Xapa perforada d'acer inoxidable: càlcul d'àrea oberta, patró de forats i caiguda de pressió

Àrea oberta (%)= àrea de forats ÷ àrea del patró que es repeteix × 100. Per als forats rodons:90.69 × (d ÷ p)²per a un patró esglaonat de 60 graus,78.54 × (d ÷ p)²per a un patró recte de 90 graus (d=diàmetre del forat, p=pas de centre a centre).

Millor patró:60 graus esglaonats ofereix al voltant d'un 15% més d'àrea oberta que 90 graus rectes a la mateixa mida i pas del forat, i manté ponts metàl·lics més amples a la mateixa àrea oberta.

Caiguda de pressió:per a una làmina prima, Δp=ζ × ½ρu², on ζ=[0,707√(1−f) + (1−f)]² ÷ f² i f és l'àrea oberta com a fracció. Retallar l'àrea oberta del 40% al 20% multiplica la caiguda de pressió per uns 6.

Força:una àrea més oberta significa menys metall entre forats. Un full amb un 40% d'àrea oberta només manté al voltant d'un terç de la seva força de fulla sòlida a través de la línia més estreta.

Grau:304, 316L o 2205 no canvien l'àrea oberta ni la caiguda de pressió. Canvia la vida i la resistència a la corrosió i, per tant, el gruix de la làmina que podeu utilitzar.

Una làmina perforada sembla senzilla: una placa plana plena de forats. No obstant això, tres números decideixen si funciona en un filtre, pantalla, distribuïdor de flux o protecció: l'àrea oberta, el patró de forats i la caiguda de pressió a través d'ella. Estan vinculats. El patró estableix l'àrea oberta, l'àrea oberta estableix la caiguda de pressió i cada forat addicional treu força.

Aquesta guia explica cada enllaç en llenguatge senzill, dóna les fórmules i treballa mitjançant exemples que podeu reproduir amb una calculadora. Quan un nombre prové del nostre propi càlcul en lloc d'una taula publicada, ho diem.

Què és l'àrea oberta en xapa perforada d'acer inoxidable i com la calculeu?

L'àrea oberta és el percentatge de la cara del full que és forat. Dividiu l'àrea d'un forat per l'àrea de la cel·la repetida que la conté i, a continuació, multiplica per 100. Per als forats rodons amb un patró esglaonat de 60 graus, la drecera és90.69 × (d ÷ p)².

Penseu en el llençol com un terra enrajolat. Cada rajola té un forat (o un nombre fix de forats). L'àrea oberta és la quantitat de cada fitxa buida. Com que la fitxa es defineix pel pas, només calen tres entrades: mida del forat, pas i patró. Utilitzeu les mateixes unitats per a d i p, com ara mil·límetres.

La constant 90,69 prové de la geometria d'una quadrícula triangular, que és la forma més densa d'empaquetar forats rodons. També és el límit superior: només s'arriba si els forats es toquen (d=p), que no deixaria cap metall per formar una làmina. Les files rectes malgasten les cantonades entre forats, per això la constant baixa a 78,54.

Exemples treballats

• Exemple A.Forats de 3 mm, pas de 5 mm, esglaonats 60 graus. d ÷ p=0.6 i 0,6²=0.36. Àrea oberta=90.69 × 0.36 =32.7%. Els mateixos forats en un patró recte donen 78,54 × 0.36=28.3%.
• Exemple B.Forats de 6 mm, pas de 9 mm (escrit "6 @ 9"), esglaonat de 60 graus. d ÷ p=0.667 i 0,667²=0.444. Àrea oberta=90.69 × 0.444 =40.3%.

Tres errors comuns

• Utilitzant la fórmula de patró incorrecta.L'aplicació de 90,69 a un patró recte sobreestima l'àrea oberta en un 15%.
• Barrejar definicions de to.Els proveïdors difereixen sobre si el to es mesura al llarg de la fila o entre files, i els patrons de 45 graus es defineixen de més d'una manera. Confirmeu la definició al dibuix.
• Ignorant els marges.Les fórmules donen l'àrea oberta del camp perforat. Les vores sòlides al voltant del camp baixen l'àrea oberta de tot el full.

Quin patró de forats hauríeu de triar: esglaonat de 60 graus, recte de 90 graus o esglaonat de 45 graus?

Tria60 graus esglaonatstret que necessiteu forats en files rectes. Ofereix l'àrea oberta més alta per a forats rodons, deixa ponts més amples a la mateixa àrea oberta i és el patró estàndard a la majoria de perforadors.

Amb el mateix diàmetre i pas del forat, un patró de 60 graus dóna 90,69 ÷ 78.54=1.155 vegades l'àrea oberta d'un patró recte de 90 graus, que ésun 15,5% més. També pots mirar-ho d'una altra manera. Per colpejar la mateixa àrea oberta amb la mateixa mida del forat, el patró de 60 graus pot utilitzar un pas aproximadament un 7,5% més gran, de manera que el metall entre els forats és més ample.

Aquí teniu un cas concret. Un forat de 5 mm amb un pas de 8 mm en un patró de 60 graus ofereix un 35,4% d'àrea oberta amb ponts de 3,0 mm. Perquè coincideixi amb un 35,4% en un patró recte, el pas ha de reduir-se a uns 7,4 mm, deixant ponts de només uns 2,4 mm. Això és aproximadament un 20% menys de metall entre forats per a la mateixa àrea de flux.

Quanta força perd una xapa perforada a mesura que augmenta l'àrea oberta?

Més del que suggereix el nombre d'àrea oberta. La tira de metall més estreta entre els forats porta la càrrega i la seva part de la làmina sòlida és aproximadament(p − d) ÷ p, anomenada eficiència del lligament. Amb un 40% d'àrea oberta, aquesta quota és només al voltant del 33%.

L'àrea oberta i la força estiren en direccions oposades. Quan augmenteu l'àrea oberta escollint un forat més gran o un pas més petit, els ponts entre els forats es fan més prims. Com que els ponts porten la càrrega, la força cau ràpidament. La taula mostra la rapidesa.

L'última fila mostra la compensació. Una làmina amb un 63% d'àrea oberta es troba a prop de la part superior de la banda del 23% al 64% que la ISO 7805-1 prescriu per a plaques de 3 mm i més de gruix, però només manté aproximadament una sisena part de la seva resistència a la secció més estreta.

Els fabricants utilitzen regles senzilles per mantenir els llençols perforables i plans. Molts mantenen el pont almenys tan ample com el gruix de la làmina, i molts mantenen el diàmetre del forat almenys igual al gruix de l'acer al carboni i aproximadament 1,5 vegades el gruix o més per a l'acer inoxidable. L'acer inoxidable s'endureix i és més resistent que l'acer al carboni, de manera que els punxons es desgasten més ràpidament i els petits forats a la làmina gruixuda són més difícils de fer. Aquestes són directrius del fabricant, no estàndards publicats i els límits varien segons la botiga. Confirmeu amb el vostre proveïdor.

Com es calcula la caiguda de pressió a través d'una làmina perforada?

Per a una làmina fina i de vores afilades,Δp = ζ × ½ × ρ × u², on u és la velocitat d'aproximació aigües amunt de la làmina, ρ és la densitat del fluid iζ = [0.707√(1−f) + (1−f)]² ÷ f², amb f l'àrea oberta com a fracció. El resultat és una primera estimació vàlida amb un nombre de Reynolds elevat; veure els límits a continuació.

Cada forat actua com un petit orifici. El flux s'estreny als forats, s'accelera fins a u ÷ f, després s'expandeix de nou al costat més llunyà i es perd energia en el procés. Una àrea oberta més petita significa un flux més ràpid als forats i una pèrdua molt més gran. La fórmula anterior és el resultat de la placa fina compilat per Idelchik i utilitzat àmpliament als manuals d'enginyeria.

Pas a pas

1. Calcula la fracció d'àrea oberta f a partir de les fórmules de la primera secció (35% d'àrea oberta significa f=0.35).
2. Trobeu la velocitat d'aproximació u=cabal ÷ àrea de la cara de la làmina.
3. Calculeu ζ amb la fórmula anterior o llegiu-la a la taula següent.
4. Calcula Δp=ζ × ½ × ρ × u². Amb ρ en kg/m³ i u en m/s, Δp està en pascals.

Exemple treballat: 5 @ 8 mm, 60 graus esglaonats

L'àrea oberta és del 35,4%, per tant f=0.354 i ζ=11.7. Foraire a 2 m/s, Δp = 11.7 × 0.5 × 1.2 × 2² = 28 Pa, amb una velocitat del forat de 5,6 m/s. Peraigua a 0,5 m/s, Δp = 11.7 × 0.5 × 998 × 0.5² = 1.46 kPa, amb una velocitat del forat d'1,4 m/s.

El que et diuen els números

• Domina l'àrea oberta.Retallar l'àrea oberta del 40% al 20% augmenta ζ de 8,2 a 51,3, aproximadament6 vegadesla caiguda de pressió al mateix cabal.
• La velocitat és quadrada.Doblar el cabal multiplica la caiguda de pressió per quatre.
• L'obstrucció augmenta el problema.Si els residus bloquegen la meitat dels forats, l'àrea oberta es redueix a la meitat i la caiguda de pressió augmenta en un factor similar gran. És per això que les làmines de filtre i colador tenen una mida àmplia i oberta.

Límits de la fórmula

La fórmula de la placa prima és el límit de nombre de Reynolds alt. A l'exemple treballat, els nombres de Reynolds dels forats són només uns 1.900 per a l'aire i 7.000 per a l'aigua (suposant viscositats cinemàtiques d'1,5 × 10⁻⁵ i 1,0 × 10⁻⁶ m²/s). Això està per sota de l'interval on el coeficient de pèrdua s'atura en funció del nombre de Reynolds, així que tracteu aquests resultats com una estimació i utilitzeu els gràfics dependents de Reynolds d'Idelchik o les dades de prova quan la resposta sigui important.

Les làmines inoxidables reals també són més gruixudes que la relació de diàmetre de 0,015 que suposa la fórmula. Un resum secundari d'experiments publicats sobre plaques de pas triangular informa que la pèrdua de pressió cau a mesura que el gruix augmenta cap a uns 1,5 diàmetres de forats, i després s'anivella. Per a les làmines típiques, els números de plaques primes tendeixen a ser, per tant, a la part alta. No hem pogut confirmar les dades experimentals originals directament, així que utilitzeu-ho com a tendència, no com a factor de correcció.

La forma i el patró del forat canvien la caiguda de pressió?

Majoritàriament a través d'espais oberts. El patró i la forma són importants perquè estableixen la quantitat d'àrea oberta que ofereix una mida i un pas determinats del forat. Les dades publicades d'Idelchik cobreixen forats circulars; per a quadrats i ranures, els enginyers solen treballar amb un diàmetre hidràulic equivalent i confirmen mitjançant prova o CFD.

El diàmetre hidràulic és d_h=4 × àrea oberta ÷ perímetre humit. Per a un forat rodó és igual al diàmetre. Per a un quadrat és igual a la longitud del costat. Per a una ranura d'extrem rodó, és més gran que l'amplada de la ranura, tal com mostra la taula.

El grau d'acer inoxidable afecta l'àrea oberta o la caiguda de pressió?

No. L'àrea oberta i la caiguda de pressió depenen de la geometria i del fluid, no de l'aliatge. El grau importa perquè estableix la durada i la resistència a la corrosió, i la resistència influeix en el gruix que ha de tenir la làmina.

Els detalls de fabricació importen més del que la majoria dels compradors esperen. Un forat fet de 0,1 mm sobredimensionat en un forat de 3 mm augmenta l'àrea oberta aproximadament un 6,8% ((3,1 ÷ 3)²=1.068), cosa que redueix la caiguda de pressió aproximadament un 12% si aproximeu ζ com a proporcional a 1 ÷ f² (estimació EETA). És per això que la tolerància del forat pertany al dibuix. La direcció de la rebava, la planitud i l'acabat de la superfície també importen. Al nostre article sobre toleràncies ASTM A240 es cobreixen les vores llises i electropolides que resisteixen la contaminació i els límits de planitud de la placa base.

Com especifiqueu una làmina perforada perquè la comanda coincideixi amb el vostre càlcul?

Indiqueu la mida del forat, el pas i com es mesura, l'angle del patró, el gruix, el grau i les especificacions, els marges i les toleràncies. Cada element que falta és una possibilitat que el full lliurat difereixi del vostre càlcul.

Quins estàndards s'apliquen a la xapa perforada d'acer inoxidable?

No hi ha cap estàndard únic cobreix xapa perforada inoxidable d'extrem a extrem. La geometria del forat i del pas es pren normalment de la sèrie ISO 7805, i el metall base d'ASTM A240 i A480.

Fonts: ISO 7805-1, ISO 7805-2 i ISO 10630 entrades de catàleg (ISO, CCN/SCC, SFS). Els documents ISO s'abasten a l'acer baix en carboni; per a comandes d'acer inoxidable, els compradors solen fer referència a la geometria ISO i citen ASTM per al metall base. Confirmeu l'enfocament amb el vostre fabricant.

Preguntes freqüents

P: Quina és una àrea oberta típica per a la xapa perforada d'acer inoxidable?

A: La majoria dels patrons estàndard es troben entre un 20% i un 65% d'àrea oberta. La norma ISO 7805-1 prescriu relacions de pas a forat que donen àrees obertes nominals d'aproximadament 23% a 64% per a plaques de 3 mm de gruix o superior. Anar més amunt deixa ponts molt estrets entre forats, de manera que la força i la planitud pateixen.

P: Què significa un codi com "5 @ 8"?

A: Normalment significa forats de 5 mm en centres de 8 mm. Amb un patró esglaonat de 60 graus, això dóna un 35,4% d'àrea oberta; amb un patró recte de 90 graus dóna un 30,7%. Confirmeu sempre el patró i com el proveïdor mesura el to.

P: La xapa perforada pot arribar al 90% d'àrea oberta?

A: No. El sostre teòric per als forats rodons en un patró esglaonat de 60 graus és del 90,69%, s'aconsegueix només quan els forats es toquen (el diàmetre del forat és igual al pas). En aquest moment no queda cap metall per formar una làmina, de manera que els productes reals es queden molt per sota.

P: Un full més gruixut redueix la caiguda de pressió?

A: Sovint sí, fins a cert punt. La fórmula de la placa prima d'aquest article suposa una làmina molt prima. Els experiments publicats sobre plaques de pas triangular informen que la pèrdua cau a mesura que el gruix augmenta aproximadament 1,5 vegades el diàmetre del forat i després s'anivella. Per a xapes gruixudes i forats petits, la fricció de la paret comença a tenir importància. Utilitzeu dades de prova per a dissenys crítics.

P: La caiguda de pressió és diferent per a la xapa perforada 304 i 316L?

A: No. La caiguda de pressió depèn de la geometria (àrea oberta, mida del forat, gruix) i del fluid (densitat, velocitat, viscositat). El grau canvia la resistència a la corrosió i la força, cosa que pot canviar el gruix que trieu, i el gruix afecta la caiguda de pressió.

P: Com puc convertir la velocitat d'aproximació a la velocitat del forat?

A: Dividiu la velocitat d'aproximació per la fracció d'àrea oberta. Per exemple, 2 m/s apropant-se a una làmina amb un 35% d'àrea oberta es converteix en uns 5,7 m/s dins dels forats. La caiguda de pressió és impulsada per aquesta velocitat més alta del forat.