Viskosität

Die Viskosität gehört zu den zentralen Stoffeigenschaften in der Fluidtechnik. Sie beschreibt die Zähigkeit bzw. innere Reibung eines Fluids und gibt an, wie stark sich einzelne Fluidschichten gegeneinander bewegen lassen, also wie stark ein Medium dem Fließen widersteht. Sie bestimmt, wie leicht oder schwer ein Medium fließt und spielt bei der Auslegung, Auswahl und dem Betrieb von Pumpen eine zentrale Rolle, da sich die Viskosität direkt auf Förderleistung, Strömungsverhalten, Energiebedarf und den Gesamtwirkungsgrad einer Pumpenanlage auswirkt.

Was ist Viskosität?
Bedeutung der Viskosität in der Pumpentechnik

Viskosität ist einer der entscheidenden Stoffparameter in der Hydraulik und Pumpenauslegung. Sie beeinflusst das Strömungsverhalten eines Mediums, die Förderleistung der Pumpe, die erforderliche Motorleistung, die Reibungsverluste im System sowie die Art der geeigneten Pumpentechnologie.
Je höher die Viskosität, desto zäher das Fluid – und desto mehr Energie braucht eine Pumpe, um es zu transportieren. Niedrigviskose Medien hingegen fließen leicht und verursachen geringere Reibungsverluste.
Medien mit niedriger Viskosität – etwa Wasser oder Alkohole – lassen sich problemlos fördern, während hochviskose Medien wie Öle, Lacke oder Bitumen anspruchsvolle Betriebsbedingungen erzeugen und eine angepasste Pumpentechnologie erfordern.

Unterschied dynamische und kinematische Viskosität

Dynamische Viskosität (η)

Sie beschreibt die Kraft, die notwendig ist, um zwei Fluidschichten gegeneinander zu verschieben. Sie ist besonders relevant, wenn es um die direkte Belastung in Pumpen und Rohrleitungen geht.
Einheit: Pascal-Sekunde (Pa·s) oder Poise (P).

Kinematische Viskosität (ν)

Sie setzt die dynamische Viskosität ins Verhältnis zur Dichte des Mediums. Vor allem in der Praxis wird die kinematische Viskosität verwendet, da viele Normen (insbesondere im Bereich Öle) darauf basieren.
Einheit: Quadratmillimeter pro Sekunde (mm²/s), auch bekannt als Centistokes (cSt).

Einfluss der Temperatur auf die Viskosität

Die Viskosität ist stark temperaturabhängig:

• steigende Temperaturen → Viskosität sinkt → Medium wird dünnflüssiger
• sinkende Temperaturen → Viskosität steigt → Medium wird zähflüssiger

Dieser Zusammenhang ist für Pumpenhersteller und Anlagenbetreiber essenziell, da selbst kleine Temperaturänderungen erhebliche Auswirkungen auf Förderleistung, Druckverluste und Kavitation haben können. Dieser Effekt beeinflusst auch das Startverhalten von Pumpen, die Drehmomentanforderungen sowie das weitere Förderverhalten im stationären Betrieb. In Heiz- oder Kälteprozessen müssen Betreiber daher nicht nur die aktuelle, sondern auch die betriebsbedingte Temperaturentwicklung berücksichtigen.

Relevanz für Pumpenauswahl und Auslegung

Ein korrektes Verständnis der Viskosität ist notwendig, um:

• die passende Pumpentechnologie auszuwählen
• den richtigen Motornennpunkt zu bestimmen
• Schäden durch Überlastung oder unzureichende Schmierung zu vermeiden
• Druckverluste exakt zu berechnen
• das NPSH-Verhalten realistisch zu beurteilen

Einfluss der Viskosität auf Pumpenauswahl und Auslegung

Viskosität bestimmt in vielen Fällen, ob eine Kreiselpumpe oder eine Verdrängerpumpe optimal geeignet ist.
Typische Auswirkungen hoher Viskosität sind:

• reduzierter volumetrischer Wirkungsgrad
• sinkender hydraulischer Wirkungsgrad bei Kreiselpumpen
• erhöhter Motorleistungsbedarf
• verstärkte Rohrreibungsverluste
• Übergang von turbulenter zu laminaren Strömungen
• erhöhte Gefahr lokaler Überhitzung

Je nach Viskositätsbereich kommen unterschiedliche Pumpentypen infrage. Während Kreiselpumpen bei dünnflüssigen Medien besonders effizient arbeiten, eignen sich Verdrängerpumpen, wie Schrauben-, Exzenterschnecken-, Zahnrad-, Kolben- oder Plungerpumpen und andere, vor allem für mittel- bis hochviskose Fluide. Sie können konstante Volumenströme erzeugen und kommen deutlich besser mit zähen Medien klar.

Messung und Bestimmung der Viskosität

Zur Bestimmung der Viskosität stehen verschiedene Messverfahren zur Verfügung:

• Kapillarviskosimeter: für klare, niedrigviskose Medien
• Rotationsviskosimeter: für hohe Viskositäten und nicht-Newtonsche Fluide
• Fallkörperviskosimeter: häufig bei transparenten, mittleren bis höheren Viskositäten genutzt

In industriellen Anwendungen stützt man sich oft auf genormte Viskositätsklassen wie ISO VG oder SAE, um Pumpen, Filter und Rohrleitungen korrekt auszulegen.

Beispiele für Fördermedien und typische Viskositäten

Niedrigviskose Medien (< 10 mm²/s)

Diese Medien sind dünnflüssig, leicht pumpbar und eignen sich ideal für Kreiselpumpen.

• Wasser: ca. 1 mm²/s (bei 20 °C)
• Ethanol: ca. 1,2–1,5 mm²/s
• Benzin: ca. 0,6–0,9 mm²/s
• Aceton: ca. 0,3–0,4 mm²/s
• Methanol: ca. 0,5–0,7 mm²/s
• Ammoniak (flüssig): ca. 0,2–0,3 mm²/s
• Flüssiggas (LPG): ca. 0,1–0,3 mm²/s

Mittlere Viskositäten (10–100 mm²/s)

Diese Gruppe ist noch gut pumpbar, kann aber je nach Temperatur variieren.

• Hydrauliköl ISO VG 32 / 46 / 68: ca. 32–68 mm²/s (normiert bei 40 °C)
• Dieselöl: ca. 2–4 mm²/s (bei 20 °C), kann bei Kälte deutlich ansteigen
• Motoröl SAE 10W–40: ca. 60–100 mm²/s (bei 40 °C)
• Speiseöle (z. B. Rapsöl, Sonnenblumenöl): ca. 40–80 mm²/s (bei 20 °C)
• Glykol-Wasser-Gemische: ca. 5–20 mm²/s je nach Konzentration

Höhere Viskositäten (100–1.000 mm²/s)

Hier beginnt der Bereich, in dem Kreiselpumpen an Effizienz verlieren und Verdrängerpumpen sinnvoller werden.

• Getriebeöl: ca. 120–200 mm²/s (bei 40 °C)
• Polyole, z. B. Propylenglykol hochkonzentriert: 100–200 mm²/s
• Fette im warmen Zustand (leicht erwärmt): mehrere 100 mm²/s
• Zucker- oder Glukosesirup: 200–800 mm²/s (stark temperaturabhängig)

Hochviskose Medien (1.000–10.000 mm²/s)

Diese Medien sind deutlich zähflüssig und erfordern meist Schrauben-, Zahnrad- oder Exzenterschneckenpumpen.

• Honig: 2.000–10.000 mm²/s (je nach Temperatur sehr variabel)
• Molasse: ca. 5.000–8.000 mm²/s
• Schokoladenmasse (erwärmt): 3.000–6.000 mm²/s
• Polymerlösungen: 1.000–5.000 mm²/s, je nach Anteil und Temperatur

Extrem hochviskose Medien (> 10.000 mm²/s)

Hier wird der Betrieb oft nur mit Erwärmung oder speziellen Hochleistungs-Verdrängerpumpen möglich.

• Bitumen / Asphalt:
  • unbeheizt: >100.000 mm²/s (teilweise pastös)
  • beheizt (160–180 °C): 100–1.000 mm²/s
• Erdölförderrückstände (Residue/Heavy Fuel Oil):
  • kalt: 20.000–150.000 mm²/s
  • beheizt: 100–1.000 mm²/s
• Klebstoffe / Harze: 10.000–100.000 mm²/s
• Fette bei Raumtemperatur: bis mehrere 100.000 mm²/s
• Silikonpasten: 50.000–200.000 mm²/s oder höher

Nicht-Newtonsche Medien (variierende Viskosität je nach Scherung)

Diese Medien ändern ihre Viskosität, wenn sie bewegt oder geschert werden.

Shear-Thinning (werden dünner bei Bewegung)

• Farben & Lacke: Bereich ca. 500–20.000 mm²/s
• Ketchup: 50.000–100.000+ mm²/s (in Ruhe), beim Scheren stark dünnflüssiger
• Kosmetische Cremes: 5.000–50.000 mm²/s

Shear-Thickening (werden zäher bei Bewegung)

• Stärke-Wasser-Suspensionen (Oobleck): sehr variabel, im Extrem fast fest