Как определить падение давления на фитингах?

На недавнем вебинаре по гидроэнергетике, когда я представлял тему «Выбор и определение правильного фитинга», один из участников задал мне вопрос, на который у меня не было хорошего ответа. Ближе к последней части вебинара я обсуждал падение давления в фитингах. Если вы обеспечите безопасный и беспрепятственный путь для потока гидравлической жидкости, вы сэкономите критическую энергию для полезной работы, а не просто для толкания молекул. Чрезмерное использование тройников, отводов и переходников создает перепад давления, поэтому по возможности следует избегать таких фитингов.

Я объяснил факторы падения давления через фитинг; диаметр, скорость потока, радиус изгиба, чистота поверхности и число Рейнольдса. Конечно, большинству из вас известно, что существует прямая зависимость между диаметром трубопровода, скоростью потока и перепадом давления. Чем выше скорость потока или меньше размер фитинга, тем выше перепад давления. Следует отметить, что падение давления увеличивается экспоненциально по мере уменьшения диаметра... вот насколько размер фитинга влияет на потери энергии.

Если не принимать во внимание, радиус изгиба - это то, насколько сильно жидкость вынуждена менять направление в трубе, шланге или фитинге. На изображении сравниваются два колена под углом 90 градусов. Внутренние части одного фитинга плавно переходят по радиусу с небольшим драматизмом, обеспечивая поток ближе к ламинарному, что предотвращает чрезмерное противодавление. Другой кованый и обработанный коленчатый фитинг более сильно изменяет путь жидкости, что создает противодавление, поскольку масло теряет энергию, изменяя направление.

Представьте себе, если хотите, экстремальную водную горку в вашем местном парке развлечений… знаете, ту, с люком и пятидесятифутовым отвесом? Скользящая дверца открывается и опускает вас прямо вниз на десять футов, прежде чем ваша задняя часть соприкоснется с салазками, чтобы начать менять ваше направление с вертикального на горизонтальное, и с удивительной легкостью и скоростью ваш отвес управляется безопасно. Теперь представьте, что люк открывается, и вы падаете с двадцати футов и приземляетесь с глухим стуком. Перед вами темный туннель. Однако вы потеряли весь импульс движения вперед, и только после того, как другие тела будут сброшены, чтобы заставить вас спускаться по туннелю, ваша энергия будет потеряна.

Мой пример крайний, но тем не менее важный. Чтобы повернуть угол на 90°, требуется энергия, и концепция не теряется в плавной силе. Комбинация радиуса изгиба и гладкости стенок канала вносит свой вклад в число Рейнольдса, которое представляет собой просто безразмерное описание, зависящее от других факторов, таких как вязкость. Число Рейнольдса определяется с помощью следующего, который я не ожидаю от вас, чтобы вычислить или запомнить, но взгляните на факторы:

где
DH – гидравлический диаметр трубы (внутренний диаметр, если труба круглая) (м),
Q – объемный расход (м3/с),
A — площадь поперечного сечения трубы (м2),
u – средняя скорость жидкости (м/с),
μ (мю) — динамическая вязкость жидкости
ν (nu) — кинематическая вязкость
ρ — плотность жидкости (кг/м3)

Я показываю вам уравнение только для того, чтобы указать на его сложность для повседневного использования при понимании падения давления через фитинги, которые вы выбираете для своей гидравлической системы. Должен быть лучший способ, и именно здесь на сцену выходит участник, о котором я говорил ранее. Они спросили меня, публикуют ли производители падение давления для продаваемых ими фитингов, и я не смог ответить на этот вопрос. Я, конечно, никогда не видел, чтобы такие цифры падения давления публиковались ни в одном каталоге, но я сказал, что изучу это.

After extensive research, I came up with … nothing. Well, almost nothing if it weren’t for Gates. Gates has a calculator on their website (found here) that allows you to spell out parameters including flow rate, hose diameter and length, fluid properties and then the number of fittings and adapters. It lets you choose between elbows, adaptors and tees, or even straight couplings. In two tests, I chose ½ in. hose, 12 gpm and standard hydraulic fluid properties. One test had no fittings and the other about a dozen tees and elbows. The second test results in an added 200 psi of pressure drop through my system.

So while not the fitting-by-fitting list of pressure drops which would make it easy and obvious which to choose, it’s a great tool to benchmark your current system and see where you could stand to improve efficiency. Even by playing around with the calculator, you can gauge how dramatic fittings, elbows and tees reduce energy by way of backpressure. There are fluid dynamics modeling software packages available, especially for existing CAD programs, but these are expensive to buy and license. If you want a simple and repeatable way to estimate pressure drop through fittings, the Gates Fluid Flow Pressure Calculator is fantastic.