Fließende Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten
Die Suche nach dem richtigen Instrument zur Messung oder Kontrolle von nicht-newtonschen Flüssigkeiten kann eine Herausforderung sein. Einige beliebte Durchflusstechniken wie elektromagnetische Messgeräte können bis zu einem 20% Abweichung in der Genauigkeit, wenn sie für solche Flüssigkeiten verwendet werden. Ultraschall-Durchflussmesser haben auch bis zu 15% Abweichung, wenn sie für nicht-newtonsche Flüssigkeiten verwendet werden, die zwischen laminarer und turbulenter Strömung wechseln. In diesem Blog erörtern wir die Herausforderungen, die nicht-newtonsche Flüssigkeiten mit sich bringen, und wie sich Coriolis-Durchflussmessgeräte als die erfolgreichste Lösung erwiesen haben.
Was sind nicht-newtonsche Flüssigkeiten?
Newtonsche Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, weisen unabhängig von der ausgeübten Kraft eine konstante Viskosität auf. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten hingegen ändern ihre Viskosität je nach Art und Größe der auf sie ausgeübten Kräfte.
| Newtonsche Flüssigkeiten | Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten |
| Wasser | Dieselabgasflüssigkeit |
| Alkohol | Blut |
| Glycerin | Seifenlösungen |
| Benzin | Honig |
Die Auswirkung der Scherspannung
Bei jeder Prozessflüssigkeit, die sich durch ein Rohr bewegt, werden Scherkräfte durch die sich aneinander vorbeibewegenden Moleküle in der Flüssigkeit verursacht. Bei Newtonschen Flüssigkeiten führen diese Scherkräfte nicht zu einer Änderung der Viskosität, und die Strömungen haben vorhersehbare Geschwindigkeitsprofile.
Aus dem folgenden Diagramm geht hervor, dass bei der Strömung von Newtonschen Flüssigkeiten durch ein Rohr eine erhöhte Scherspannung in der Nähe der Rohrwände zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Dies führt zu einem schnelleren Flüssigkeitsstrom in der Mitte des Rohrs und einem langsameren Flüssigkeitsstrom an den Rohrwänden. Das resultierende Geschwindigkeitsprofil ist dann als Funktion der Schubspannung vorhersehbar.
Abbildung 1. Newtonsche Strömung durch ein Rohr
Im Gegensatz dazu sind die Geschwindigkeitsprofile für nicht-newtonsche Flüssigkeiten nicht so vorhersehbar, da die Schubspannung nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst. Wenn sich die Viskosität der Flüssigkeit in Abhängigkeit von dieser Spannung ändert, kann das Geschwindigkeitsprofil durch das Rohr asymmetrisch, veränderlich und unvorhersehbar werden.
Wie wirkt sich die Scherspannung auf die Viskosität von nicht-newtonschen Flüssigkeiten aus?
Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können in eine von vier Gruppen eingeteilt werden, die durch die Auswirkung von Scherspannungen auf ihre Viskosität gekennzeichnet sind.
- Dilitante (scherverdickende) Flüssigkeit die Viskosität nimmt mit der Schubspannung zu
- Pseudoplastische (scherverdünnende) Flüssigkeit die Viskosität nimmt mit der Scherspannung ab
- Thixotrope Flüssigkeit die Viskosität nimmt mit der Scherbeanspruchung über die Zeit zu
- Rheopektische Flüssigkeit die Viskosität nimmt im Laufe der Zeit mit der Scherbeanspruchung ab
Abbildung 2a. Auswirkung der Scherspannung auf nicht-newtonsche Flüssigkeiten (Scherverdickung und -verdünnung)
Abbildung 2b. Auswirkung der Scherspannung auf nicht-newtonsche Flüssigkeiten (thixotrop und rheopektisch)
Welche anderen Bedingungen wirken sich auf nicht-newtonsche Flüssigkeiten aus?
Die Prozessbedingungen können das Verhalten eines nicht-newtonschen Fluids weiter beeinflussen. Veränderte Parameter wie Rohrdurchmesser, Durchflussmenge und Druck wirken sich alle auf die Größe der vorhandenen Scherspannung und somit auch auf die Viskosität und das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit aus.
Fließende Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten mit Coriolis-Technik
Bei der Auswahl eines Durchflussmessers oder -reglers ist es wichtig, das Verhalten der im Prozess verwendeten Flüssigkeiten zu berücksichtigen. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten haben im Vergleich zu Newtonschen Flüssigkeiten andere Geschwindigkeitsprofile und verhalten sich auch beim Übergang zwischen laminaren und turbulenten Strömungen anders. Diese Eigenschaften verringern die Messgenauigkeit von Durchflussmessern, die sich auf erwartete Strömungsgeschwindigkeitsprofile verlassen.
Coriolis-Massedurchflussmessgeräte sind in der Lage, den Durchfluss von Nicht-Newton'schen Flüssigkeiten genau zu messen und zu steuern, da sie einzigartiges Funktionsprinzip das Trägheitskräfte zur direkten Bestimmung des Massendurchsatzes nutzt. Dies wurde durch eine Studie der Universität Liverpool validiert Studie in der festgestellt wurde, dass Coriolis-Durchflussmessgeräte bei der Verwendung von Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten innerhalb der angegebenen Genauigkeitstoleranz arbeiten.
Obwohl sich Coriolis-Geräte als die effektivste Lösung für fließende nicht-newtonsche Flüssigkeiten erwiesen haben, ist es dennoch wichtig, sich der Grenzen dieser Technologie bewusst zu sein. Einige nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind hochviskos - zum Beispiel Zementschlämme, Joghurt und Honig - und können mit bestimmten Coriolis-Geräten nicht kompatibel sein.
Weniger viskose nicht-newtonsche Flüssigkeiten, wie z. B. Polymerlösungen, eignen sich perfekt für die Verwendung mit Coriolis-Geräten wie dem Alicat Massendurchflussmesser der CODA-Serie und Regler. Dieselabgasflüssigkeit (DEF) ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeitslösung, die aus 32,5% Harnstoff und 67,5% DI-Wasser besteht. Diese Flüssigkeit wird in viele LKW-Dieselmotoren eingefüllt, um die Emissionen zu verringern, indem Ruß und unverbrannter Kraftstoff in Stickstoff und Wasser als Nebenprodukte zerlegt werden. Die Prüfung der Wirksamkeit und des Verbrauchs von DEF erfordert häufig eine genaue Messung des Durchflusses über bestimmte Zeiträume. Die Genauigkeit von Standard-Durchflussmesstechniken wird durch die nicht-newtonschen Eigenschaften der Flüssigkeit beeinträchtigt.