Inzicht in shear rate
Schuifsnelheid geeft aan hoe snel vloeistoflagen langs elkaar bewegen. Stel je voor dat water door een buis stroomt: de vloeistoflagen dicht bij de wand bewegen langzamer dan de lagen in het midden. Dit verschil in snelheid tussen lagen zorgt voor schuifspanning.
Wanneer naburige lagen vloeistof zich met verschillende snelheden voortbewegen, ontstaat er wrijving tussen die lagen dit noemen we shear (schuif). De schuifsnelheid is een maat voor hoe snel deze lagen ten opzichte van elkaar bewegen, en wordt berekend als:
Shear rate = Snelheid / Afstand tussen de lagen
Een hoge schuifsnelheid betekent dat de vloeistof sterk wordt uitgerekt of samengedrukt.
Voor ingenieurs is inzicht in schuifsnelheid van groot belang bijvoorbeeld bij het zorgen voor een vloeiende stroming, het efficiënt verwerken van chemische stoffen en het selecteren van geschikte machines. Door problemen zoals turbulentie of verstopping vroegtijdig aan te pakken, kan de prestatie worden geoptimaliseerd en stilstand worden voorkomen.
shear rate en pompselectie
Sommige vloeistoffen zijn gevoelig voor shear. Ze worden dunner of juist dikker bij hoge schuifsnelheid, of raken zelfs onherstelbaar beschadigd. Het is daarom essentieel om de eigenschappen van de vloeistof te begrijpen – via overleg met de fabrikant of rheologische metingen.
Vanaf het moment dat een vloeistof vanuit een tank in de aanzuigleiding stroomt, ontstaat schuif. Ook binnenin de pomp ontstaat schuif tussen de draaiende en stilstaande delen. De schuifsnelheid hangt af van onder andere debiet, buisdiameter, toerental van de pomp en interne afmetingen.
Door deze berekeningen te combineren met rheologische data van de vloeistof, kunnen ingenieurs de juiste pomp kiezen, afgestemd op het gedrag van de vloeistof, met behoud van prestaties en zonder schade aan gevoelige producten.
shear rate van verschillende vloeistoffen
Newtonse vloeistoffen
Newtonse vloeistoffen, zoals water en lucht, behouden een constante viscositeit, ongeacht de schuifsnelheid.
Couette-stroming:
Shear rate = (2 × Snelheid) / Afstand
Capillaire stroming:
Shear rate = (Druk × Straal) / (4 × Viscositeit)
Parallelle platen:
Shear rate = (6 × Snelheid) / Afstand
Niet-Newtonse vloeistoffen
Niet-Newtonse vloeistoffen, zoals ketchup of tandpasta, veranderen van viscositeit afhankelijk van de schuifsnelheid.
Power-law vloeistof:
Shear rate = (n × Spanning) / (K × (n + 1))
Bingham plastic:
Shear rate = (Spanning - Vloeiweerstand) / Viscositeit
Herschel–Bulkley vloeistof:
Shear rate = [(Spanning - Vloeiweerstand) / (K × (n + 1))] ^ (1/n)
Technieken en toepassingen
Rotatieviscometrie
Techniek waarbij een draaiende spindel of kegel gebruikt wordt om viscositeit onder verschillende shear rates te meten.
Kegel-plaat:
Shear rate = (Straal × Hoeksnelheid) / Afstand
Parallelle schijven:
Shear rate = (Hoeksnelheid × Straal) / Afstand
Searle-methode:
Shear rate = (6 × Hoeksnelheid) / (π × Afstand)
Schuifsnelheid in buisstroming
Bij stroming door leidingen beïnvloedt de shear rate zaken als drukverlies, debiet en energieverbruik.
Hagen–Poiseuille:
Shear rate = (8 × Snelheid) / Diameter
Darcy–Weisbach:
Shear rate = (Snelheid × Re) / (Diameter × Dichtheid)
Shear rate bij extrusie en polymeren
Extrusieprocessen
Stempel-extrusie:
Shear rate = (π × Straal × Snelheid) / (π × Straal²)
Schroefextrusie:
Shear rate = (π × Straal × Snelheid) / (π × Straal² + Kanaalbreedte²)
Melt spinning
Rotatiesnelheid:
Shear rate = (π × Diameter × Rotatiesnelheid) / (π × Diameter²)
Lineaire snelheid:
Shear rate = Lineaire snelheid / Diameter
Rheometers
Rheometers meten de stromings- en vervormingseigenschappen van vloeistoffen en zachte vaste stoffen.
Kegel-plaat rheometer:
Shear rate = (2 × Hoeksnelheid × Straal) / Afstand
Couette-rheometer:
Shear rate = (Snelheid buitenste cilinder - Snelheid binnenste cilinder) / (Straal verschil)
Polymeerbewerking
In processen zoals spuitgieten, blaasvormen en compressievormen speelt schuifsnelheid een belangrijke rol.
Spuitgieten:
Shear rate = Debiet / (Kanaalbreedte × Kanaalhoogte)
Blaasvormen:
Shear rate = Debiet / (2π × Parisonradius × Dikte)
Compressievormen:
Shear rate = Plunjersnelheid / Oppervlak smeltstroompad
Wat is een goede of slechte Shear rate?
Of een bepaalde shear rate "goed" of "slecht" is, hangt volledig af van de toepassing en het gedrag van de betreffende vloeistof. Er is geen universeel juiste waarde.
Stel jezelf de vraag:
-
Moet de vloeistof dunner of dikker worden?
-
Is maximale menging of minimale verstoring gewenst?
-
Bescherm je een gevoelige vloeistof, of wil je juist intensief verwerken?
Het draait allemaal om balans: de juiste shear rate kiezen voor betrouwbare, efficiënte en doelgerichte prestaties.
