Производствените допуски в съвременните хидравлични системи с високо налягане изискват строг контрол на замърсяването в системата. Това, което влиза в системата в процеса на производство и монтаж, трябва да бъде премахнато преди пускане в експлоатация, за да се осигури адекватна и предвидима производителност по време на полезния живот.

Производствените допуски в съвременните хидравлични системи с високо налягане изискват строг контрол на замърсяването в системата. Това, което влиза в системата в процеса на производство и монтаж, трябва да бъде премахнато преди пускане в експлоатация, за да се осигури адекватна и предвидима производителност по време на полезния живот.

И двете нови и възстановени системи трябва да бъдат почистени преди стартиране. Концепцията за измиване или „промиване“ се състои в освобождаване и отстраняване на замърсяващи частици от системата, принуждавайки течност с висока скорост през нея. На теория тя трябва да остави вътрешните стени на проводниците със същото ниво на чистота като маслото, което трябва да се въведе. По-късно, по време на работа, системата ще изпитва само замърсявания, генерирани вътрешно или внесени отвън, които могат да бъдат контролирани чрез конвенционална филтрация.

Недостатък на процесите на промиване е, че те се основават на процедури за почистване на течността, но пренебрегват вътрешното почистване на системата. Дори когато тръбите и проводниците са инсталирани с голямо внимание на визуално ниво, човешкото око може да види само частици, по-големи от 40 микрона - доста под изискванията дори на най-основната система в хидравличната технология.

Колко висока трябва да бъде скоростта?

Критичната променлива в процеса на промиване, която определя дали получаваме чистотата, която търсим, е скоростта на течността. Традиционните методи обикновено го установяват по един от следните начини:

  • Това е такова, че се достига число на Рейнолдс (NR) от 3000 или повече, или,
  • Той трябва да достигне или да надвиши скоростта на работа на системата при нормални условия според проекта.

Опитът казва, че нито една от посочените скорости не е достатъчна, за да се гарантира правилното почистване на проводниците. Ако анализираме динамиката на течностите, ще видим защо.

система
Фигура 1: опростена скица на експеримента, използван от Рейнолдс за изследване и дефиниране на трите вида потоци.

Числото на Рейнолдс е безразмерно число, използвано заедно с други фактори за класифициране на потока като ламинарен, турбулентен или някъде между тях (вж. Фигура 1). Стойността му зависи от вискозитета на течността, нейната скорост и вътрешния диаметър на тръбата или проводника. Потокът се счита за ламинарен, когато числото на Рейнолдс е по-малко от 2000, което предполага организиран поток с паралелни линии на траектория. Когато числото на Рейнолдс е по-голямо от 3000, потокът се счита за турбулентен, което се определя като условие, при което поточните линии губят ред. Когато числото е между 2000 и 3000, потокът се счита за преходен.

Скоростта, необходима за постигане на турбулентен поток, е в рамките на препоръчания диапазон в указанията за скоростта на проводниците на хидравличната течност. Следното уравнение подсилва твърдението:

Където V е скоростта в футове в секунда,

D е вътрешният диаметър на проводника във футове и

v е кинематичният вискозитет в квадратни фута в секунда.

Два примера

Да предположим, че числото на Рейнолдс е 3000, че проводникът е 1-инчова тръба с дебелина на стената 0,049 инча и че кинематичният вискозитет е 1,288 х 10-4 квадратни фута в секунда. Тогава скоростта на флуида ще бъде 5,14 фута в секунда, което съответства на дебит от 10,24 gpm в този случай.

Вискозитетът, а оттам и числото на Рейнолдс, на типична хидравлична течност се влияе от температурата и налягането. Така че колкото по-горещо е маслото, толкова по-високо е числото на Рейнолдс за същата скорост и налягане. Колкото по-високо е налягането, толкова по-ниско е числото на Рейнолдс за флуид със същата скорост и температура. Следователно, простото посочване на числото на Рейнолдс да бъде 3000 не представлява строго изискване, но е в рамките на нормалния диапазон на работната скорост на системата. По дефиниция е създаден турбулентен поток, тъй като линиите на потока вече не са успоредни, но все още няма достатъчно движение на течност за ефективно почистване на вътрешните стени на проводниците.

Дори при максимални скорости и число на Рейнолдс за хидравличните проводници, потокът не е достатъчно бурен, за да повлияе до голяма степен на замърсяването на стените. Течността в граничния слой в контакт с вътрешните повърхности остава необезпокоявана.

Числото на Рейнолдс за поток при условия на нормална скорост може да се изчисли, като се използва същия размер на проводника и кинематичен вискозитет от първия пример, но със скоростта, увеличена до 20 фута в секунда. Увеличението на скоростта ни дава число на Рейнолдс от 11 671, което съответства на дебит от 39,8 gpm.

Фигура 2: Модифицирана диаграма на Moody, показваща връзката между коефициента на триене f, числото на Рейнолдс NR и грапавостта на повърхността e.

С увеличаването на броя на Рейнолдс условията на потока се променят от ламинарно, преходно и турбулентно. След като надвиши 3000, съпротивлението на потока е комбинация от ефектите на турбулентност и вискозитетно спиране върху стените на проводника (регионът, където това се случва, е известен като вискозен подслой). Има зона на преход между обхвата на турбулентния поток, където съпротивлението на потока се променя от това да се влияе главно от ефектите на турбулентността, до влиянието от грапавостта във вътрешната стена на проводника.

Това е показано на диаграмата на Moody на фигура 2, която графично демонстрира връзката между числото на Рейнолдс, коефициента на триене и грапавостта на вътрешната стена. Устойчивостта на поток се влияе само от грапавост, когато броят на Рейнолдс надвишава 4000. Следователно по-голямата част от съпротивлението се създава от ефекти на турбулентност, докато се достигне тази точка.

Грапавост на повърхността

За студено валцована тръба средната грапавост на повърхността, e, е 0,000005 фута. Ако проводникът е същият 1-инчов с дебелина на стената 0,049 инча, съотношението на дебелината на стената към диаметъра e/D ще бъде 0,000067. Диаграмата на Moody показва, че числото на Рейнолдс трябва да бъде най-малко 25 000, за да покаже вътрешната повърхност своята устойчивост на поток. За да се гарантира, че вътрешните стени са почистени, броят на Рейнолдс трябва да бъде по-голям от 25 000. За да бъде потокът напълно в критичната зона на турбуленция, числото на Рейнолдс трябва да е по-голямо от 3,25 х 10 7. Използвайки 1,288 x 10 -4 кв. Фута/секунда (същия кинематичен вискозитет от първия пример), числото на Рейнолдс от 25 000 съответства на скорост на течността от 42,8 фута в секунда или скорост на потока от 85 gpm - все още лесно постижимо с конвенционални помпи хидравлика.

Системи от реалния живот

Може да си помислим, че ако стените на проводник не са засегнати от нормални скорости, тогава има малка вероятност залеплите замърсители да се разхлабят и да влязат в течността. Въпреки че това е частично правилно, то би се прилагало само за относително гладки проводници, в права линия и при стабилни условия на поток и налягане, т.е. при идеални условия. Разбира се, това не е представително за реални инсталации, които съчетават прави, извити ходове и редица съединители, при които схемата на потока е само емпирично предвидима и където колебанията и скоковете на налягането са често срещани.

В зависимост от нивото на тежест на обслужването на системата, скоковете на налягане ще отделят замърсители, залепени в стените на проводниците и между съединителите. В критични системи 3 до 25 микрона частици могат значително да повлияят на производителността на системата. Единственият начин да се гарантира, че тези замърсители няма да повлияят на системата, би бил да се защити всеки компонент с филтър, който би бил непосилен по цена. Въпреки факта, че изплакването на проводници при скорости, срещани при нормална работа на системата, би ни позволило да достигнем числата на Рейнолдс, по-големи от 3000, възможно е вътрешните стени на проводниците да не бъдат ефективно почистени.

"Зачервяване" при висока скорост и налягане

Скоростите на потока, които произвеждат число на Рейнолдс по-голямо от 25 000, позволяват стените на проводниците да бъдат напълно изложени на турбулентен поток. Тъй като системите се състоят от тръби, маркучи, фитинги и фитинги, посочването на точния брой, необходим за осигуряване на 100% чистота е трудно. Най-доброто, което можем да направим, е да зададем условията, които максимизират числото на Рейнолдс, което се прави с помощта на възможно най-високата скорост при най-ниския вискозитет. Ограничаващите фактори са максималното налягане на проводника и максималната температура на използваната течност.

Безопасният процес на почистване изисква задвижванията да бъдат заобиколени, така че единственото съпротивление на потока е спадът на налягането в проводниците и съединителите. Когато потокът стане турбулентен, спадът на налягането е право пропорционален на квадратурата на скоростта. Чрез екстраполиране на връзката до максимума, получаваме, че максимално възможната скорост възниква, когато спадът на налягането в проводника е равен на максимално допустимото налягане за него. Изплакването при това ниво на поток и налягане има предимството да разширява и свива проводници и съединители, като същевременно предизвиква силно турбулентен поток. Това разбира се оптимизира почистващото действие.

Като приравним спада на налягането до максимално допустимата, можем да изчислим числото на Рейнолдс и максимално възможната скорост. Температурата на течността пряко влияе върху нейния вискозитет, което е другата променлива, която влияе върху числото на Рейнолдс. Почистващото налягане също влияе на вискозитета, но е трудно да се изчисли количествено, тъй като то ще варира в проводника от максимума на изхода на изпомпващия източник до атмосферния на изхода.

Уравнението, използвано за изчисляване на спада на налягането в зоната на турбулентност, е:

hl = спад на налягането,
f = коефициент на триене от диаграмата на Moody,

L = дължина на проводника във футове,
V = скорост на течността и
D = вътрешен диаметър на проводника в инчове.

Това уравнение изчислява максималната скорост и числото на Рейнолдс, които могат да бъдат постигнати за конкретно максимално налягане на почистване.

За да се определи коефициентът на триене според потока в тръбите, са необходими повторения, като се използва диаграмата на Moody. Предвид граничното налягане, вътрешния диаметър и относителната грапавост на проводника, може да се приеме коефициент на триене, за да се изчисли по-късно скоростта на флуида. Тогава може да се изчисли числото на Рейнолдс и да се определи нов коефициент на триене от диаграмата на Муди. Повторете итерацията, докато коефициентът на триене се сближи.

Таблицата, показана на фигурата, съдържа скорости и числа на Рейнолдс, които са изчислени за 200 фута тръба Sch 80, като се използва максимално допустимото налягане и грапавост на повърхността от 0,00015 фута за ковано желязо. Изчисленията амортизират спада на налягането, генериран от различните съединители, които обикновено се използват, така че скоростта и стойностите на Рейнолдс са високи. Също така е важно да се има предвид, че специални течности с по-нисък вискозитет или промиване при високи температури за намаляване на вискозитета на използваната течност могат да увеличат броя на Рейнолдс.

Определените стойности на максимална скорост на промиване и максимален дебит показват, че някои от условията - главно в линии с вътрешен диаметър по-малък от ¾ инча - могат да бъдат изпълнени с помощта на конвенционални помпи с високо налягане, които имат достатъчен капацитет, въпреки че може да е трудно да се предизвика налягане колебания, необходими за отделяне на замърсители. В системи с по-дълги тръби трябва да се използват специални методи за постигане на необходимите налягания, скорости и числа на Рейнолдс, за да се почистят правилно.