Como determinar a queda de pressão nas conexões?

Em um webinar recente sobre fluid power, durante uma apresentação sobre Seleção e dimensionamento do encaixe adequado, um participante me fez uma pergunta para a qual não tinha uma boa resposta. Perto da última parte do webinar, eu estava discutindo a queda de pressão através de conexões. Garantir que você forneça um caminho saudável e desimpedido para o fluido hidráulico fluir economiza energia crítica para um trabalho útil, em vez de apenas empurrar moléculas. O uso excessivo de tês, cotovelos e adaptadores gera queda de pressão, portanto, tais conexões devem ser evitadas, se possível.

Expliquei os fatores para queda de pressão através de uma conexão; diâmetro, vazão, raio de curvatura, acabamento superficial e Número de Reynolds. Claro, a maioria de vocês sabe que existe uma relação direta entre o diâmetro do conduíte, a vazão e a queda de pressão. Quanto maior a vazão ou menor a conexão, maior a queda de pressão. Deve-se notar que a queda de pressão aumenta exponencialmente à medida que o diâmetro diminui... é assim que o tamanho da conexão afeta a perda de energia.

Menos considerado, o raio de curvatura é a força com que o fluido é forçado a mudar de direção em um tubo, mangueira ou conexão. Na imagem, dois cotovelos de 90 graus são comparados. Os internos de uma conexão fazem a transição suave de seu raio com pouco drama, garantindo que o fluxo esteja mais próximo do laminar, o que evita contrapressão excessiva. O outro cotovelo forjado e usinado altera mais severamente o caminho do fluido, o que cria contrapressão à medida que o óleo perde energia ao mudar de direção.

Imagine, se quiser, o toboágua extremo em seu parque de diversões local … você sabe, aquele com o alçapão e prumo de quinze metros? A porta deslizante se abre e o deixa cair por três metros antes que seu traseiro entre em contato com o escorregador para começar a mudar sua direção de vertical para horizontal e, com facilidade e velocidade surpreendentes, seu prumo é controlado com segurança. Agora imagine que o alçapão se abre e você cai 6 metros e cai com um baque. À sua frente está um túnel escuro. No entanto, você perdeu todo o impulso para a frente e, até que mais corpos sejam lançados para forçá-lo a descer o túnel, sua energia será perdida.

Meu exemplo é extremo, mas importante mesmo assim. É preciso energia para virar uma curva de 90°, e o conceito não se perde na força fluida. A combinação do raio de curvatura e a suavidade das paredes do conduíte contribuem para o Número de Reynolds, que é apenas uma descrição adimensional dependente de outras coisas como a viscosidade. O número de Reynolds é definido usando o seguinte, que não espero que você calcule ou memorize, mas dê uma olhada nos fatores:



onde
DH é o diâmetro hidráulico do tubo (o diâmetro interno se o tubo for circular) (m),
Q é a vazão volumétrica (m3/s),
A é a área da seção transversal do tubo (m2),
u é a velocidade média do fluido (m/s),
μ (mu) é a viscosidade dinâmica do fluido
ν (nu) é a viscosidade cinemática
ρ é a densidade do fluido (kg/m3)

Estou apenas mostrando a equação para apontar sua complicação para o uso diário na compreensão da queda de pressão nas conexões que você escolher para o seu sistema hidráulico. Deve haver uma maneira melhor, e é onde o participante de quem falei anteriormente entra em cena. Eles me perguntaram se os fabricantes publicam a queda de pressão para as conexões que vendem - e eu não consegui responder a essa pergunta. Eu certamente nunca tinha visto tais números de queda de pressão publicados em nenhum catálogo, mas disse que iria pesquisar.

Depois de uma extensa pesquisa, descobri … nada. Bem, quase nada se não fosse por Gates. Gates tem uma calculadora em seu site (encontrada aqui) que permite especificar parâmetros, incluindo taxa de fluxo, diâmetro e comprimento da mangueira, propriedades do fluido e, em seguida, o número de conexões e adaptadores. Ele permite que você escolha entre cotovelos, adaptadores e tês, ou mesmo acoplamentos retos. Em dois testes, escolhi mangueira de ½ pol., 12 gpm e propriedades de fluido hidráulico padrão. Um teste não tinha acessórios e o outro cerca de uma dúzia de tees e cotovelos. O segundo teste resulta em uma queda de pressão adicional de 200 psi em meu sistema.

Portanto, embora não seja a lista de quedas de pressão encaixe por encaixe, o que tornaria fácil e óbvio qual escolher, é uma ótima ferramenta para comparar seu sistema atual e ver onde você pode melhorar a eficiência. Mesmo brincando com a calculadora, você pode avaliar como os encaixes dramáticos, cotovelos e tês reduzem a energia por meio da contrapressão. Existem pacotes de software de modelagem de dinâmica de fluidos disponíveis, especialmente para programas CAD existentes, mas são caros para comprar e licenciar. Se você deseja uma maneira simples e repetível de estimar a queda de pressão através das conexões, a calculadora de pressão de fluxo de fluido Gates é fantástica.