Druk, viscositeit, drukval... Vloeistofmechanica voor dummies

Oplosmiddelviscositeit, drukval over het filter, nominale druk, drukgradiënt, debiet, Newtoniaanse vloeistof... Het is niet vanzelfsprekend om te weten wat er achter deze verschillende fysische parameters en vloeistofeigenschappen schuilgaat.

Om echter filters te kunnen kiezen en te dimensioneren die aangepast zijn aan bepaalde productiecircuits, om de technische filterdocumentatie te ontcijferen, om het onderhoud van de filterapparaten te verzekeren en om ze optimaal te vervangen, is het belangrijk om te begrijpen wat deze begrippen inhouden en welk belang ze in de praktijk hebben. Techni Filtration heeft daarom deze korte gids over toegepaste vloeistofmechanica voor u samengesteld.

Vloeistofmechanica is de tak van de natuurkunde die de stroming van vloeibare of gasvormige vloeistoffen bestudeert. Als vloeistoffen in rust zijn, heet dat vloeistofstatica. Wanneer zij in beweging zijn, wat typisch het geval is in filtratiesystemen, spreekt men van vloeistofdynamica.

De volumestroom van een vloeistof is het volume vloeistof dat per tijdseenheid door een bepaalde sectie stroomt. Het wordt uitgedrukt in kubieke meter per seconde [m³/s].

In het geval van een installatie met filterapparaten is het van belang om de filters en pompen te dimensioneren op basis van het volume vloeistof dat per tijdseenheid moet worden behandeld.

De geometrie en de structuur van het gebruikte filtermedium (holle vezels, geweven vezels, enz.) bepalen het beschikbare filtratieoppervlak en uiteindelijk het debiet van de vloeistof die erdoor kan stromen.

In een vloeistof bewegen de deeltjes ongeordend. Op elk moment zullen sommige van hen botsen en weerkaatsen tegen de wanden van de container die de vloeistof bevat. De kracht die de vloeistof loodrecht op de wand uitoefent, wordt de drukkracht genoemd. Deze drukkracht is evenredig met het beschouwde oppervlakte. Daarom definiëren wij een grootheid, druk genaamd, die overeenkomt met de kracht per oppervlakte-eenheid, uitgedrukt in Pascal (1 Pa = 1 N/m2).

Wanneer op een vloeistof een spanning wordt uitgeoefend, zal deze in meer of mindere mate vervormen, afhankelijk van de aard van de vloeistof. De samendrukbaarheid van een vloeistof weerspiegelt de relatieve afname van het volume onder invloed van druk. Hij is hoog voor gassen en veel lager voor vloeistoffen. Met andere woorden, een gas is over het algemeen gemakkelijk te comprimeren, terwijl dat voor een vloeistof veel minder het geval is.

Sommige vloeistoffen, zoals olie of glycerine, hebben een bepaalde stromingsweerstand. Andere vloeistoffen, zoals water, stromen met veel minder moeite. Olie en glycerine zouden viskeuzer zijn dan water.

De viscositeit van een vloeistof kenmerkt dus de stromingsweerstand ervan. Zij wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de snelheidsgradiënt en de spanning. Het houdt verband met de wrijvingskrachten die tussen de vloeistofdeeltjes bestaan wanneer de vloeistof in beweging wordt gebracht.

Met de viscositeit van een vloeistof moet bijvoorbeeld rekening worden gehouden bij de keuze van het pompvermogen en de geometrie van de gebruikte filters. De (dynamische) viscositeit wordt uitgedrukt in Pascal-seconden (Pa-s).

Het wordt soms ook uitgedrukt in Poise (1Pa-s = 10 P) of centiPoise (1 cP = 1 mPa-s). Viscositeit dissipeert de energie van de vloeistof. Het hangt samen met het begrip drukval.

Ontdek onze oplossingen voor inkt- en oplosmiddelfiltratie

Vloeistoffen kunnen worden ingedeeld in twee families, volgens het gedrag van hun viscositeit in relatie tot de mechanische spanning waaraan zij worden onderworpen.

Men zegt dat een vloeistof Newtoniaans is wanneer de viscositeit onafhankelijk is van de spanning. De viscositeit van Newtoniaanse vloeistoffen, zoals water, lucht en de meeste gassen, is dus constant of varieert alleen met de temperatuur.

Wanneer de viscositeit van de vloeistof varieert met de uitgeoefende mechanische spanning, spreekt men van niet-Newtoniaans.

Dit geldt voor de meeste vloeistoffen: gels, slurries, pasta's, suspensies, emulsies, enz.

In sommige gevallen neemt hun viscositeit toe wanneer een mechanische actie wordt toegepast; de vloeistoffen worden dan reo-verdikkend genoemd.

Dit is bijvoorbeeld het geval met natte zand- of maïzenapreparaten: zij vloeien als een vloeistof wanneer zij in rust zijn, maar worden zeer hard wanneer zij worden geroerd of geperst.

Omgekeerd zijn er vloeistoffen waarvan de viscositeit afneemt met de spanning waaraan zij worden blootgesteld: deze worden reofluïdische of pseudoplastische vloeistoffen genoemd. Dit is het geval voor bepaalde inkten, vernissen of verven. Zo verspreidt verf zich weliswaar goed onder spanning (het penseel), maar houdt hij op met vloeien zodra het penseel voorbij is, dus zodra hij niet meer onder spanning staat. Dit is een zeer nuttige eigenschap in de praktijk, bij het uitvoeren van schilderwerk.

Ten slotte veranderen de stromingseigenschappen van sommige vloeistoffen in de loop der tijd wanneer zij onder spanning komen te staan. Als ze, zoals yoghurt of ketchup, steeds vloeibaarder worden, worden ze thixotroop genoemd. Als hun viscositeit daarentegen toeneemt, worden zij antithixotrope vloeistoffen genoemd.

De dissipatie van de mechanische energie van een bewegende vloeistof door wrijving wordt drukverlies genoemd. In een horizontale pijp resulteert deze energiedissipatie in een drukval langs de stroom.

Om de beweging van een vloeistof door een circuit in stand te houden, moet overeenkomstige energie worden geleverd ter compensatie van de door wrijving gedissipeerde energie. Drukverliezen zijn afhankelijk van de vorm, de afmetingen en de ruwheid van de onderdelen (leidingen, pompen, enz.), de stroomsnelheid en de viscositeit van de vloeistof.

Drukverliezen worden lineair of regelmatig genoemd wanneer zij optreden tijdens de stroming langs leidingen. Ze worden enkelvoudig genoemd wanneer zij zich voordoen ter hoogte van de delen die de richting of het doorgangsgedeelte van de vloeistof wijzigen (verbinding, kleppen, wisselaars...).

Tijdens een filtratie verliest de vloeistof energie (enkelvoudige drukval) wanneer deze door de filterende inrichting stroomt, hetgeen resulteert in een drukval. Deze drukval is afhankelijk van de structuur van het filter, de aard van het filtermedium en de vervuilingsgraad van het filter.

Fabrikanten geven in het algemeen de drukval over het filter aan op het desbetreffende productblad.

Dit is een belangrijke parameter waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van het filterinstrument dat wordt gebruikt. Het bepaalt de prestaties, de exploitatiekosten van de installatie, enz.

Een laminaire stroming is een stroming waarbij de lagen vloeistof parallel aan elkaar glijden zonder zich te vermengen. Laminaire stroming is een regime waarin de viscositeitskrachten domineren en de stroming bepalen.

Turbulente stroming daarentegen is een stroming die ongeordend verloopt. De lagen vloeistof vermengen zich met elkaar door de wervelingen die in de vloeistof ontstaan.

Het waargenomen stromingsregime hangt onder meer af van de viscositeit van de vloeistof en de snelheid ervan.

Afhankelijk van het stromingsregime variëren de drukverliezen omdat het gedrag van de vloeistof verandert. In de industrie wordt over het algemeen de voorkeur gegeven aan laminaire stroming omdat dit de drukverliezen en dus het energieverbruik beperkt.

Een schuifspanning is een mechanische spanning die tangentieel op een oppervlak van een materiaal wordt uitgeoefend, in tegenstelling tot normale spanningen die loodrecht op het oppervlak worden uitgeoefend.

Beschouw het voorbeeld van een vloeistof die tussen twee parallelle platen stroomt. Als de onderste plaat stilstaat terwijl op de plaat erboven een kracht wordt uitgeoefend om snelheid te geven, worden tangentiële spanningen uitgeoefend op de vloeistof, waardoor de vloeistoflagen in beweging komen.

De snelheid die zij verkrijgen hangt af van de viscositeit van de vloeistof. De lagen vloeistof bewegen sneller naarmate ze dichter bij de bewegende plaat zijn. In de plaat ontstaat dan een snelheidsgradiënt. De vloeistof wordt afgeschoven.

In het geval van zogenaamde complexe vloeistoffen (zoals een vloeibare oplossing die polymeren bevat, of schuim en emulsies die door de farmaceutische industrie worden geproduceerd) is de viscositeit in het algemeen afhankelijk van de afschuifsnelheid die zij ondergaan. Deze vloeistoffen kunnen ook gedenatureerd worden als de afschuiving te hoog is.

Wens je meer informatie na het lezen van dit artikel of ben je op zoek naar een luisterend oor voor uw probleem, advies op maat? Raadpleeg onze deskundigen via onze contactpagina om u te helpen de meest geschikte oplossing voor uw proces te vinden en te valideren.

Zin in meer?! Volg onze pagina want er volgen meer interessante artikels over filtratietechnieken, al +20jaar onze énige focus en specialiteit.

Dank voor uw aandacht en interesse! Blijf op de hoogte te blijven van de wetenschap rond filtertechnieken : LinkedIn/TechniFiltration