¿Cómo se determina la caída de presión a través de los accesorios?

En un seminario web reciente sobre potencia de fluidos, mientras presentaba Selección y dimensionamiento del ajuste adecuado, un asistente me hizo una pregunta para la que no tenía una buena respuesta. Cerca de la última parte del seminario web, había estado discutiendo la caída de presión a través de los accesorios. Asegurarse de proporcionar un camino saludable y sin obstáculos para que fluya el fluido hidráulico ahorra energía crítica para un trabajo útil, en lugar de simplemente empujar moléculas. El uso excesivo de tes, codos y adaptadores crea una caída de presión, por lo que se deben evitar tales accesorios, si es posible.

Había explicado los factores de caída de presión a través de un accesorio; diámetro, caudal, radio de curvatura, acabado superficial y número de Reynolds. Por supuesto, la mayoría de ustedes saben que existe una relación directa entre el diámetro del conducto, el caudal y la caída de presión. Cuanto mayor sea el caudal o menor sea el racor, mayor será la caída de presión. Cabe señalar que la caída de presión aumenta exponencialmente a medida que disminuye el diámetro... así es como el tamaño del accesorio afecta la pérdida de energía.

Menos considerado, el radio de curvatura es la fuerza con la que el fluido se ve obligado a cambiar de dirección en un tubo, manguera o accesorio. En la imagen se comparan dos codos de 90 grados. Las partes internas de un accesorio hacen una transición suave de su radio con poco dramatismo, asegurando que el flujo sea más cercano al laminar, lo que evita una contrapresión excesiva. El otro accesorio de codo forjado y maquinado altera más severamente la ruta del fluido, lo que crea una contrapresión a medida que el aceite pierde energía al cambiar de dirección.

Imagínese, por así decirlo, el tobogán de agua extremo en su parque de diversiones local... ya sabe, ¿el que tiene la trampilla y una caída en picado de quince metros? La puerta corrediza se abre y lo deja caer tres metros antes de que su parte posterior entre en contacto con la corredera para comenzar a cambiar su dirección de vertical a horizontal, y con sorprendente facilidad y velocidad, su caída en picado se maneja de manera segura. Ahora imagina que se abre la trampilla, caes veinte pies y aterrizas con un ruido sordo. Frente a ti hay un túnel oscuro. Sin embargo, ha perdido todo el impulso hacia adelante, y no perderá su energía hasta que no caigan más cuerpos para forzarlo por el túnel.

Mi ejemplo es extremo, pero importante no obstante. Se necesita energía para girar una esquina de 90°, y el concepto no se pierde en la potencia fluida. La combinación del radio de curvatura y la suavidad de las paredes del conducto contribuyen al número de Reynolds, que es solo una descripción adimensional que depende de otras cosas como la viscosidad. El número de Reynolds se define usando lo siguiente, que no espero que calcules o memorices, pero echa un vistazo a los factores:

dónde
DH es el diámetro hidráulico de la tubería (el diámetro interior si la tubería es circular) (m),
Q es el caudal volumétrico (m3/s),
A es el área de la sección transversal de la tubería (m2),
u es la velocidad media del fluido (m/s),
μ (mu) es la viscosidad dinámica del fluido
ν (nu) es la viscosidad cinemática
ρ es la densidad del fluido (kg/m3)

Solo le muestro la ecuación para señalar su complicación para el uso diario en la comprensión de la caída de presión a través de los accesorios que elija para su sistema hidráulico. Debe haber una mejor manera, y es donde el asistente del que hablé anteriormente entra en escena. Me preguntaron si los fabricantes publican la caída de presión de los accesorios que venden, y no pude responder esa pregunta. Ciertamente nunca había visto tales números de caída de presión publicados en ningún catálogo, pero dije que lo investigaría.

Después de una extensa investigación, se me ocurrió... nada. Bueno, casi nada si no fuera por Gates. Gates tiene una calculadora en su sitio web (que se encuentra aquí) que le permite especificar parámetros que incluyen el caudal, el diámetro y la longitud de la manguera, las propiedades del fluido y luego la cantidad de accesorios y adaptadores. Le permite elegir entre codos, adaptadores y tes, o incluso acoplamientos rectos. En dos pruebas, elegí una manguera de ½ pulgada, 12 gpm y propiedades de fluido hidráulico estándar. Una prueba no tenía accesorios y la otra alrededor de una docena de tees y codos. La segunda prueba da como resultado una caída de presión adicional de 200 psi en mi sistema.

Entonces, aunque no es la lista de caídas de presión de ajuste por ajuste que haría que sea fácil y obvio cuál elegir, es una gran herramienta para comparar su sistema actual y ver dónde podría estar para mejorar la eficiencia. Incluso jugando con la calculadora, puede medir cómo los accesorios, los codos y las tes dramáticas reducen la energía a través de la contrapresión. Hay paquetes de software de modelado de dinámica de fluidos disponibles, especialmente para los programas CAD existentes, pero su compra y licencia son caras. Si desea una forma simple y repetible de estimar la caída de presión a través de los accesorios, la calculadora de presión de flujo de fluidos de Gates es fantástica.