Допуски на виробництво в сучасних гідравлічних системах високого тиску вимагають суворого контролю забруднення в системі. Те, що потрапляє в систему у процесі виготовлення та складання, повинно бути видалено перед введенням в експлуатацію, щоб забезпечити адекватну та передбачувану роботу протягом терміну її корисного використання.

Допуски на виробництво в сучасних гідравлічних системах високого тиску вимагають суворого контролю забруднення в системі. Те, що потрапляє в систему у процесі виготовлення та складання, повинно бути видалено перед введенням в експлуатацію, щоб забезпечити адекватну та передбачувану роботу протягом терміну її корисного використання.

Перед запуском потрібно очистити як нові, так і відновлені системи. Концепція промивання або «змивання» полягає у випуску та видаленні забруднюючих частинок із системи, просочуючи через неї рідину на високій швидкості. Теоретично він повинен залишати внутрішні стінки провідників з таким самим рівнем чистоти, як і масло, що вводиться. Тоді під час роботи система буде відчувати лише забруднення, що утворюються всередині або потрапляють іззовні, що можна контролювати за допомогою звичайної фільтрації.

Недоліком процесів промивання є те, що вони засновані на процедурах очищення рідини, але ігнорують внутрішнє очищення системи. Навіть коли труби та провідники встановлюються з особливою обережністю на візуальному рівні, людське око може бачити лише частинки розміром більше 40 мкм - значно нижче, ніж вимагає навіть найпростіша система в гідравлічній технології.

Якою високою повинна бути швидкість?

Найважливішою змінною в процесі змиву, яка визначає, чи отримуємо ми чистоту, яку ми прагнемо, є швидкість рідини. Традиційні методи зазвичай встановлюють це одним із наступних способів:

  • Це таке, що досягається число Рейнольдса (NR) 3000 або більше, або,
  • Він повинен досягати або перевищувати швидкість роботи системи в нормальних умовах відповідно до конструкції.

Досвід говорить, що жодна із зазначених швидкостей недостатня для забезпечення належного очищення провідників. Якщо ми проаналізуємо динаміку рідин, то побачимо, чому.

гідравлічної
Рисунок 1: спрощений ескіз експерименту, який використовував Рейнольдс для вивчення та визначення трьох типів потоку.

Число Рейнольдса - це безрозмірне число, яке використовується разом з іншими факторами для класифікації потоку як ламінарного, турбулентного або десь посередині (див. Малюнок 1). Його значення залежить від в'язкості рідини, її швидкості та внутрішнього діаметра труби або провідника. Потік вважається ламінарним, коли число Рейнольдса менше 2000, що означає організований потік з паралельними лініями шляху. Коли число Рейнольдса більше 3000, потік вважається турбулентним, що визначається як умова, за якої лінії потоку втрачають порядок. Коли число становить від 2000 до 3000, потік вважається перехідним.

Швидкість, необхідна для досягнення турбулентного потоку, знаходиться в межах рекомендованого діапазону в настановах щодо швидкості руху провідників гідравлічної рідини. Наступне рівняння підкріплює твердження:

Де V - швидкість у футах за секунду,

D - внутрішній діаметр провідника у футах, і

v - кінематична в'язкість у квадратних футах в секунду.

Два приклади

Припустимо, що число Рейнольдса дорівнює 3000, що провідник являє собою 1-дюймову трубку з товщиною стінки 0,049 дюйма, а кінематична в'язкість становить 1,288 х 10-4 квадратних футів в секунду. Тоді швидкість рідини становила б 5,14 фута в секунду, що відповідає швидкості потоку 10,24 г/хв у цьому випадку.

На в'язкість, а отже і число Рейнольдса, типової гідравлічної рідини впливають температура і тиск. Отже, чим гарячіше масло, тим вище число Рейнольдса при однаковій швидкості та тиску. Чим вище тиск, тим нижче число Рейнольдса для рідини з однаковою швидкістю та температурою. Тому, просто вказати, що число Рейнольдса має бути 3000, не є суворою вимогою, але знаходиться в межах нормального діапазону робочих швидкостей системи. За визначенням, був створений турбулентний потік, оскільки лінії потоку вже не паралельні, але ще недостатньо руху рідини для ефективного очищення внутрішніх стінок провідників.

Навіть при максимальній швидкості та числу Рейнольдса для гідравлічних провідників потік недостатньо турбулентний, щоб значною мірою вплинути на забруднення стін. Рідина в прикордонному шарі, що контактує з внутрішніми поверхнями, залишається не порушеною.

Число Рейнольдса для потоку в умовах нормальної швидкості можна розрахувати, використовуючи той самий розмір провідника та кінематичну в'язкість з першого прикладу, але зі швидкістю, збільшеною до 20 футів в секунду. Збільшення швидкості дає нам число Рейнольдса 11 671, що відповідає швидкості потоку 39,8 г/хв.

Рисунок 2: Модифікована діаграма Муді, що показує залежність між коефіцієнтом тертя f, числом Рейнольдса NR та шорсткістю поверхні e.

Зі збільшенням числа Рейнольдса умови потоку змінюються від ламінарного, перехідного та турбулентного. Як тільки він перевищує 3000, опір потоку являє собою комбінацію ефектів турбулентності та гальмування в’язкості на стінках провідника (область, де це відбувається, називається в’язким підшаром). Існує зона переходу між діапазоном турбулентного потоку, де опір потоку змінюється від впливу головного впливу турбулентності до впливу шорсткості внутрішньої стінки провідника.

Це показано на діаграмі Муді на малюнку 2, яка демонструє графічну залежність між числом Рейнольдса, коефіцієнтом тертя та шорсткістю внутрішньої стінки провідника. На стійкість до течії впливає лише шорсткість, коли число Рейнольдса перевищує 4000. Отже, більша частина опору створюється ефектами турбулентності до досягнення цієї точки.

Шорсткість поверхні

Для холоднокатаної труби середня шорсткість поверхні, e, становить 0,000005 футів. Якщо провідник той самий 1-дюймовий з товщиною стінки 0,049 дюйма, відношення товщини стінки до діаметра e/D становитиме 0,000067. Діаграма Муді вказує, що число Рейнольдса має бути не менше 25000, щоб внутрішня поверхня виявляла свою стійкість до течії. Щоб забезпечити очищення внутрішніх стін, число Рейнольдса має бути більше 25000. Щоб потік повністю знаходився у критичній зоні турбулентності, число Рейнольдса має бути більше 3,25 х 10 7. Використовуючи 1288 x 10 -4 квадратних футів/секунду (таку саму кінематичну в'язкість з першого прикладу), число Рейнольдса 25000 відповідає швидкості рідини 42,8 фута в секунду або швидкості потоку 85 gpm - все ще легко досяжна за допомогою насосів. звичайна гідравліка.

Системи реального життя

Можна подумати, що якщо на стінки провідника не впливають звичайні швидкості, то є низька ймовірність того, що застряглі забруднення розпушать і потраплять у рідину. Хоча це частково правильно, це стосуватиметься лише відносно гладких провідників, прямолінійних і в умовах стабільного потоку та тиску, тобто в ідеальних умовах. Звичайно, це не репрезентативно для реальних установок, які поєднують прямі, криволінійні прогони та ряд з'єднувачів, в яких схема потоку є лише емпірично передбачуваною, і де коливання та стрибки тиску є загальними.

Залежно від рівня серйозності обслуговування системи, стрибки тиску будуть викидати забруднення, що застрягли в стінках провідників та між роз'ємами. У критично важливих системах частинки від 3 до 25 мкм можуть сильно вплинути на продуктивність системи. Єдиним способом гарантувати, що ці забруднення не впливатимуть на систему, було б захистити кожен компонент фільтром, який був би надмірно високим за ціною. Незважаючи на той факт, що промивання провідників на швидкостях, що виникають під час нормальної роботи системи, дозволило б нам досягти числа Рейнольдса більше 3000, можливо, внутрішні стінки провідників не ефективно очищаються.

`` Промивання '' при високій швидкості та тиску

Швидкості потоку, що утворюють число Рейнольдса більше 25000, дозволяють стінкам провідників повністю піддаватися турбулентному потоку. Оскільки системи складаються з труб, шлангів, з'єднувачів та аксесуарів, вказати точну кількість, необхідну для забезпечення 100% чистоти, важко. Найкраще, що ми можемо зробити, це встановити умови, які максимізують число Рейнольдса, що робиться з використанням максимально можливої ​​швидкості з найменшою в'язкістю. Обмежуючими факторами є максимальний тиск провідника та максимальна температура використовуваної рідини.

Безпечний процес очищення вимагає обходу приводів, так що єдиним опором потоку є падіння тиску на провідниках і роз’ємах. Коли потік стає турбулентним, падіння тиску прямо пропорційне квадрату швидкості. Екстраполюючи відношення до максимуму, ми отримуємо, що максимально можлива швидкість виникає, коли падіння тиску в провіднику дорівнює максимально допустимому для нього тиску. Промивання на цьому рівні потоку та тиску має перевагу в розширенні та стисканні провідників та з'єднувачів, одночасно індукуючи сильно турбулентний потік. Це, звичайно, оптимізує дію очищення.

Прирівнявши перепад тиску до максимально допустимого, ми можемо розрахувати число Рейнольдса і максимально можливу швидкість. Температура рідини безпосередньо впливає на її в’язкість, що є іншою змінною, що впливає на число Рейнольдса. Тиск очищення також впливає на в'язкість, але його важко визначити кількісно, ​​оскільки він буде змінюватися в провіднику від максимального на виході з джерела насоса до атмосферного на виході.

Рівняння, яке використовується для розрахунку перепаду тиску в зоні турбулентності:

hl = перепад тиску,
f = коефіцієнт тертя з діаграми Муді,

L = довжина провідника у футах,
V = швидкість рідини і
D = внутрішній діаметр провідника в дюймах.

Це рівняння обчислює максимальну швидкість та число Рейнольдса, яких можна досягти для конкретного максимального тиску очищення.

Для визначення коефіцієнта тертя відповідно до витрати в трубах необхідні ітерації за допомогою діаграми Муді. Враховуючи граничний тиск, внутрішній діаметр і відносну шорсткість провідника, можна припустити коефіцієнт тертя для подальшого обчислення швидкості рідини. Тоді число Рейнольдса можна розрахувати та визначити новий коефіцієнт тертя за діаграмою Муді. Повторюйте ітерацію, поки коефіцієнт тертя не зійдеться.

Таблиця, показана на малюнку, містить швидкості та числа Рейнольдса, які були розраховані для 200 футів труби Sch 80, використовуючи максимально допустимий тиск та шорсткість поверхні 0,00015 фута для кованої труби. Розрахунки амортизують падіння тиску, яке створюється різними роз'ємами, які зазвичай використовуються, тому значення швидкості та Рейнольдса високі. Важливо також врахувати, що спеціальні рідини з меншою в'язкістю або промивання при високих температурах для зменшення в'язкості використовуваної рідини можуть збільшити число Рейнольдса.

Визначені значення максимальної швидкості промивання та максимального потоку вказують на те, що деякі умови - переважно в трубопроводах із внутрішнім діаметром менше ¾ дюйма - можуть бути виконані за допомогою звичайних насосів високого тиску, які мають достатню потужність, хоча це може викликати труднощі при наведенні тиску коливання, необхідні для виділення забруднень. У системах з більш довгими трубами для досягнення необхідних тисків, швидкостей і чисел Рейнольдса необхідно застосовувати спеціальні методи.