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Viscosità e gravità di un liquido

Cos’è la viscosità di un liquido? Come influisce la gravità specifica di un liquido sullo spruzzo?

I liquidi sono caratterizzati per la loro proprietà di subire continue deformazioni quando sottoposti a resistenza di taglio.

La proprietà dei fluidi (liquidi o gas) di resistere allo scorrere a causa dell’attrito presente al loro interno è chiamata viscosità.
Quindi, se immaginiamo diversi strati di fluidi che scorrono uno sull’altro con attrito, possiamo immaginare che la viscosità sia definita come la forza che è necessaria per muovere un’unità di superficie di un fluido per un’unità di distanza.

Misurare la viscosità

La viscosità viene misurata con molti sistemi diversi tra i quali quelli più comunemente usati sono:

 
METODO
UNITÀ
DIMENSIONE
COMMENTI
Viscosità dinamica
(Viscosità assoluta)
PoiseML . T-1Poise = 100 centipoise = (1 dyne per sec/cm2)
Viscosità cineticaStokeL2 . T-11 Stoke = 100 Centistoke = (cm2/sec)
Viscosità cinetica = Viscosità dinamica/densità
SSU/SSFUno degli strumenti più ampiamente usati per determinare la viscosità è il viscosimetro di Saybolt,
che misura il tempo nei secondi che sono necessari per un volume fisso di un dato liquido per scorrere attraverso un orifizio.
SSU = Secondi Saybolt Universali si riferisce all’orifizio più piccolo per i liquidi meno viscosi.
SSF = Secondi Saybolt Furol
si riferisce all’orifizio più grande per i liquidi più viscosi.
 

La seguente tabella illustra le corrispondenze tra le unità di viscosità più usate.Il valore di viscosità di un liquido dipende dalla temperatura e pertanto deve sempre essere dato con riferimento al valore della temperatura.
La viscosità dell’acqua (20°C) è di 1 Centipoise e 1 Centistoke, data la densità della massa dell’acqua = 1.

 

 
VISCOSITÀ CINETICA
SAYBOLT UNIVERSALE
SAYBOLT FUROL
ENGLER
CentistokeSq feet/secSSUSSFDegrees
1,000,0000107631,01,00
5,000,0000538242,41,37
10,000,000107658,81,83
15,660,0001686802,45
20,520,00022091003,02
25,150,00027071203,57
42,950,00046232005,92
108,00,00116350052,314,60
151,00,00162570072,020,44
194,20,00209090092,126,28
302,30,003254140014340,90
388,50,004182180018352,60
539,40,005806250025473,00
1078,80,011615000509146
1510,30,016267000712204
1941,90,020929000916263
3236,50,03483150001526438

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Influenza della viscosità sulla portata di un ugello

Aumento del flusso contro il Diametro della Camera di Vorticazione

Asse x= Diametro della camera di vorticazione (mm)
Asse y= Aumento del flusso (mm)

Tutti i dati sugli ugelli di PNR Italia si riferiscono alla spruzzatura dell’acqua (viscosità cinematica dell’acqua uguale a 1 Centistoke). Un liquido con viscosità superiore a quella dell’acqua richiede più energia per essere pompato e spruzzato e scorre ad una velocità inferiore alla stessa pressione, causando una riduzione della turbolenza del flusso.

Per tale ragione, gli ugelli che funzionano in base al principio della turbolenza, come i normali ugelli a cono pieno ed a cono cavo con vorticatore, mostrano un aumento della portata quando si spruzzano liquidi di viscosità superiore a quella dell’acqua.

Tale aumento è molto rilevante negli ugelli di piccole dimensioni in cui il raggio ridotto della camera di vorticazione tende a provocare una forte turbolenza nel flusso e tende a diminuire, se non a scomparire, per valvole di portata nominale (valori di portata a 3 bar) superiore ai 1,5 litri al minuto.

Il grafico mostra, per un liquido con una viscosità di ca. 4 Centistokes, le variazioni tipiche nel valore di flusso dell’ugello, per valori diversi del diametro della camera di vorticazione interna.

Come si può notare, queste variazioni possono essere trascurate nella maggior parte delle applicazioni per le quali si utilizzano ugelli con una camera interna di vorticazione di diametro superiore ai 3 mm.

Per altri tipi di ugelli, che invece non funzionano in base al principio della turbolenza, un aumento della viscosità semplicemente riduce la velocità di uscita del liquido dall’orifizio causando una diminuzione della portata.

L’esperienza ci ha dimostrato che tale diminuzione è compresa tra il 3 e 6% della portata nominale dell’acqua, il che significa che la variazione introdotta è nello stesso ordine di magnitudo della tolleranza della capacità dell’ugello.

Influenza della viscosità sull’angolo e sulla geometra di spruzzo di un ugello

Con riferimento alla teoria della rottura del getto ed alle informazioni sulle goccioline disponibili, si può facilmente immaginare che spruzzare un liquido più viscoso dell’acqua è un compito difficile.

Tutte le caratteristiche dello spruzzo tendono a peggiorare e pertanto ci si può aspettare: 

PRESSIONE

Un valore maggiore per la pressione minima di operatività, vale a dire il valore della pressione che permette di ottenere uno spruzzo ben definito con l’angolatura voluta.

DISTRIBUZIONE DELLO SPRUZZO

Una peggiore distribuzione dello spruzzo, poiché il comportamento viscoso del liquido rende più difficile la formazione di goccioline finissime e la loro distribuzione uniforme con la geometria di spruzzo voluta.

ANGOLO DI SPRUZZO

Un angolo di spruzzo più stretto. È difficile dare delle linee guida di riferimento poiché i risultati ottenuti da prove effettuate con vari ugelli a diverse pressioni e con liquidi diversi sono scarsamente prevedibili. Tuttavia, la nostra esperienza ci ha mostrato che in molti casi l’utilizzo di ugelli ad impatto può dare dei risultati accettabili ove tutti gli altri tipi di ugelli falliscono.

Gravità specifica

Riferendosi alla Legge di Bernoulli si potrebbe dire che l’energia della pressione di un flusso liquido all’ingresso di un ugello viene totalmente trasformata (a parte alcune perdite dovute all’attrito all’interno dell’ugello) in velocità liquida quando esce dall’orifizio dell’ugello.

Se la gravità o la densità specifica di un liquido è diversa da quella dell’acqua, l’energia della pressione disponibile produce una velocità del liquido diversa agli orifizi di entrata e di uscita dell’ugello.

In altre parole, una data quantità di energia spruzza sempre la stessa quantità di massa liquida ma in volumi diversi (portate) a seconda della gravità o densità specifica del liquido spruzzato.

Pertanto, un liquido più pesante dell’acqua esce dall’ugello con una velocità ed una portata inferiori mentre, al contrario, un liquido più leggero dell’acqua viene spruzzato velocità e portata maggiori.

dove
QL portata del liquido
QW portata dell’acqua
F fattore di correzione

La tabella dà il valore di un fattore di correzione per ottenere la portata di un liquido con diverso peso specifico come l’acqua

 
kg/litro                               
Libre/gallone                               
F                               
0,65,01,29
0,75,81,20
0,86,71,12
0,97,51,05
1,0
8,3
1,00
1,19,20,95
1,210,00,91
1,310,90,88
1,411,70,85
1,512,50,82
1,613,40,79
1,714,20,77
1,815,00,75
1,915,90,73
2,016,70,71