Calculo da queda de pressão do sistema hidráulico: tubulações, mangueiras e válvulas

O cálculo da perda de pressão do sistema hidráulico começa com um caminho de fluxo definido, o fluxo real através de cada seção, a viscosidade do óleo à temperatura de operação e as dimensões internas das linhas. Calcular a atrito da tubulação reta, adicionar as perdas documentadas das conexões e dos componentes e comparar o total com a pressão disponível para realizar trabalho útil. Um medidor de vazão da saída da bomba sozinho não consegue identificar onde está sendo perdida energia. Este guia fornece uma planilha de engenharia para o fluxo constante de óleo, mostra um cálculo ilustrativo e explica quais suposições precisam de medição antes de selecionar uma bomba, uma válvula ou um conjunto de reposição.

Defina o caminho de fluxo antes de inserir números

Marque as pressões e as rotas de retorno no circuito hidráulico. Identifique todas as tubulações, mangueiras, adaptadores, válvulas direcionais, filtros e refrigeradores percorridos pelo fluxo de operação selecionado. Anote a função da máquina e a posição das válvulas. Um orçamento de perda de pressão para a extensão pode ser diferente do orçamento para a retracção, descarregamento ou operação simultânea de outro atuador.

Trate as ramificações paralelas separadamente. Acrescentar as descidas de pressão das duas ramificações paralelas como se fossem em série produz uma exigência incorreta. O fluxo divide-se entre essas ramificações de acordo com as cargas e a resistência. Para um circuito hidrostático de circuito fechado, inclua as pernas de alta e baixa pressão relevantes e verifique as exigências do circuito de carga separadamente; uma planilha de retorno de circuito aberto simplesmente não pode ser copiada para outro documento.

Desligue a pressão útil do atuador de quaisquer perdas dissipativas. A pressão utilizada para mover uma carga não constitui automaticamente uma falha. Uma válvula de regulação pode deliberadamente dissipar energia para controlar o movimento. Identifique essa função antes de considerar cada diferença de pressão medida como uma oportunidade para remover um componente.

Reúna informações que descrevam a condição operacional

Use o fluxo em litros por minuto no formulário de compra, então converta para metros cúbicos por segundo nas equações. Registre o comprimento da linha em metros, o diâmetro interno real em metros, a densidade do óleo em quilogramas por metro cúbico e a viscosidade cinemática em metros quadrados por segundo. Um centistoke equivale a um milésimo de metro quadrado por segundo ou a um milésimo de metro quadrado por segundo.

As dimensões nominais da mangueira, o tamanho do fuso e a designação da flange não são substitutos confiáveis para o diâmetro real do fluxo. Um adaptador, acoplador ou canal de passagem perfurado da mangueira podem ser mais estreitos do que o #do tubo adjacente. Registre essas restrições explicitamente. Obtenha as dimensões dos desenhos ou dos dados técnicos do fabricante selecionado, com o número de peça e a versão anexados.

A viscosidade deve corresponder à temperatura do óleo a ser avaliada. Uma classificação de viscosidade ISO identifica uma classificação de referência, não a viscosidade em todas as temperaturas de operação. Utilize as informações de viscosidade #-temperatura fornecidas pelo fornecedor do fluido. Avalie o arranque a frio e a operação estável, caso estes fatores possam controlar as condições de entrada da bomba, o desvio do filtro ou as perdas de linha.

Calculo da velocidade e do número de Reynolds

Para uma linha circular, a velocidade média é v = 4Q / (pi D quadrado), onde Q é o volume de fluxo em metros cúbicos por segundo e D é o diâmetro interno em metros. O número de Reynolds é Re = vD / nu, utilizando a viscosidade cinemática nu. Se for fornecida a viscosidade dinâmica mu, use Re = rho vD / mu.

Esses cálculos descrevem o fluxo médio na seção indicada. Eles não preveem todas as velocidades locais na abertura de uma válvula ou em uma contração súbita. Aplique-os em cada seção, sempre que o diâmetro ou o fluxo mudarem. Um cilindro com áreas efetivas diferentes pode apresentar taxas de fluxo de entrada e saída diferentes; usar o fluxo da bomba para ambas as linhas pode subestimar a perda #de um dos lados.

Utilize o número de Reynolds para escolher um modelo de atrito adequado. O fluxo laminar totalmente desenvolvido em um tubo circular retilíneo possui um fator de atrito de Darcy de 64/Re. O fluxo turbulento exige uma relação que considere o número de Reynolds e a rugosidade relativa. Ao se aproximar da transição, evite apresentar uma única correlação conveniente como previsão precisa. Mantenha a incerteza e valide a condição reguladora com dados ou medições apropriados.

Use a convenção correta de fator de atrito

A expressão de perda de pressão Darcy-Weisbach é delta p = f_D (L/D) (rho v elevado ao quadrado / 2). Isso fornece a pressão em pascal quando as entradas utilizam as unidades SI mencionadas acima. L é a distância reta e f_D é o fator de atrito de Darcy. Converta os pascal em bar dividindo por 100.000.

Um fator de atrito de Fanning é um quarto do fator Darcy. Substituir um valor de Fanning na equação de Darcy sem conversão subestima a perda linear em um fator de quatro. Anote a convenção ao lado de cada valor importado de um gráfico, planilha ou calculadora. O resumo de mecânica de fluidos do #NPTEL identifica as duas convenções e apresenta a relação subjacente entre atrito e tubulação.

Este modelo de fluxo constante não calcula o choque hidráulico, os picos de pressão transitórios, o fluxo aerado compressível ou a eficiência interna da bomba. É mais útil para uma condição de operação definida e #monofásica. A elevação significativa ou a mudança de velocidade entre os locais de medição de pressão também requer os termos correspondentes da equação energética antes que uma diferença de medição possa ser chamada de perda de energia.

Adicione acessórios e componentes sem duplicar o número

Um coeficiente de perda local documentado pode ser utilizado como delta p = K rho v elevado ao quadrado / 2, desde que a velocidade de referência e as condições para esse coeficiente sejam conhecidas. Não se deve presumir que um coeficiente indicado para uma geometria de encaixe, regime de fluido ou conexão seja aplicável a todas as peças visualmente semelhantes. O comportamento de baixa velocidade de Reynolds pode exigir correção adicional.

Um método de comprimento equivalente é outra representação da perda ajustada. Use o seu comprimento equivalente ou a sua contribuição para a perda local numa determinada soma. Acrescentar ambos os valores dá a mesma resistência duas vezes. Verifique também se uma curva de montagem já inclui os seus adaptadores, placa de apoio ou passagens internas.

Para válvulas, filtros, coolers e acoplamentos rápidos, prefira a curva de pressão #-fluxo do componente selecionado nas condições fluidométricas relevantes. A designação nominal de fluxo #de uma válvula não estabelece sua pressão diferencial real. Verifique o caminho de fluxo energizado e inclua tanto a entrada quanto a saída quando o circuito do atuador exigir isso. Os filtros precisam ser considerados quanto à perda de elementos limpos, carga, comportamento de bypass e pressão diferencial admissível; a configuração de bypass não é um objetivo normal de operação aceitável.

Crie um formulário de perda de pressão rastreável

Seção de formulários	Prova exigida	Cálculo ou revisão	Erro frequente a evitar
Linha de pressão direta	Comprimento, diâmetro interno real, fluxo e viscosidade quente/fria	Calcular velocidade, número de Reynolds e perda de Darcy	Utilização do diâmetro externo ou da viscosidade à temperatura de referência
Linha de retorno reta	Fluxo de retorno do atuador real e restrições	Calcule de forma independente a pressão a partir da linha de pressão	Supõe-se que o fluxo de retorno seja sempre igual ao fluxo da bomba.
Acoplamentos e adaptadores	Geometria exata e coeficiente ou curva aplicáveis	Adicione uma representação de cada perda local	Adicionando tanto o K quanto a mesma duração
Válvula direcional ou proporcional	Dados selecionados de trajetória, comando e fluxo de pressão	Incluir todas as rotas ativas sob a mesma obrigação	Usando uma etiqueta de fluxo nominal como valor de perda
Filtrador e resfriador	Condição do fluido, estado de carregamento e curva da componente	Incluir pressão diferencial de operação justificada	Considerar a ativação do bypass como um desempenho normal
Circuito completo	Estado operacional e locais de medição definidos	Compare o orçamento com a carga útil	Adicionando ramificações paralelas em série

Suporte ao contexto técnico: NPTEL: Fatores de atrito de Darcy e Fanning e perda de pressão no tubo, NPTEL: Fundamentos de Hidráulica e Pneumática Industrial. Esta lista de critérios de avaliação não estabelece uma classificação ou um limite de aceitação universal para um produto.

A tabela é uma lista de verificação de evidências original, não um catálogo de classificações de componentes. As relações de atrito entre tubos são suportadas pela referência de mecânica de fluidos do NPTEL. As entradas específicas para cada componente exigem os desenhos e curvas reais selecionados.

Trabalhe com um exemplo ilustrativo de fluxo laminar

Suponha uma linha horizontal reta com capacidade de transporte de 60 litros por minuto, com um diâmetro interno de 20 milímetros e uma extensão de 10 metros. Para este exemplo, apenas, assuma uma densidade de 850 quilogramas por metro cúbico e uma viscosidade cinemática de 46 centistokes à temperatura avaliada. Estes são os dados de entrada do formulário de trabalho, não as especificações do produto da Prance ou as condições operacionais recomendadas.

A conversão do fluxo dá 0,001 metros cúbicos por segundo. A velocidade média é aproximadamente 3,18 metros por segundo. O número de Reynolds é aproximadamente 1.384, portanto, o modelo laminar totalmente desenvolvido é consistente para o cálculo da tubulação reta. O fator de Darcy é aproximadamente 0,0463. Substituindo os valores nessa equação, obtemos cerca de 99.600 pascal, ou 1,00 bar, de atrito linear.

Agora, suponha que evidências separadas e compatíveis com a condição forneçam 2,0 bar através dos caminhos de válvula ativos, 0,5 bar através do filtro, 0,4 bar através do cooler e 0,2 bar através dos acessórios. O valor total ilustrativo é aproximadamente 4,10 bar. Esses valores adicionais são considerados entradas para demonstrar a soma; não se trata de resultados medidos, limites de aceitação ou estimativas reutilizáveis para um componente não identificado.

Com 60 litros por minuto, 4,10 bar dissipam aproximadamente 0,410 quilowatts, utilizando a potência de perda em quilowatts = Q em litros por minuto multiplicado pelo delta p em bar, dividido por 600. Este cálculo estima a dissipação de energia hidráulica sob a condição constante indicada. Não estabelece a temperatura final do óleo, a capacidade do refratário ou a entrada elétrica; essas informações exigem informações sobre duração de operação, balanço térmico e eficiência geral.

Compare casos operacionais e preserve a incerteza

Repita o cálculo para determinar as direções de fluxo, temperaturas do óleo e funções da máquina. Um cálculo feito a temperatura elevada pode parecer satisfatório, enquanto um início frio produz uma pressão diferencial do filtro excessiva ou restrição na entrada. Por outro lado, um modelo de perda usando viscosidade a temperatura baixa ao longo de uma mudança completa pode exagerar a geração contínua de calor.

Ao explorar melhorias, altere um parâmetro de entrada de cada vez. Aumentar o diâmetro do furo altera a velocidade, o número de Reynolds e o fator de atrito; portanto, dimensionar simplesmente o valor de pressão anterior com base apenas na velocidade pode ser enganoso. Recalcule a seção completa. Registre os requisitos reais de projeto e de curvatura mínima antes de propor uma substituição de mangueira fisicamente impraticável.

Manter uma coluna de incerteza para dimensões de furo ausentes, estimativas de viscosidade e curvas de componentes. Um total obtido a partir de três medições confiáveis e vários pressupostos não deve ser apresentado à área de compras como requisito obrigatório para o sistema. Classifique as incertezas de acordo com seu efeito provável e obtenha as evidências mais relevantes primeiro.

Verifique as medidas e prepare uma consulta sobre o componente

Instale e use instrumentos de pressão apenas de acordo com o procedimento #de manutenção aprovado pela máquina. Isolue a energia perigosa, use equipamentos de teste apropriados e tenha em conta a pressão armazenada e as cargas suspensas. Não solte conexões vivas para verificar o fluxo ou procurar vazamentos com a mão. A orientação da #NIOSH sobre energia perigosa apóia a necessidade de isolamento planejado durante a manutenção.

Medir a pressão diferencial através de limites claramente identificados com instrumentos adequados às condições esperadas. Registar o fluxo, a temperatura do fluido, o estado da válvula, o movimento do atuador e a identificação do instrumento junto a cada resultado. Comparar as previsões e as medições ao mesmo tempo. Uma carga variável entre duas leituras pode invalidar a subtração mesmo que ambos os medidores sejam precisos.

Para uma consulta sobre uma bomba ou válvula da #Prance, forneça o circuito, a pressão útil necessária, o orçamento de perda previsto, o intervalo de fluxo, o fluido, as temperaturas de inicialização e operação, o ciclo de trabalho e as interfaces dos componentes. Solicite os dados relevantes de pressão-fluxo e condição de fluido da configuração selecionada. Uma ilustração externa do produto pode ajudar a identificar a família e as conexões, mas não fornece uma curva de perda interna ou autoriza um limite de operação universal.

Perguntas frequentes

Posso calcular a perda de pressão do sistema a partir apenas da pressão da bomba?

Não. A pressão da saída da bomba inclui a demanda de carga útil e as perdas ao longo do caminho ativo. Identifique o estado do circuito, os limites de fluxo e pressão, e então calcule ou meda as contribuições individuais. Uma única leitura da saída não identifica a componente restritiva.

Devo somar a queda de pressão de cada #ramificação?

Adicione as perdas ao longo do mesmo caminho da série. As ramificações paralelas exigem uma análise de fluxo e pressão separada. Não somar duas rotas alternativas como se o fluido passasse por ambas consecutivamente.

O fator Darcy é o mesmo que o fator Fanning?

Não. O fator Darcy é quatro vezes o fator Fanning. Confirme a convenção utilizada por uma fonte antes de inserir isso em um cálculo; caso contrário, o resultado linear pode estar incorreto em um fator de quatro.

É possível usar um calculador de perda de pressão de água para óleo hidráulico?

Só se o seu modelo aceitar as propriedades e o regime de operação adequados do óleo. Um calculador baseado em uma relação empírica específica para água ou uma viscosidade fixa pode gerar resultados enganosos sobre o óleo. Verifique as suas premissas e unidades antes de confiar no rótulo da interface.

A diminuição da pressão no circuito garante um sistema mais frio?

Uma perda menor pode reduzir a potência hidráulica dissipada com o mesmo fluxo, mas a temperatura final também depende da carga, da potência útil, de outras perdas e da rejeição de calor. Verifique novamente o equilíbrio térmico e a função da máquina antes de considerar uma mudança de rotação como uma solução de temperatura garantida.

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Referências técnicas

• NPTEL: Fatores de atrito de Darcy e Fanning e perda de pressão no tubo
• NPTEL: Fundamentos de Hidráulica e Pneumática Industrial
• NIOSH: isolamento de energia perigosa

As fontes corroboram os princípios e o âmbito da metodologia declarados. As informações apresentadas e os documentos de outro fabricante não estabelecem as especificações, garantias ou a filiação à marca da Prance.