Cosa sono e come si calcolano le perdite di carico delle tubazioni

Il calcolo delle perdite di carico dei tubi rientra tra gli aspetti più importanti per garantire l’efficienza di un impianto industriale. L’analisi di questo fenomeno, determinato dalla riduzione della pressione del fluido che scorre all’interno della tubazione, è infatti indispensabile per assicurare l’efficienza e la sicurezza operativa degli impianti.

Il calcolo delle perdite di carico delle tubazioni permette di prevenire inefficienze, guasti e rischi di malfunzionamento, garantendo al contempo una gestione ottimale delle linee di piping.

In questo articolo scopriremo le formule utilizzate per il calcolo delle perdite di carico nelle tubazioni industriali, analizzando le principali variabili, come la viscosità del fluido, la velocità del flusso, il diametro interno delle tubature e la rugosità delle loro pareti interne.

Cosa si intende per perdita di carico dei tubi

La perdita di carico dei tubi, o head loss, si verifica a causa di diversi fattori, come l’attrito interno del fluido, le turbolenze generate da curve o restringimenti e la resistenza offerta dai vari componenti dell’impianto, come valvole e raccordi. Le conseguenze di una perdita di carico non correttamente calcolata possono essere significative e possono determinare, ad esempio: un sovradimensionamento delle pompe, un consumo energetico eccessivo e un deterioramento delle linee di piping.

Per questo motivo i software per la progettazione industriale prevedono moduli dedicati al calcolo degli head loss: tra le migliori soluzioni c’è ESApro Head Loss, che partendo dal modello tridimensionale dell’impianto calcola le perdite di carico totali (del tratto analizzato e di ogni componente) e verifica il corretto dimensionamento della linea di piping. Il software è in grado di ricavare automaticamente i componenti installati sul tratto, di generare un foglio di calcolo con i dati geometrici e di associare a ogni componente il suo coefficiente di resistenza.

Il calcolo delle perdite di carico è infatti essenziale durante la progettazione di un impianto ed è indispensabile per garantire il funzionamento efficiente di molteplici applicazioni: sono un esempio le linee di piping degli impianti industriali, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento, le reti idrauliche, gli impianti di irrigazione e il trattamento delle acque. Una stima accurata degli head loss è fondamentale inoltre per la corretta selezione di pompe e componenti: assicura che siano adeguatamente dimensionati per mantenere il flusso desiderato all’interno delle tubazioni.

Come si calcolano le perdite di carico dei tubi

Questo processo prevede l’uso di equazioni matematiche e principi di fluidodinamica per determinare la riduzione della pressione del fluido lungo il percorso della tubazione. I metodi di calcolo variano in base alla natura del flusso (laminare o turbolento), alle caratteristiche del fluido e alla configurazione specifica della tubazione.

Le perdite di carico in un sistema di tubazioni sono influenzate quindi dalla capacità del fluido di fluire attraverso i vari componenti, come valvole e raccordi. In questo contesto è utile inoltre calcolare il flow cv, il coefficiente che fornisce una misura diretta di quanto facilmente un fluido può attraversare una valvola: un valore più alto indica una maggiore facilità di passaggio e quindi, in teoria, minori perdite di carico.

Possiamo distinguere due principali tipologie di head loss, scopriamole insieme.

Distributed head loss

Si verificano lungo l’intera lunghezza della tubazione e sono causate principalmente dall’attrito tra il fluido e le pareti interne della conduttura. Le distributed head loss dipendono dalla lunghezza del tubo, dal suo diametro, dalla velocità del flusso, dalla rugosità interna della tubazione e dalle proprietà fisiche del fluido, come la viscosità.

Per il calcolo si utilizza generalmente l’equazione di Darcy-Weisbach, insieme alla determinazione del fattore di attrito, che può variare a seconda del regime di flusso (laminare o turbolento).

Equazione di Darcy-Weisbach Hf = f (L/D) x (v^2/2g)

Dove:

f è il fattore di attrito;

L e D sono rispettivamente la lunghezza e il diametro del tubo (m);

v è la velocità del fluido (m/s)

g è l’accelerazione dovuta alla gravità (espressa in m/s²)

Localised or concentrated head loss

Le perdite di carico concentrate o localizzate si verificano in punti specifici delle linee di piping per la presenza di alcuni componenti, come ad esempio valvole, curve, raccordi, espansioni o restringimenti. Sono quindi indipendenti dalla lunghezza della tubazione e sono associate a cambiamenti nella direzione o nella velocità del fluido, che causano turbolenze e ulteriori resistenze al flusso.

Per calcolarle si utilizzano i coefficienti di perdita specifici di ogni componente, che considerano l’entità della perturbazione che ciascun elemento introduce nel flusso del fluido. In questi punti, il fluido subisce infatti una brusca variazione della direzione e della velocità dovuta all’attrito e alla turbolenza: questo determina la conversione dell’energia di pressione in energia termica, portando a significativi incrementi della temperatura.

Per calcolarle possiamo usare la seguente formula:

∆p = K ∙ p ∙ v2 2 ∙ 100 (bar)

Dove “K” è determinato sperimentalmente, “p” è la densità del fluido (espressa in kg / dm³) e “v” è la sua velocità prima della deviazione o della strozzatura (m/s).