Anwendungen von Strömungen nicht-newtonscher Flüssigkeiten

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind Materialien, deren Viskosität sich mit der einwirkenden Scherung ändert, und sie finden Anwendung in der Medizintechnik, Kosmetik- und Nahrungsmittelindustrie.

Anwendungen von Strömungen nicht-newtonscher Flüssigkeiten

In der Welt der Thermo- und Fluidtechnik spielen nicht-newtonsche Flüssigkeiten eine bedeutende Rolle. Diese Flüssigkeiten unterscheiden sich von den klassischen newtonschen Flüssigkeiten dadurch, dass ihre Viskosität nicht konstant ist, sondern sich mit der einwirkenden Scherung ändert. Solche Flüssigkeiten finden in vielen Branchen und Anwendungen Verwendung.

Grundlagen nicht-newtonscher Flüssigkeiten

Newtonschen Flüssigkeiten folgen dem Newtonschen Gesetz der Viskosität, das besagt, dass die Scherspannung (\(\tau\)) proportional zur Scherrate (\(\dot{\gamma}\)) ist:

\(\tau = \mu \cdot \dot{\gamma}\)

wobei \(\mu\) die dynamische Viskosität ist.

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten hingegen haben ein nichtlineares Verhalten. Ihre Viskosität kann bei erhöhter Scherrate entweder abnehmen, zunehmen oder komplexere Muster zeigen. Einige typische Klassen nicht-newtonscher Flüssigkeiten sind:

Scherverdünnend (z. B. Farben, Zahnpasta)

Scherverdickend (z. B. Maisstärkepaste)

Bingham-Plastik (z. B. Ketchup, Zahnpasta)

Anwendungen in der Industrie

Medizintechnik: Blut ist ein klassisches Beispiel für eine nicht-newtonsche Flüssigkeit. Das Verständnis seiner Strömungseigenschaften ist entscheidend für die Entwicklung von Kathetern und Blutpumpen.

Kosmetikindustrie: Viele Kosmetikprodukte wie Cremes und Lotionen sind nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Ihre Handhabung und Verpackung erfordern spezielle Maschinen und Verfahren, die auf ihre Strömungseigenschaften abgestimmt sind.

Nahrungsmittelindustrie: Lebensmittelflüssigkeiten wie Ketchup, Joghurt und Teig zeigen oft nicht-newtonsche Verhaltensweisen. Die Prozesse der Verarbeitung, Pumpen und Verpackung müssen entsprechend angepasst werden.

Verfahrenstechnische Aspekte

Das Design von Anlagen und Geräten zur Verarbeitung nicht-newtonscher Flüssigkeiten muss mehrere spezielle Aspekte berücksichtigen:

Pumpen und Ventile: Die Auswahl und Dimensionierung von Pumpen ist entscheidend, da nicht-newtonsche Flüssigkeiten oft spezielle Anforderungen an den Druckabfall und die Förderfähigkeit haben.

Rohre und Kanäle: Die Strömung von nicht-newtonschen Flüssigkeiten in Rohren kann komplexe Muster aufweisen, die eine detaillierte Analyse und entsprechendes Design erfordern.

Wärmetauscher: Die Viskosität nicht-newtonscher Flüssigkeiten kann temperaturabhängig sein, was die Effizienz und das Design von Wärmetauschern beeinflusst.

Computergestützte Modellierung

Die Modellierung und Simulation der Strömung nicht-newtonscher Flüssigkeiten ist ein wichtiger Bereich der Computational Fluid Dynamics (CFD). Moderne CFD-Software kann komplexe nicht-lineare Modelle verwenden, um das Verhalten solcher Flüssigkeiten in verschiedenen Anwendungen vorherzusagen und zu optimieren.

Fazit

Nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind in vielen Industriezweigen von großer Bedeutung. Ein tiefes Verständnis ihrer Strömungseigenschaften und der erforderlichen technischen Anpassungen kann die Effizienz und Qualität zahlreicher Prozesse erheblich verbessern.