten, das vielen Flüssigkeiten gemeinsam ist, besteht darin, dass die gemessene Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit des Viskosimeters abnimmt. Dies wird als Scherverdünnungsverhalten bezeichnet. Das Verhältnis der Scherspannung zur Schergeschwindigkeit einer Scherverdünnungsflüssigkeit beginnt hoch, wird jedoch mit zunehmender Schergeschwindigkeit kleiner. In Fig. 2 oben beginnt die Kurve der Scherspannung der Scherverdünnungsflüssigkeit gegenüber der Schergeschwindigkeit parallel zu der hochviskosen Flüssigkeit und wickelt sich parallel zu der niedrigviskosen Flüssigkeit auf. Die Flüssigkeit wird dünner, je schneller sie geschert wird.

Die meisten Flüssigkeiten zeigen eine nichtlineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die gemessene Viskosität vom Typ des für die Messung verwendeten Viskosimeters abhängt. Das SRV hat eine viel höhere Schergeschwindigkeit als die meisten Rotations-, Kapillar- und Efflux-Cup-Viskosimeter. Daher zeigt das SRV häufig eine wesentlich andere Viskosität als ein Laborrotationsinstrument.

In den folgenden Abschnitten werden Messungen einer typischen Scherverdünnungsflüssigkeit und die Auswirkungen auf Inline-Messungen mit dem Rheonics SRV beschrieben.

2. Viskositätsmessungen von scherverdünnenden Materialien

Konzentrierte Waschmittellösungen wie Shampoos, Geschirrspülmittel und Weichspüler zeigen typischerweise ein scherverdünnendes Verhalten. Wenn ein Rotationsviskosimeter wie ein Brookfield DV zur Messung ihrer Viskosität verwendet wird, nimmt die angegebene Viskosität mit zunehmender Spindeldrehzahl ab. Das folgende Diagramm, Abb. 3, veranschaulicht dieses Scherverdünnungsverhalten:

Brookfield-Rotationsviskosimeter3t
Abb. 3 - Angezeigte Viskosität im Verhältnis zur Spindeldrehzahl des Viskosimeters

Fig. 3 (a) Ein typisches Rotationsviskosimeter - Brookfield DV3 (b) Angezeigte Viskosität gegenüber der Spindeldrehzahl des Viskosimeters zum Erweichen des Gewebes auf einem Rotationsviskosimeter

Obwohl die Schergeschwindigkeit für die meisten Viskosimeter nicht gut definiert ist, kann gezeigt werden, dass die Schergeschwindigkeit von Schwingungsviskosimetern wie dem Rheonics SRV mehr als hundertmal höher ist als die eines typischen Brookfield-, Fann- oder anderen Rotationsviskosimeters . Dies bedeutet, dass das SRV am Ende der Schergeschwindigkeitskurve mit hoher Scherung arbeitet. Die angezeigte Viskosität ist signifikant niedriger als bei den meisten anderen Verfahren zur Messung der Schwingungsviskosität.

Bei Messung mit einem Rheonics SRV-Viskosimeter ergibt der Weichspüler eine angegebene Viskosität von 9.7 cPs. Der viel niedrigere Wert ist auf das gleiche Phänomen wie in Fig. 1 zurückzuführen, die Abnahme der Viskosität mit zunehmender Spindeldrehzahl. Das Material ist scherverdünnend und die Schergeschwindigkeit des SRV ist etwa zwei Größenordnungen höher als mit typischen Rotationsviskosimetern erreichbar. Daher ist es unmöglich, eine numerische Übereinstimmung zwischen dem SRV und den Rotationsviskosimetern zu erhalten, außer bei streng Newtonschen, dh schergeschwindigkeitsunabhängigen Flüssigkeiten.

Was bedeutet dies für Anwendungen, bei denen die Flüssigkeit stark scherabhängig ist? Das hängt stark davon ab, wofür der SRV verwendet wird.

Abbildung 1. Inline-Viskosimeter (links) und in einem Flowline-Adapter für Inline-Anwendungen installiert.Abbildung 1. Inline-Viskosimeter (links) und in einem Flowline-Adapter für Inline-Anwendungen installiert.Abbildung 1. Inline-Viskosimeter (links) und in einem Flowline-Adapter installiert für Inline-Anwendungen

Abb. 4. Inline-Viskosimeter (links) und installiert in einem Flowline-Adapter für Inline-Anwendungen

Eine typische Verwendung für ein Inline-Viskosimeter ist die Überwachung der Viskosität eines Produkts, um sicherzustellen, dass seine Viskosität konstant bleibt. Die Prozessparameter können dann vom Bediener angepasst werden, um die Viskosität innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten. In diesem Fall kann möglicherweise eine Umrechnungsformel abgeleitet werden, mit der Rheonics SRV-Messwerte mit Labormessungen mit definierten Scherbedingungen korreliert werden können.

Alternativ kann der Rheonics SRV als Sensor in einem Regelkreis verwendet werden, um einen oder mehrere Prozessparameter automatisch anzupassen, um die Produktviskosität innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Eine typische Anwendung sind Flexodruck- oder Tiefdruckmaschinen, bei denen der Rheonics SRV verwendet wird, um die Viskosität der Druckfarbe konstant zu halten.

In beiden Fällen muss das SRV in einer Flüssigkeit betrieben werden, die am Sensor vorbeiströmt, wenn stark nicht-Newtonsche Flüssigkeiten wie seifen- und tensidhaltige Produkte überwacht oder gesteuert werden. Es gibt keine reproduzierbaren Messwerte, wenn es einfach in ein Becherglas Produkt getaucht wird. Bei Verwendung in einer Linie mit fließendem Produkt wird eine klare und reproduzierbare Reaktion auf Änderungen der Produktviskosität erzielt.

Prozessüberwachung

Überwachen Sie die Viskosität eines Produkts, um sicherzustellen, dass seine Viskosität konstant bleibt.

Steuerung &

Der Sensor kann in einem Regelkreis verwendet werden, um einen oder mehrere Prozessparameter automatisch anzupassen, um die Produktviskosität innerhalb der festgelegten Grenzen zu halten.

Rohstoffprüfung

Führen Sie Qualitätsprüfungen für eingehende Rohstoffe durch.

Endproduktprüfung

Stellen Sie sicher, dass die Qualität der Endprodukte vollständig den festgelegten Standards entspricht.

Anmerkungen: Das Durchflussregime (Konsistenz) ist wichtig, um eine zuverlässige und genaue Überwachung in nicht-Newtonschen Prozessflüssigkeiten zu erhalten. Lassen Sie die Flüssigkeit über den Sensor fließen und stellen Sie ein gleichmäßiges Durchflussregime sicher, indem Sie bei allen Messungen eine ähnliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit und einen ähnlichen Querschnitt aufweisen.

3. Empfehlungen zum Testen der Anwendbarkeit von Rheonics SRV auf Messungen mit nicht-Newtonschen Flüssigkeiten

Bei der Bewertung des Rheonics SRV für eine bestimmte Inline-Messung ist es wichtig, das SRV unter tatsächlichen Prozessbedingungen zu betreiben. Das SRV muss in einer Prozesslinie platziert werden, in der das Produkt fließt, und die Viskosität und Temperatur müssen während des Betriebs der Prozesslinie aufgezeichnet werden.

Es ist unbedingt erforderlich, dass der SRV NICHT anhand statischer Messungen bewertet wird. Wenn Sie das SRV in ein Becherglas mit stationärer Flüssigkeit geben, erhalten Sie normalerweise keine Messungen, die mit den Messungen in der tatsächlichen Prozesslinie mit den für den Betrieb dieses Prozesses typischen Durchflussraten übereinstimmen.

Für Anwendungen, bei denen unklar ist, ob der Rheonics SRV nützliche Messungen liefert, wenden Sie sich bitte an Rheonics, um einen Test mit einem der SRV-Sensoren in Ihrer Anwendung zu vereinbaren.

Sensor_Pipe_mounting

Abb. 5. Installation von SRV & SRD in Rohren

Suche