Shear¶
Samenvatting¶
Shear (afschuifkracht of afschuifspanning) is de kracht die ontstaat wanneer twee lagen van een vloeistof met verschillende snelheden langs elkaar bewegen. Deze afschuifkrachten spelen een belangrijke rol in vrijwel alle mengprocessen en bepalen in grote mate hoe een product zich gedraagt tijdens het mengen.
Shear is essentieel voor processen zoals dispergeren, emulgeren en gasdispersie, omdat de afschuifkrachten deeltjes, vloeistofdruppels en gasbellen kunnen verkleinen. Tegelijkertijd kan een te hoge shear ongewenste effecten veroorzaken, zoals beschadiging van gevoelige producten of micro-organismen.
Binnen Jongia wordt tijdens de engineering zorgvuldig bepaald hoeveel shear nodig is om het gewenste procesresultaat te bereiken zonder de kwaliteit van het product negatief te beïnvloeden.
Theorie¶
Wat is shear?¶
Shear ontstaat wanneer aangrenzende vloeistoflagen met een verschillende snelheid bewegen.
Daardoor oefenen de lagen een kracht op elkaar uit.
Deze kracht noemen we de afschuifkracht of shear.
Hoe groter het snelheidsverschil tussen de lagen, hoe groter de shear.
Hoe ontstaat shear?¶
Tijdens het draaien van een impeller beweegt de vloeistof dicht bij de bladen veel sneller dan de vloeistof verder weg.
Hierdoor ontstaan grote snelheidsverschillen.
Deze veroorzaken afschuifkrachten die het product beïnvloeden.
De hoogste shear treedt meestal op:
- direct rondom de impeller;
- tussen de impellerbladen;
- in kleine openingen waar de vloeistof versnelt.
Waarom is shear belangrijk?¶
Shear bepaalt in belangrijke mate hoe een product wordt verwerkt.
Een voldoende hoge shear kan zorgen voor:
- het opbreken van druppels;
- het verkleinen van gasbellen;
- het uiteenvallen van klonten;
- een fijnere dispersie;
- een stabielere emulsie.
Daarom is shear vaak een belangrijke ontwerpparameter.
Lage shear¶
Bij lage shear blijven producten relatief rustig.
Dit is gewenst voor:
- gevoelige biologische cellen;
- eiwitoplossingen;
- yoghurt;
- fermentatieprocessen;
- producten die gemakkelijk beschadigen.
Impellers zoals Hydrofoils zijn ontworpen om veel stroming te creëren met relatief lage shear.
Hoge shear¶
Bij hoge shear worden de afschuifkrachten aanzienlijk groter.
Dit is gewenst voor processen zoals:
- emulgeren;
- dispergeren;
- oplossen van klonten;
- gasdispersie;
- homogeniseren van moeilijke producten.
Speciale high-shear mengers kunnen extreem hoge afschuifkrachten opwekken.
Shear en impellertype¶
Niet iedere impeller produceert dezelfde hoeveelheid shear.
Algemeen geldt:
| Impeller | Shear |
|---|---|
| Hydrofoil | Laag |
| Propeller | Laag tot gemiddeld |
| Pitched Blade | Gemiddeld |
| Rushton Turbine | Hoog |
| Rotor-stator | Zeer hoog |
De keuze hangt volledig af van het gewenste proces.
Shear en viscositeit¶
Bij hoogviskeuze producten wordt vaak gedacht dat automatisch hoge shear ontstaat.
Dat is niet altijd het geval.
Een hoge viscositeit kan juist de stroming beperken, waardoor de shear zich concentreert in kleine gebieden rondom de impeller.
Daarom worden voor hoogviskeuze producten vaak speciale impellers gebruikt.
Shear en toerental¶
Het toerental heeft een grote invloed op de shear.
Een hoger toerental leidt meestal tot:
- grotere snelheidsverschillen;
- hogere shear;
- meer energieverbruik.
Een hoger toerental is echter niet altijd de beste oplossing. De impellervorm is minstens zo belangrijk.
Shear en productkwaliteit¶
Hoewel shear noodzakelijk kan zijn, kan een te hoge shear ook nadelen hebben.
Mogelijke gevolgen zijn:
- beschadiging van micro-organismen;
- afbraak van polymeren;
- schuimvorming;
- ongewenste opwarming;
- verandering van productstructuur.
Bij gevoelige producten wordt daarom vaak gekozen voor een impeller met lage shear.
Shear versus turbulentie¶
Shear en turbulentie worden vaak met elkaar verward.
| Shear | Turbulentie |
|---|---|
| Snelheidsverschil tussen vloeistoflagen | Onregelmatige beweging van de vloeistof |
| Vooral lokaal rondom de impeller | Door de hele tank mogelijk |
| Belangrijk voor opbreken van deeltjes | Belangrijk voor mengen en circulatie |
| Kan ook optreden zonder sterke turbulentie | Gaat vaak samen met shear |
Hoewel beide verschijnselen vaak gelijktijdig voorkomen, zijn het verschillende begrippen.
Praktijk bij Jongia¶
Binnen Jongia wordt de benodigde shear bepaald aan de hand van het gewenste procesresultaat. Voor processen zoals emulgeren, dispergeren en gasdispersie wordt gekozen voor impellers die voldoende afschuifkrachten opwekken om druppels, deeltjes of gasbellen effectief te verkleinen.
Bij fermentatie of processen met gevoelige producten wordt juist gezocht naar een impeller die een goede circulatie biedt met zo min mogelijk shear. Engineers stemmen daarom de impellerkeuze, het toerental, de impellerdiameter en de tankgeometrie zorgvuldig op elkaar af.
Bij complexe toepassingen worden CFD-simulaties gebruikt om gebieden met hoge shear zichtbaar te maken en het ontwerp verder te optimaliseren.
Veelgemaakte fouten¶
- Denken dat meer shear altijd beter is. Veel processen vragen juist om een beperkte afschuifbelasting om productschade te voorkomen.
- Shear verwarren met turbulentie. Hoewel beide samen kunnen optreden, beschrijven ze verschillende verschijnselen.
- Alleen het toerental verhogen. Ook de vorm van de impeller en de tankgeometrie bepalen hoeveel shear ontstaat.
- De invloed op gevoelige producten onderschatten. Hoge shear kan cellen, polymeren en andere kwetsbare componenten beschadigen.
- Vergeten dat shear vooral lokaal optreedt. De hoogste afschuifkrachten ontstaan meestal direct rondom de impeller en niet in de gehele tank.