Przepływ laminarny powietrza a turbulentny

Czym jest przepływ laminarny?

Przepływ laminarny charakteryzuje się uporządkowanym ruchem warstwowym. Cząsteczki gazu lub cieczy poruszają się równolegle do osi przewodu, nie mieszając się intensywnie ze sobą. Ten typ przepływu występuje zazwyczaj przy niskich prędkościach przepływu i w przypadku płynów o wysokiej lepkości lub w wąskich rurach.

Cechy przepływu laminarnego:

• brak zawirowań i zmienności kierunku przepływu,

• minimalne straty energii,

• przewidywalność zachowania medium,

• równomierny rozkład prędkości (maksymalna prędkość w osi przewodu, zanikająca przy ściankach).

Zastosowanie w przemyśle:

• instalacje precyzyjnego dozowania,

• dysze specjalne i noże powietrzne

• medycyna i farmacja,

  

• laboratoria i przemysł spożywczy (laminarne komory czyste),

  

• niektóre układy pneumatyczne o niskim przepływie.

Współczynnik Reynoldsa – granica między laminarem a turbulentnym

Granica między przepływem laminarnym a turbulentnym wyznaczana jest przez bezwymiarowy współczynnik Reynoldsa (Re):

gdzie:

• ρ – gęstość medium [kg/m³],

• v – prędkość przepływu [m/s],

• d – średnica wewnętrzna przewodu [m],

• μ – lepkość dynamiczna [Pa·s].

Interpretacja:

• Re < 2000 – przepływ laminarny,

• Re 2000–4000 – przepływ przejściowy,

• Re > 4000 – przepływ turbulentny.

W pneumatyce i systemach sprężonego powietrza, ze względu na niską lepkość powietrza i wysoką prędkość w przewodach, bardzo często występuje przepływ turbulentny.

Przepływ a projektowanie instalacji pneumatycznej

W inżynierii pneumatycznej wybór pomiędzy laminarnym a turbulentnym przepływem wpływa bezpośrednio na:

1. Dobór średnic przewodów – zbyt mała średnica prowadzi do turbulentnego przepływu i nadmiernych spadków ciśnienia.

2. Energooszczędność systemu – przy przepływie turbulentnym straty ciśnienia rosną nieliniowo, co wymaga większego zużycia energii na sprężanie.

3. Hałas i drgania – w turbulentnym przepływie mogą wystąpić rezonanse, niepożądane w wielu aplikacjach.

4. Precyzja sterowania – przepływ laminarny daje bardziej przewidywalne reakcje zaworów, siłowników i dozowników.

5. Zanieczyszczenia – turbulentny przepływ może powodować odkładanie się cząstek w przewodach lub ich oderwanie i zanieczyszczenie układu.

Przykład praktyczny: siłowniki pneumatyczne i typ przepływu

Weźmy jako przykład siłowniki pneumatyczne stosowane w liniach montażowych. W przypadku szybkiego działania i częstych cykli, stosowany jest przepływ turbulentny – zapewnia on szybki transfer powietrza i mocny impuls siły. Z kolei przy aplikacjach dozujących lub precyzyjnego pozycjonowania, dąży się do warunków bardziej laminarnego przepływu – np. przez zastosowanie przepustnic, zaworów dławiących lub tłumików.

Pneumatyka przemysłowa a kontrola przepływu

W nowoczesnych systemach pneumatycznych, takich jak te oferowane przez Festo, Aignep czy Riegler, stosuje się zawory proporcjonalne, regulatory przepływu i zawory precyzyjne umożliwiające dostosowanie charakterystyki przepływu – co pozwala w pełni wykorzystać właściwości zarówno przepływu laminarnego, jak i turbulentnego w zależności od wymagań aplikacji.

Branże najbardziej wrażliwe na charakter przepływu

Nie wszystkie sektory przemysłu przykładają taką samą wagę do kontroli charakterystyki przepływu. W niektórych branżach, wybór między przepływem laminarnym a turbulentnym ma bezpośredni wpływ na jakość produktu lub bezpieczeństwo procesowe:

Autor:
Wojciech Połeć
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Wojciech Połeć
Product Manager
Pneumat.