Wie bestimmen Sie den Druckabfall durch Armaturen?

In einem kürzlich abgehaltenen Fluidtechnik-Webinar wurde mir bei einer Präsentation über die Auswahl und Dimensionierung der richtigen Armatur von einem Teilnehmer eine Frage gestellt, auf die ich keine gute Antwort hatte. In der Nähe des letzten Teils des Webinars hatte ich den Druckabfall durch Armaturen diskutiert. Indem Sie sicherstellen, dass Sie einen gesunden, ungehinderten Weg für den Fluss der Hydraulikflüssigkeit bereitstellen, sparen Sie wichtige Energie für nützliche Arbeit, anstatt nur Moleküle zu schieben. Die übermäßige Verwendung von T-Stücken, Bögen und Adaptern führt zu einem Druckabfall, daher sollten solche Fittings nach Möglichkeit vermieden werden.

Ich hatte die Faktoren für den Druckabfall durch eine Armatur erklärt; Durchmesser, Durchflussrate, Biegeradius, Oberflächenbeschaffenheit und Reynolds-Zahl. Natürlich wissen die meisten von Ihnen, dass es eine direkte Beziehung zwischen Leitungsdurchmesser, Durchflussrate und Druckabfall gibt. Je höher der Durchfluss oder kleiner die Armatur, desto höher der Druckabfall. Es sollte beachtet werden, dass der Druckabfall exponentiell zunimmt, wenn der Durchmesser abnimmt … so stark wirkt sich die Anschlussgröße auf den Energieverlust aus.

Weniger beachtet ist der Biegeradius, wie stark die Flüssigkeit gezwungen wird, die Richtung in einem Rohr, Schlauch oder Fitting zu ändern. Im Bild werden zwei 90-Grad-Bögen verglichen. Die Innenteile einer Armatur wechseln ihren Radius sanft und mit wenig Dramatik, wodurch sichergestellt wird, dass die Strömung näher an der laminaren Strömung liegt, was einen übermäßigen Gegendruck verhindert. Die andere geschmiedete und maschinell bearbeitete Winkelverschraubung verändert den Flüssigkeitsweg stärker, was einen Gegendruck erzeugt, wenn das Öl Energie verliert, wenn es die Richtung ändert.

Stellen Sie sich, wenn Sie so wollen, die extreme Wasserrutsche in Ihrem örtlichen Vergnügungspark vor … Sie wissen schon, die mit der Falltür und dem 15-Fuß-Sturz? Die Rutschtür öffnet sich und lässt Sie zehn Fuß gerade nach unten fallen, bevor Ihr Hinterteil die Rutsche berührt, um Ihre Richtung von vertikal zu horizontal zu ändern, und mit überraschender Leichtigkeit und Geschwindigkeit wird Ihr Sturz sicher gehandhabt. Stellen Sie sich nun vor, die Falltür öffnet sich, und Sie fallen sechs Meter und landen mit einem dumpfen Schlag. Vor dir ist ein dunkler Tunnel. Du hast jedoch jeglichen Vorwärtsdrang verloren und erst, wenn weitere Körper abgeworfen werden, um dich in den Tunnel zu zwingen, ist deine Energie verloren.

Mein Beispiel ist extrem, aber dennoch wichtig. Es braucht Energie, um eine 90°-Kurve zu drehen, und das Konzept geht nicht in Fluidkraft verloren. Die Kombination aus Biegeradius und Glätte der Leitungswände trägt zur Reynolds-Zahl bei, die nur eine dimensionslose Beschreibung ist, die von anderen Dingen wie der Viskosität abhängt. Die Reynolds-Zahl wird wie folgt definiert, wobei ich nicht erwarte, dass Sie sie berechnen oder auswendig lernen, aber sehen Sie sich die Faktoren an:

wo
DH ist der hydraulische Durchmesser des Rohrs (der Innendurchmesser, wenn das Rohr kreisförmig ist) (m),
Q ist der Volumenstrom (m3/s),
A ist die Querschnittsfläche des Rohrs (m2),
u ist die mittlere Geschwindigkeit des Fluids (m/s),
μ (mu) ist die dynamische Viskosität der Flüssigkeit
ν (nu) ist die kinematische Viskosität
ρ ist die Dichte der Flüssigkeit (kg/m3)

Ich zeige Ihnen die Gleichung nur, um auf ihre Komplikation für den täglichen Gebrauch hinzuweisen, wenn es darum geht, den Druckabfall durch die Armaturen zu verstehen, die Sie für Ihr Hydrauliksystem auswählen. Es muss einen besseren Weg geben, und hier kommt der Teilnehmer ins Spiel, über den ich zuvor gesprochen habe. Sie hatten mich gefragt, ob die Hersteller den Druckabfall für die von ihnen verkauften Armaturen veröffentlichen – und ich konnte diese Frage nicht beantworten. Ich hatte sicherlich noch nie solche Druckabfallzahlen in einem Katalog veröffentlicht gesehen, aber ich sagte, ich würde es recherchieren.

Nach ausgiebiger Recherche kam ich auf … nichts. Nun, fast nichts, wenn Gates nicht wäre. Gates hat auf seiner Website (hier zu finden) einen Rechner, mit dem Sie Parameter wie Durchflussrate, Schlauchdurchmesser und -länge, Flüssigkeitseigenschaften und dann die Anzahl der Fittings und Adapter buchstabieren können. Sie können zwischen Bögen, Adaptern und T-Stücken oder sogar geraden Kupplungen wählen. In zwei Tests wählte ich einen ½-Zoll-Schlauch, 12 gpm und Standard-Hydraulikflüssigkeitseigenschaften. Ein Test hatte keine Fittings und der andere etwa ein Dutzend T-Stücke und Ellbogen. Der zweite Test führt zu einem zusätzlichen Druckabfall von 200 psi in meinem System.

Obwohl dies nicht die Liste der Druckabfälle von Fitting zu Fitting ist, die die Auswahl einfach und offensichtlich machen würde, ist es ein großartiges Werkzeug, um Ihr aktuelles System zu bewerten und zu sehen, wo Sie stehen können, um die Effizienz zu verbessern. Selbst wenn Sie mit dem Taschenrechner herumspielen, können Sie abschätzen, wie dramatisch Fittings, Bögen und T-Stücke Energie durch Gegendruck reduzieren. Es sind Softwarepakete zur Modellierung der Strömungsdynamik verfügbar, insbesondere für vorhandene CAD-Programme, aber diese sind teuer in der Anschaffung und Lizenzierung. Wenn Sie nach einer einfachen und wiederholbaren Methode suchen, um den Druckabfall durch Fittings abzuschätzen, ist der Fluid Flow Pressure Calculator von Gates fantastisch.