Auswirkung der Viskosität auf Verdrängerpumpen

Hat die Viskosität einen Einfluss auf Verdrängerpumpen?

In einer Verdrängerpumpe werden definierte Flüssigkeitsvolumina mechanisch durch ein System transportiert. Aus diesem Grund liegt der irrtümliche Rückschluss nahe, dass die Viskosität der zu transportierenden Flüssigkeit einen geringen Einfluss auf die Leistung der Pumpe ausübt. Die Betrachtung der Viskosität in hydraulischen Zusammenhängen ist ein wesentlicher Bestandteil bereits bei der Auslegung von Verdrängerpumpen und trägt präventiv zu Vermeidung gravierender Schadensfälle innerhalb des Systems bei. Ein tiefgehendes Verständnis der Viskosität und deren Effekte in hydraulischen Systemen sind neben dem präzisen Austausch zwischen Systemdesigner und dem Pumpeningenieursteam eine Grundvoraussetzung für eine stabile leistungsfähige Pumpe.

Was ist die Viskosität?

Die Viskosität beschreibt die Zähigkeit von Flüssigkeiten und kann als innere Reibung einer Flüssigkeit, respektive Widerstand dieser gegenüber Scherung, dargestellt werden. Ein bekanntes Beispiel für geringe Viskosität ist Wasser, welches durch seine hohe Fliessfähigkeit eine geringe innere Reibung hat; im Gegenzug dazu besitzt Honig eine hohe Viskosität und folglich einen hohen Widerstand gegenüber Scherung. Im Allgemeinen kann ein Medium mit hoher Viskosität den Fliesswiderstand zu einer Oberfläche beeinflussen und benötigt folglich eine Krafteinwirkung (wie beispielsweise Druck) um die Wechselwirkung (darunter Reibung) mit der Oberfläche eines Rohrs zu überwinden.
Generell kann zwischen dynamischer (η) und kinematischer (ν) Viskosität unterschieden werden, welche in folgendem Verhältnis zu einander stehen: η= ν ∙ρ
mit ρ, der Dichte des Fluids. In laminaren Systemen wird üblicherweise die dynamische Viskosität beschrieben, welche je nach Einheitensystem in [cPs] oder [mPas] ausgedrückt wird. Da Wasser mit einem Nominalwert von 1 [mPas] eine geringe Viskosität aufweist, sind die Herausforderungen im Pumpensystem auf Flüssigkeiten mit hoher Zähigkeit zurückzuführen.

Neben der nominalen Viskosität, welche bei Raumtemperatur angegeben ist, ist die Abhängigkeit dieser für jede individuelle Flüssigkeit bei Temperatureinwirkung zu beachten. Ein weit verbreitetes Beispiel ist die Variation der Zähigkeit von Wasser/Glykol Mischungen in einem Verhältnis von 1/1 , welche sich in einem Temperaturbereich zwischen 0 und 50 °C um Faktor 5 ändert. Im Gegenzug dazu variiert die Viskosität von Wasser im selben Bereich um Faktor 3.

Äusserer Druckabfall

Die Betrachtung eines hydraulischen Systems impliziert den Einbezug des Druckabfalls innerhalb eines Rohrs, welcher sich sowohl auf den Pumpenauslass (Druckerhöhung) als auch auf den Pumpeneinlass (Unterdruck) auswirkt. Dabei wird zwischen laminarer und turbulenter Strömung unterschieden. Ist eine Strömung laminar, steht der Druckabfall in einem linearen Zusammenhang mit der der Viskosität – eine Flüssigkeit mit 100 [mPas] hat somit einen um Faktor 100 höheren Druckabfall im Gegensatz zu Wasser. Turbulente Strömungen hingegen werden primär über die Dichte der Flüssigkeit beeinflusst und wird in diesem Artikel nicht näher in Betracht gezogen.

In diversen hydraulischen Systemen stehen Pulsationen im Vordergrund, welche unter anderem bei Kolbenpumpen auftreten und im Vergleich zu Zahnradpumpen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Druckabfall besitzen – Variationen in der Viskosität haben folglich einen stärkeren Einfluss. In einer pulsierenden Strömung werden Durchflusspeaks erreicht, welche signifikant höher sind als die mittlere Durchflussrate und Über- oder Unterdruckspitzen generieren können. Die Folge können Dosierunregelmässigkeiten, Kavitation sowie frühzeitiger Pumpenverschleiss sein.
Formeln zur Kalkulation des Druckabfalls einer Strömung durch ein Rohr können aus Fachbüchern entnommen werden und sind ebenfalls im Internet verfügbar. In einem ersten Schritt ist die Reynolds-Zahl, Re, zu ermitteln, welche für laminare Strömungen kleiner als 2320 ist. Am Beispiel eines kreisförmigen Rohres wird die Reynolds-Zahl wie folgt berechnet:
Re= (4∙Q)/(η/ρ π∙D)
mit Q, als Volumenstrom und D, dem Innendurchmesser des Rohres.
Turbulente Strömungen hingegen werden wesentlich aufwändiger quantifiziert und Druckabfälle neigen schnell dazu rapide anzusteigen.

Interner Druckabfall

Pumpen, welche nicht für hochviskose Medien ausgelegt sind, können verengte Strömungswege aufweisen, welche einen ähnlichen Effekt erzeugen können wie der oben erläuterte äussere Druckabfall. Aus diesem Grund ist der stetige Austausch mit einem Spezialisten-Team für Pumpentechnik ein wesentlicher Faktor für die korrekte Auslegung und der Vermeidung unerwünschter Schadensfälle.

Interne Leckage

Generell findet bei allen Verdrängerpumpen ein gewisses Mass an interner Leckage statt – insbesondere niederviskose Flüssigkeiten haben hohe Tendenz zwischen dünnen Spalten und Gleitteilen zu fliessen oder sogar durch Mikrozwischenräume in innere Dichtungen zu gelangen. Nimmt die Viskosität des Mediums zu, nimmt simultan die Affinität der Flüssigkeit, in interne Zwischenräume zu strömen, ab. Ausserdem nimmt mit steigender Viskosität die Empfindlichkeit der Verdrängung auf Druckunterschiede ab.

Pumpenleistung

Das schnelle Verdrängen hochviskoser Flüssigkeiten impliziert einen höheren Kraftaufwand im Betrieb verglichen zu niederviskosen Medien. Der direkte Einfluss der Viskosität auf die Leistung, welche für den Betrieb der Pumpe erforderlich ist, kann an folgendem Beispiel veranschaulicht werden: Eine mit Wasser gefüllte und eine mit Honig gefüllte Schüssel werden jeweils mit einem Löffel gerührt. Der Arbeitsaufwand, den Honig zu rühren ist dabei wesentlich höher als für Wasser.
Diese Beobachtung kann für das Fördern von Medien unterschiedlicher Viskosität in einer Zahnradpumpe übertragen werden, da das Rotieren der Zahnräder in einer Flüssigkeit mit erhöhter Viskosität zu einer höheren Verlustleistung führt, verglichen zur Rotation im „Leerlauf“. Rückschliessend kann der Betrieb mit einer festgelegten Motorgrösse bei höheren Viskositätswerten zu reduzierten Drehzahlen und einer reduzierten Pumpenleistung führen.

Kavitation

Hochviskose Flüssigkeiten können am Pumpeneinlass einen höheren Unterdruck generieren als niederviskose, wodurch wird die Wahrscheinlichkeit zur Kavitation innerhalb der Pumpe zunimmt. Studien belegen dennoch, dass die schädigende Wirkung des Kavitationsstrahls bei höherviskosen Medien im Vergleich zu niederviskosen geringer ist. Nichtsdestotrotz ist die Vermeidung von Kavitation innerhalb der Pumpe entscheidend für einen zuverlässigen Flüssigkeitstransport.

Schmierung

Pumpen mit internen hydrodynamischen Lagerstellen – wie beispielsweise magnetgekuppelte Zahnradpumpen – profitieren von höherviskosen Flüssigkeiten, da diese zu einer Verlängerung der Lebensdauer führen. Grund dafür ist die abgestützte hydraulische Last, welche den Kontakt zwischen Lager und Lagerstelle unterbindet und linear mit der Viskosität steigt. Das dickflüssige Medium trägt das Lager und vermeidet dadurch frühzeitigen Verschleiss der Komponenten. Dennoch kann die Lebensdauer durch die oben erläuterten Phänomene herabgesetzt werden.

Folgerung

Ein Systemdesigner hat selten die Gesamtkontrolle über die Viskosität der Flüssigkeit. Aus diesem Grund ist es unumgänglich ein tiefgehendes Verständnis über die Wechselwirkung zwischen der Viskosität und dem System, welche eine hochpräzise Dimensionierung voraussetzt, und der Wechselwirkung dieser mit der Pumpe. In dieser Situation ist der offene Austausch mit dem Pumpeningenieursteam bereits in den ersten Entwicklungsphasen essentiell für die Vermeidung von nachträglichen Anpassungskosten sowie zeitlicher Verzögerung.