Perte de tête – Perte de pression
Dans l’analyse pratique des systèmes de tuyauterie, la quantité la plus importante est la perte de pression due aux effets visqueux sur toute la longueur du système, ainsi que les pertes de pression supplémentaires résultant d’autres équipements technologiques comme les vannes, les coudes, les entrées de tuyauterie, les raccords et les tés. .
Dans un premier temps, une équation de Bernoulli étendue doit être introduite. Cette équation permet de tenir compte de la viscosité de manière empirique et de la quantifier avec un paramètre physique appelé perte de charge .
La perte de charge (ou la perte de pression) représente la réduction de la hauteur totale ou de la pression (somme de la hauteur d’élévation, de la vitesse et de la pression) du fluide lorsqu’il s’écoule à travers un système hydraulique. La perte de charge représente également l’énergie utilisée pour surmonter les frottements causés par les parois du tuyau et d’autres équipements technologiques. La perte de charge est inévitable dans les vrais fluides en mouvement. Il est présent en raison du frottement entre les particules de fluide adjacentes lors de leur déplacement les unes par rapport aux autres (en particulier dans un écoulement turbulent).
La perte de charge qui se produit dans les tuyaux dépend de la vitesse d’écoulement, du diamètre et de la longueur du tuyau , et d’un facteur de friction basé sur la rugosité du tuyau et le nombre de Reynolds du débit. Bien que la perte de charge représente une perte d’énergie , elle ne représente pas une perte d’énergie totale du fluide. L’énergie totale du fluide se conserve grâce à la loi de conservation de l’énergie . En réalité, la perte de charge due au frottement se traduit par une augmentation équivalente de l’énergie interne (augmentation de la température) du fluide.
La plupart des méthodes d’évaluation de la perte de charge due au frottement reposent presque exclusivement sur des preuves expérimentales . Ceci sera discuté dans les sections suivantes.
Classification de la perte de tête
La perte de charge d’un système de tuyaux, de tubes ou de conduits est la même que celle produite dans un tuyau ou un conduit droit dont la longueur est égale aux tuyaux des systèmes d’origine plus la somme des longueurs équivalentes de tous les composants du système.
Comme on peut le voir, la perte de charge du système de tuyauterie est divisée en deux catégories principales, les « pertes majeures » associées à la perte d’énergie par longueur de tuyau et les « pertes mineures » associées aux coudes, raccords, vannes, etc.
- Perte de charge importante – due au frottement dans les tuyaux et les conduits.
- Perte de charge mineure – due à des composants comme des vannes, des raccords, des coudes et des tés.
La perte de charge peut alors être exprimée comme:
h loss = Σ h major_losses + Σ h minor_losses
Sommaire:
- La perte de charge ou la perte de pression sont la réduction de la hauteur totale (somme de la hauteur potentielle , de la vitesse et de la pression ) d’un fluide causée par la friction présente dans le mouvement du fluide.
- La perte de charge et la perte de charge représentent le même phénomène – les pertes par frottement dans les tuyaux et les pertes dans les composants hydrauliques, mais elles sont exprimées en unités différentes .
- La perte de charge du système hydraulique est divisée en deux catégories principales :
- Perte de charge importante – due au frottement dans des tuyaux droits
- Perte de charge mineure – due à des composants comme des valves, des coudes…
- L’équation de Darcy peut être utilisée pour calculer les pertes majeures .
- Une forme spéciale de l’équation de Darcy peut être utilisée pour calculer les pertes mineures .
- Le facteur de friction pour l’écoulement du fluide peut être déterminé à l’aide d’un diagramme de Moody .
Pourquoi la perte de tête est très importante?
Comme on peut le voir sur la photo, la perte de charge est une caractéristique clé de tout système hydraulique. Dans les systèmes dans lesquels un certain débit doit être maintenu (par exemple pour assurer un refroidissement ou un transfert de chaleur suffisant à partir d’un cœur de réacteur ), l’équilibre de la perte de charge et de la tête ajoutée par une pompe détermine le débit à travers le système.
Perte de tête majeure – Perte par friction
Voir aussi: Perte de tête majeure – Pertes par friction
Les pertes importantes , qui sont associées à la perte d’énergie de frottement par longueur de tuyau, dépendent de la vitesse d’écoulement, de la longueur du tuyau, du diamètre du tuyau et d’un facteur de friction basé sur la rugosité du tuyau, et si le débit est laminaire ou turbulent (c.-à-d. Le Reynolds numéro du flux).
Bien que la perte de charge représente une perte d’énergie , elle ne représente pas une perte d’énergie totale du fluide. L’énergie totale du fluide se conserve grâce à la loi de conservation de l’énergie . En réalité, la perte de charge due au frottement se traduit par une augmentation équivalente de l’énergie interne (augmentation de la température) du fluide.
Par observation, la perte de charge principale est à peu près proportionnelle au carré du débit dans la plupart des écoulements d’ingénierie (écoulement turbulent entièrement développé).
L’équation la plus couramment utilisée pour calculer les pertes de charge importantes dans un tube ou un conduit est l’ équation de Darcy – Weisbach (forme de perte de charge).
où:
- Δh = la perte de charge due au frottement (m)
- f D = le facteur de friction Darcy (sans unité)
- L = la longueur du tuyau (m)
- D = le diamètre hydraulique du tuyau D (m)
- g = la constante gravitationnelle (m / s 2 )
- V = la vitesse d’écoulement moyenne V (m / s)
L’évaluation de l’ équation de Darcy-Weisbach donne un aperçu des facteurs affectant la perte de charge dans un pipeline.
- Considérez que la longueur du tuyau ou du canal est doublée , la perte de charge par friction qui en résulte doublera .
- À débit et longueur de tuyau constants, la perte de charge est inversement proportionnelle à la 4e puissance de diamètre (pour un flux laminaire), et donc la réduction de moitié du diamètre du tuyau augmente la perte de charge d’un facteur 16. Il s’agit d’une augmentation très significative de perte de charge et montre pourquoi des tuyaux de plus grand diamètre entraînent des besoins en puissance de pompage beaucoup plus faibles.
- Puisque la perte de charge est à peu près proportionnelle au carré du débit, alors si le débit est doublé , la perte de charge augmente d’un facteur quatre .
- La perte de charge est réduite de moitié (pour un flux laminaire) lorsque la viscosité du fluide est réduite de moitié .
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À l’exception du facteur de friction Darcy , chacun de ces termes (la vitesse d’écoulement, le diamètre hydraulique , la longueur d’un tuyau) peut être facilement mesuré. Le facteur de friction Darcy prend en compte les propriétés fluides de la densité et de la viscosité, ainsi que la rugosité du tuyau . Ce facteur peut être évalué par l’utilisation de diverses relations empiriques, ou il peut être lu à partir de graphiques publiés (par exemple graphique Moody ).
Perte de charge mineure – Perte de pression locale
Voir aussi: Perte de charge mineure – Perte de pression locale
Dans l’industrie, tout système de tuyauterie contient différents éléments technologiques tels que des coudes , des raccords , des vannes ou des canaux chauffants . Ces composants supplémentaires augmentent la perte de charge globale du système. Ces pertes sont généralement appelées pertes mineures, bien qu’elles représentent souvent une part importante de la perte de charge . Pour les systèmes de tuyaux relativement courts, avec un nombre relativement important de coudes et de raccords, les pertes mineures peuvent facilement dépasser les pertes majeures (en particulier avec une vanne partiellement fermée qui peut provoquer une perte de pression plus importante qu’un long tuyau, en fait quand une vanne est fermée ou presque fermée, la perte mineure est infinie).
Les pertes mineures sont généralement mesurées expérimentalement . Les données, en particulier pour les vannes, dépendent quelque peu de la conception particulière du fabricant.
Généralement, la plupart des méthodes utilisées dans l’industrie définissent un coefficient K comme valeur pour certains composants technologiques.
Comme le frottement des tuyaux, les pertes mineures sont à peu près proportionnelles au carré du débit et peuvent donc être facilement intégrées dans l’ équation de Darcy-Weisbach . K est la somme de tous les coefficients de perte dans la longueur du tuyau, chacun contribuant à la perte de charge globale.
Les méthodes suivantes sont d’une importance pratique dans les calculs locaux de perte de pression:
- Méthode de longueur équivalente
- Méthode K – Méthode du coefficient de résistance
- Méthode 2K
- Méthode 3K
Voir aussi: Perte de charge mineure – Perte de pression locale
Perte de charge du débit de fluide diphasique
Voir aussi: Chute de pression en deux phases
Contrairement aux chutes de pression monophasées, le calcul et la prévision des chutes de pression biphasées est un problème beaucoup plus sophistiqué et les principales méthodes diffèrent considérablement. Les données expérimentales indiquent que la chute de pression de friction dans l’écoulement diphasique (par exemple dans un canal d’ébullition) est sensiblement plus élevée que celle pour un écoulement monophasé avec la même longueur et le même débit massique. Les explications à cela comprennent une rugosité de surface accrue apparente due à la formation de bulles sur la surface chauffée et des vitesses d’écoulement accrues.
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