Chapa perfurada de aço inoxidável: cálculo de área aberta, padrão de furo e queda de pressão

Área aberta (%)= área do furo ÷ área do padrão de repetição × 100. Para furos redondos:90.69 × (d ÷ p)²para um padrão escalonado de 60 graus,78.54 × (d ÷ p)²para um padrão reto de 90 graus (d=diâmetro do furo, p=passo de centro a centro).

Melhor padrão:O escalonamento de 60 graus proporciona cerca de 15% mais área aberta do que o de 90 graus reto no mesmo tamanho e passo do furo, e mantém pontes metálicas mais largas na mesma área aberta.

Queda de pressão:para uma folha fina, Δp=ζ × ½ρu², onde ζ=[0,707√(1−f) + (1−f)]² ÷ f² e f é a área aberta como uma fração. Cortar a área aberta de 40% para 20% multiplica a queda de pressão por cerca de 6.

Força:mais área aberta significa menos metal entre os furos. Uma chapa com 40% de área aberta mantém apenas cerca de um terço da resistência da chapa sólida ao longo da linha mais estreita.

Nota:304, 316L ou 2205 não altera a área aberta ou a queda de pressão. Ele altera a vida útil e a resistência à corrosão e, portanto, a espessura da chapa que você pode usar.

Uma folha perfurada parece simples: uma placa plana cheia de furos. No entanto, três números decidem se funciona em um filtro, tela, distribuidor de fluxo ou proteção: a área aberta, o padrão de furos e a queda de pressão através dela. Eles estão vinculados. O padrão define a área aberta, a área aberta define a queda de pressão e cada furo extra tira força.

Este guia explica cada link em linguagem simples, fornece as fórmulas e trabalha com exemplos que você pode reproduzir com uma calculadora. Quando um número provém do nosso próprio cálculo e não de uma tabela publicada, dizemos isso.

O que é área aberta em chapa perfurada de aço inoxidável e como calculá-la?

A área aberta é a porcentagem da face da chapa que é perfurada. Divida a área de um furo pela área da célula repetida que o contém e multiplique por 100. Para furos redondos em um padrão escalonado de 60 graus, o atalho é90.69 × (d ÷ p)².

Pense no lençol como um piso de cerâmica. Cada peça contém um furo (ou um número fixo de furos). A área aberta é o quanto de cada peça está vazia. Como o ladrilho é definido pelo passo, apenas três entradas são necessárias: tamanho do furo, passo e padrão. Use as mesmas unidades para d e p, como milímetros.

A constante 90,69 vem da geometria de uma grade triangular, que é a forma mais densa de preencher buracos redondos. É também o limite superior: só é alcançado se os furos se tocarem (d=p), o que não deixaria metal para formar uma folha. Linhas retas desperdiçam os cantos entre os furos, e é por isso que a constante cai para 78,54.

Exemplos trabalhados

• Exemplo A.Furos de 3 mm, passo de 5 mm, escalonados de 60 graus. d ÷ p=0.6 e 0,6²=0.36. Área aberta=90.69 × 0.36 =32.7%. Os mesmos furos em um padrão reto fornecem 78,54 × 0.36=28.3%.
• Exemplo B.Furos de 6 mm, passo de 9 mm (escrito "6 @ 9"), escalonados de 60 graus. d ÷ p=0.667 e 0,667²=0.444. Área aberta=90.69 × 0.444 =40.3%.

Três erros comuns

• Usando a fórmula de padrão errada.Aplicar 90,69 a um padrão reto exagera a área aberta em cerca de 15%.
• Misturando definições de pitch.Os fornecedores divergem sobre se o passo é medido ao longo da linha ou entre linhas, e os padrões de 45 graus são definidos de mais de uma maneira. Confirme a definição no desenho.
• Ignorando as margens.As fórmulas fornecem a área aberta do campo perfurado. Bordas sólidas ao redor do campo diminuem a área aberta de toda a planilha.

Qual padrão de furo você deve escolher: escalonado de 60 graus, reto de 90 graus ou escalonado de 45 graus?

Escolher60 graus escalonadosa menos que você precise de furos em linhas retas. Proporciona a maior área aberta para furos redondos, deixa pontes mais largas na mesma área aberta e é o padrão padrão na maioria dos perfuradores.

No mesmo diâmetro e passo do furo, um padrão de 60 graus fornece 90,69 ÷ 78.54=1.155 vezes a área aberta de um padrão reto de 90 graus, que é15,5% a mais. Você também pode olhar de outra maneira. Para atingir a mesma área aberta com o mesmo tamanho de furo, o padrão de 60 graus pode usar um passo cerca de 7,5% maior, de modo que o metal entre os furos seja mais largo.

Aqui está um caso concreto. Um furo de 5 mm com passo de 8 mm em um padrão de 60 graus proporciona 35,4% de área aberta com pontes de 3,0 mm. Para corresponder a 35,4% em um padrão reto, o passo deve diminuir para cerca de 7,4 mm, deixando pontes de apenas cerca de 2,4 mm. Isso representa aproximadamente 20% menos metal entre furos para a mesma área de fluxo.

Quanta resistência uma folha perfurada perde à medida que a área aberta aumenta?

Mais do que o número da área aberta sugere. A tira de metal mais estreita entre os furos suporta a carga, e sua parcela da chapa sólida é aproximadamente(p − d) ÷ p, chamada de eficiência ligamentar. Com 40% de área aberta, essa parcela é de apenas 33%.

Área aberta e força puxam em direções opostas. Quando você aumenta a área aberta escolhendo um furo maior ou um passo menor, as pontes entre os furos ficam mais finas. Como as pontes suportam a carga, a resistência diminui rapidamente. A tabela mostra o quão rápido.

A última linha mostra o trade-off. Uma chapa com 63% de área aberta fica perto do topo da faixa de 23% a 64% que a ISO 7805-1 prescreve para chapas de 3 mm ou mais de espessura, mas mantém apenas cerca de um sexto de sua resistência na seção mais estreita.

Os fabricantes usam regras simples para manter as folhas perfuradas e planas. Muitos mantêm a ponte pelo menos tão larga quanto a espessura da chapa, e muitos mantêm o diâmetro do furo pelo menos igual à espessura do aço carbono e cerca de 1,5 vezes a espessura ou mais do aço inoxidável. O aço inoxidável endurece e é mais resistente que o aço carbono, portanto, os punções se desgastam mais rapidamente e pequenos furos em chapas grossas são mais difíceis de fazer. Estas são diretrizes do fabricante, não padrões publicados, e os limites variam de acordo com a loja. Confirme com seu fornecedor.

Como você calcula a queda de pressão em uma chapa perfurada?

Para uma folha fina e com arestas vivas,Δp = ζ × ½ × ρ × u², onde u é a velocidade de aproximação a montante da folha, ρ é a densidade do fluido eζ = [0.707√(1−f) + (1−f)]² ÷ f², com f a área aberta como uma fração. O resultado é uma primeira estimativa válida para números de Reynolds elevados; veja os limites abaixo.

Cada buraco funciona como um pequeno orifício. O fluxo se comprime nos buracos, acelera até u ÷ f, depois se expande novamente no outro lado e a energia é perdida no processo. Uma área aberta menor significa um fluxo mais rápido nos furos e uma perda muito maior. A fórmula acima é o resultado da placa fina compilado por Idelchik e amplamente utilizado em manuais de engenharia.

Passo a passo

1. Calcule a fração de área aberta f a partir das fórmulas da primeira seção (35% de área aberta significa f=0.35).
2. Encontre a velocidade de aproximação u=vazão ÷ área da face da folha.
3. Calcule ζ com a fórmula acima ou leia na tabela abaixo.
4. Calcule Δp=ζ × ½ × ρ × u². Com ρ em kg/m³ e u em m/s, Δp está em pascal.

Exemplo resolvido: 5 @ 8 mm, escalonado em 60 graus

A área aberta é de 35,4%, então f=0.354 e ζ=11.7. paraar a 2 m/s, Δp = 11.7 × 0.5 × 1.2 × 2² = 28 Pa, com uma velocidade de furo de 5,6 m/s. Paraágua a 0,5 m/s, Δp = 11.7 × 0.5 × 998 × 0.5² = 1.46 kPa, com uma velocidade de furo de 1,4 m/s.

O que os números dizem a você

• A área aberta domina.Cortar a área aberta de 40% para 20% aumenta ζ de 8,2 para 51,3, cerca de6 vezesa queda de pressão no mesmo fluxo.
• A velocidade é quadrada.Dobrar o fluxo multiplica a queda de pressão por quatro.
• O entupimento agrava o problema.Se os detritos bloquearem metade dos buracos, a área aberta será reduzida pela metade e a queda de pressão aumentará por um fator igualmente grande. É por isso que as folhas do filtro e do filtro são dimensionadas com uma área aberta generosa.

Limites da fórmula

A fórmula da placa fina é o limite do número de Reynolds alto. No exemplo trabalhado, os números de Reynolds do buraco são apenas cerca de 1.900 para ar e 7.000 para água (assumindo viscosidades cinemáticas de 1,5 × 10⁻⁵ e 1,0 × 10⁻⁶ m²/s). Isso está abaixo da faixa onde o coeficiente de perda para dependendo do número de Reynolds, então trate esses resultados como uma estimativa e use os gráficos dependentes de Reynolds de Idelchik ou dados de teste quando a resposta for importante.

As chapas inoxidáveis ​​reais também são mais espessas do que a proporção de diâmetro de 0,015 que a fórmula assume. Um resumo secundário de experimentos publicados em placas de passo triangular relata que a perda de pressão cai à medida que a espessura aumenta em direção a cerca de 1,5 diâmetros de furo e depois se estabiliza. Para chapas típicas, os números das chapas finas tendem, portanto, a ser elevados. Não foi possível confirmar diretamente os dados experimentais originais, então use isso como uma tendência, não como um fator de correção.

O formato e o padrão do furo alteram a queda de pressão?

Principalmente através de área aberta. O padrão e a forma são importantes porque definem a quantidade de área aberta que um determinado tamanho de furo e passo proporcionam. Os dados publicados do Idelchik cobrem buracos circulares; para quadrados e ranhuras, os engenheiros geralmente trabalham com um diâmetro hidráulico equivalente e confirmam por teste ou CFD.

O diâmetro hidráulico é d_h=4 × área aberta ÷ perímetro molhado. Para um furo redondo é igual ao diâmetro. Para um quadrado é igual ao comprimento do lado. Para uma ranhura com extremidade arredondada é maior que a largura da ranhura, como mostra a tabela.

A classe do aço inoxidável afeta a área aberta ou a queda de pressão?

Não. A área aberta e a queda de pressão dependem da geometria e do fluido, não da liga. A classe é importante porque define a vida útil e a resistência à corrosão, e a resistência influencia a espessura que a chapa deve ter.

Os detalhes de fabricação são mais importantes do que a maioria dos compradores espera. Um furo feito com 0,1 mm de tamanho maior em um furo de 3 mm aumenta a área aberta em cerca de 6,8% ((3,1 ÷ 3)²=1.068), o que reduz a queda de pressão em cerca de 12% se você aproximar ζ como proporcional a 1 ÷ f² (estimativa EETA). É por isso que a tolerância do furo pertence ao desenho. A direção da rebarba, o nivelamento e o acabamento superficial também são importantes. Bordas lisas e eletropolidas resistem a incrustações, e os limites de planicidade da placa de base são abordados em nosso artigo sobre tolerâncias ASTM A240.

Como você especifica uma folha perfurada para que o pedido corresponda ao seu cálculo?

Indique o tamanho do furo, passo e como ele é medido, o ângulo do padrão, espessura, classe e especificação, margens e tolerâncias. Cada item faltante é uma chance de a planilha entregue diferir do seu cálculo.

Quais padrões se aplicam à chapa de aço inoxidável perfurada?

Nenhum padrão único cobre chapas perfuradas de aço inoxidável de ponta a ponta. A geometria do furo e do passo geralmente é retirada da série ISO 7805 e o metal base da ASTM A240 e A480.

Fontes: Entradas de catálogo ISO 7805-1, ISO 7805-2 e ISO 10630 (ISO, CCN/SCC, SFS). Os documentos ISO têm como escopo o aço de baixo carbono; para pedidos de aço inoxidável, os compradores normalmente fazem referência à geometria ISO e citam ASTM para o metal base. Confirme a abordagem com seu fabricante.

Perguntas frequentes

P: Qual é a área aberta típica para chapas perfuradas de aço inoxidável?

A: A maioria dos padrões padrão fica entre 20% e 65% de área aberta. A ISO 7805-1 prescreve proporções passo-furo que fornecem áreas abertas nominais de aproximadamente 23% a 64% para chapas com espessura de 3 mm ou mais. Subir mais alto deixa pontes muito estreitas entre os buracos, de modo que a resistência e o nivelamento são prejudicados.

P: O que significa um código como "5 @ 8"?

A: Geralmente significa furos de 5 mm em centros de 8 mm. Com um padrão escalonado de 60 graus, isso proporciona 35,4% de área aberta; com um padrão reto de 90 graus dá 30,7%. Sempre confirme o padrão e como o fornecedor mede o pitch.

P: A folha perfurada pode atingir 90% da área aberta?

A: Não. O teto teórico para furos redondos em um padrão escalonado de 60 graus é de 90,69%, alcançado somente quando os furos se tocam (o diâmetro do furo é igual ao passo). Nesse ponto, nenhum metal sobra para formar uma folha, então os produtos reais ficam bem abaixo dela.

P: Uma folha mais espessa diminui a queda de pressão?

A: Muitas vezes sim, até certo ponto. A fórmula da placa fina neste artigo pressupõe uma folha muito fina. Experimentos publicados em placas de passo triangular relatam que a perda diminui à medida que a espessura aumenta em direção a cerca de 1,5 vezes o diâmetro do furo e depois se estabiliza. Para chapas grossas e furos pequenos, o atrito na parede começa a ser importante. Use dados de teste para projetos críticos.

P: A queda de pressão é diferente para chapas perfuradas 304 e 316L?

A: Não. A queda de pressão depende da geometria (área aberta, tamanho do furo, espessura) e do fluido (densidade, velocidade, viscosidade). A classe altera a resistência e a resistência à corrosão, o que pode alterar a espessura escolhida, e a espessura afeta a queda de pressão.

P: Como faço para converter a velocidade de aproximação em velocidade do furo?

A: Divida a velocidade de aproximação pela fração da área aberta. Por exemplo, 2 m/s aproximando-se de uma placa com 35% de área aberta torna-se cerca de 5,7 m/s dentro dos furos. A queda de pressão é impulsionada por esta maior velocidade do furo.