У промисловій пневматиці, де робочим середовищем є стиснене повітря, інженери постійно шукають способи максимізації ефективності установок, мінімізації втрат тиску та забезпечення стабільної роботи обладнання. Одним з абсолютно фундаментальних понять у проектуванні будь-якої потокової установки, в тому числі пневматичної, є число Рейнольдса (Re). Саме цей параметр визначає, чи є потік у трубопроводах ламінарним чи турбулентним, що має величезне значення для втрат енергії, шуму, роботи обладнання та експлуатаційних витрат.

Що таке число Рейнольдса?

Число Рейнольдса — це безрозмірний параметр, який описує характер руху рідини (рідкої або газоподібної) в трубопроводі. Його обчислюють за формулою:

або в альтернативній формі:

де:

ρ – щільність середовища [кг/м³],
v – швидкість потоку [м/с],
d – внутрішній діаметр труби [м],
μ – динамічна в'язкість середовища [Па·с],
ν – кінематична в'язкість [м²/с].

Промислова пневматична установка з ресивером та трубопроводом, де виникають втрати тиску залежно від числа Рейнольдса

Значення числа Рейнольдса в пневматиці

У пневматиці стиснене повітря рухається в трубопроводах, трубах, клапанах, з'єднувальних елементах та виконавчих елементах. Знаючи число Рейнольдса, ми можемо визначити:

Характер потоку:

Re < 2000 → ламінарний потік (впорядкований, шаруватий)
2000 < Re < 4000 → перехідний потік
Re > 4000 → турбулентний потік (хаотичний, змішувальний)

Втрати тиску в установці:

турбулентний потік генерує більші втрати тиску,
ламінарний потік забезпечує менший опір потоку.

Шум і вібрації:

у турбулентному потоці виникають завихрення, які можуть спричиняти шум і несприятливі вібрації.

Енергоефективність:

нижче Re часто означає менше споживання енергії для стиснення повітря.

Точність роботи пристроїв:

у ламінарному потоці пневмоциліндри, пропорційні клапани та регулятори працюють стабільніше.

З'єднання пневматичних труб, де високе число Рейнольдса викликає турбулентний потік, шум та вібрацію в системі

Ламінарний та турбулентний потік – наслідки для проектування

Ламінарний потік

виникає при низьких швидкостях потоку,
характеризується передбачуваним профілем швидкості (максимум по осі труби, мінімум біля стінок),
ідеально підходить для точних дозувальних застосувань та чутливих процесів.

Турбулентний потік

виникає при більших швидкостях,
пов'язаний з більшим опором, втратами тиску і турбулентністю,
підходить для випадків, коли необхідний швидкий транспорт великих обсягів стисненого повітря, наприклад, в системах пневматичного транспорту.

Число Рейнольдса в проектуванні пневматичних мереж

При проектуванні пневматичних установок інженери повинні вирішити:

✓ Які діаметри труб використовувати?

Менші діаметри → вища швидкість потоку → вище число Рейнольдса → збільшення втрат тиску.

✓ Яку довжину трубопроводів проектувати?

Довші трубопроводи → більші втрати на тертя.

✓ Які проміжні елементи (клапани, коліна, трійники) використовувати?

Кожна зміна напрямку або діаметра впливає на місцеве збільшення Re і спричиняє додаткові втрати.

Приклад розрахунку – розрахунок Re в пневматиці

Припустимо:

тиск повітря: 6 бар (абсолютний),
температура повітря: 20°C,
швидкість потоку: 15 м/с,
діаметр труби: 12 мм (0,012 м),
густина повітря в цих умовах ≈ 7,1 кг/м³,
динамічна в'язкість повітря ≈ 1,8·10⁻⁵ Па·с.

Розраховуємо:

Такий результат однозначно вказує на турбулентний потік, що означає необхідність враховувати більші втрати тиску та потенційний шум.

Aignep Infinity – система стисненого повітря, оптимізована з точки зору потоку

Aignep Infinity — це сучасна система алюмінієвих пневматичних труб і з'єднувальних елементів для будівництва систем стисненого повітря. У контексті числа Рейнольдса ця система вирізняється такими перевагами:

✓ Гладка внутрішня поверхня алюмінієвих труб Infinity

значно нижчий коефіцієнт шорсткості, ніж у сталевих або оцинкованих труб,
мінімізує опір тертя → нижче число Рейнольдса при тій же швидкості потоку,
менші втрати тиску.

Гладка внутрішня поверхня труб Infinity, що забезпечує низький опір та оптимальне число Рейнольдса в пневматиці

✓ Менші турбулентності в з'єднувальних елементах

конструкція з'єднувальних елементів Infinity мінімізує зміни перерізів і гострі кути потоку,
обмежує локальне зростання Re.

Пневматичні фітинги та фільтр Aignep, розроблені для зменшення завихрень повітря та стабілізації числа Рейнольдса

✓ Міцність на тиск

система Infinity витримує тиск до 16 бар,
дозволяє працювати при високих швидкостях потоку, навіть при турбулентному потоці, без ризику пошкодження.

ненти пневматичної системи Infinity з робочим тиском 16 бар, що забезпечують стабільність потоку та числа Рейнольдса

✓ Енергоефективність

завдяки нижчому опору потоку пневcматичні системи Infinity дозволяють зменшити споживання електроенергії в компресорах.

Енергоефективне пневматичне з'єднання, що дозволяє знизити експлуатаційні витрати завдяки оптимізації числа Рейнольдса

Проектування з урахуванням Re в системі Aignep Infinity

Під час проектування системи Infinity необхідно:

аналізувати Re в різних ділянках мережі (в прямих трубах, колінах, трійниках),
вибирати діаметр труб таким чином, щоб у найбільш навантаженому місці не перевищувати допустимі втрати тиску,
враховувати максимальний проєктований потік в м³/год і його вплив на швидкість потоку.

Для систем, де критичною є стабільність тиску (наприклад, управління циліндрами в пакувальних машинах), прагнуть обмежити Re, навіть за рахунок більш високих витрат на матеріали (більші діаметри труб).

Приклади застосування в пневматиці

1. Системи швидкого позиціонування

На складальних лініях, де потрібна дуже швидка робота пневматичних циліндрів, зазвичай проектується турбулентний потік. Він забезпечує дуже динамічний потік повітря, що скорочує час циклу машини. Однак такий потік спричиняє більші втрати тиску і більші навантаження на систему, що вимагає використання компонентів з вищою механічною стійкістю.

2. Пневматичний транспорт

У системах пневматичного транспорту (наприклад, транспортування гранул, порошків, зерна) турбулентний потік є просто необхідним, оскільки дозволяє «піднімати» частинки в потоці повітря. Однак чим інтенсивніша турбулентність, тим вища тенденція до утворення заторів і зношування трубопроводів.

3. Ламінарний потік в дозуючих пристроях

Там, де ключовим є точність, наприклад, при дозуванні рідин у фармацевтиці або пневматичному подаванні мінімальних доз речовин, застосовується ламінарний потік. Він забезпечує передбачуваний потік, обмежує пульсації та усуває ефект «удару» повітря.

Стандарти та норми, пов'язані з потоком

У пневматиці при проектуванні систем необхідно враховувати діючі норми:

ISO 6358 — визначає правила визначення коефіцієнтів потоку для пневматичних елементів.
VDI/VDE 2173 — рекомендації щодо способу розрахунку потоку газів у трубопроводах.
ISO 8573 – стандарт чистоти стисненого повітря – турбулентний потік може спричинити відривання забруднень від стінок трубопроводів, тому надзвичайно важливо контролювати стан установки.

Вас може зацікавити:

Автор

Захар Магеровський

Оператор

+38-(067)-75-53-862

[email protected]

Графік роботи:

9:00 - 17:00