Devenir un expert du calcul de perte de charge

calcul de perte de charge tuyau

Le calcul de la perte de charge est essentiel car il est utilisé dans différents calculs de dimensionnement de la tuyauterie industrielle.

Pour ce faire, il s’agit de bien comprendre les différences entre une perte de charge régulière et une perte de charge singulière.

En effet, le calcul des pertes de charges global sur un circuit s’obtient en additionnant ces différentes pertes de charges. Explications. ⬇️

 

Définition et intérêt du calcul de la perte de charge

Perte de charge : une définition

En mécanique des fluides, une perte de charge est liée à un frottement qui est le résultat de la viscosité des fluides. Un fluide parfait sans viscosité ne va pas générer de perte de charge. En revanche, certains fluides vont rencontrer une résistance en écoulement.

On peut dire aussi qu’une perte de charge est une chute de pression (de vitesse) d’un fluide en mouvement dans un canal, un tube, un conduit ou tout autre appareil de réseau de fluide.

Voici des exemples de pertes de charge :

  • un liquide qui s’écoule dans une canalisation va perdre de la pression à un instant T.
  • un gaz dans un conduit perd de son intensité

On parle aussi de dissipation ou de cisaillement pour expliquer les pertes énergétiques des fluides.

Dans tous les cas, les pertes de vitesse du fluide peuvent s’expliquer par :

  • la vitesse du fluide (plus un fluide a une vitesse faible, plus la perte de charge sera faible)
  • les frottements dus à la viscosité du fluide
  • la rugosité des parois de la canalisation ou du tube
  • la variation de vitesse des éléments
  • le diamètre de la conduite

Les deux types de pertes de charge

Les pertes de charge peuvent être de différentes natures :

  • Les pertes de charge régulières ou linéiques : C’est le cas des fluides qui s’écoulent sur des conduites horizontales. Ces pertes de charge dépendent de la longueur de la conduite, de sa rugosité et enfin de la vitesse du fluide en circulation
  • Les pertes de charge singulières : Ici on parle de variations de vitesses des fluides qui circulent dans des pièces spéciales qui vont modifier la direction ou la pression du fluide (vanne, soupape, raccord). Pour les fluides, ces pièces sont appelées des accidents car elles entravent leur circulation.

 

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Même si ces pertes de charge sont opposées par définition, on peut les retrouver conjointes sur certains circuits de canalisation.

C’est le cas par exemple dans un coude arrondi : il y a une perte de charge singulière à cause du coude ce qui implique un changement de direction du fluide mais aussi une perte de charge linéaire due au déplacement du liquide sur la longueur de la surface.

Objectifs du calcul de la perte de charge

Le calcul de la perte de charge en mécanique des fluides est fondamental car il est le point de départ de calcul :

du dimensionnement d’une canalisation en tuyauterie industrielle des caractéristiques des pompes ou ventilateurs ou conduits hydrauliques
Le calcul de la perte de charge donne une unité de pression qui s’exprime en pascal (ΔP) ou en mètre (ΔH).

La méthode de calcul de la perte de charge

Le calcul de la perte de charge globale (ΔP total) sur un circuit donné consiste à additionner le calcul de la perte de charge régulière (ΔH) avec le calcul de la perte de charge singulière (ΔP).

Le calcul de la perte de charge régulière

Pour calculer la perte de charge régulière, nous avons besoin de connaître un certain nombre d’informations au préalable :

Λ : le coefficient de la perte de charge : c’est une valeur sans unité. Il existe différentes formules pour le calculer ou des abaques et ce coefficient dépend du régime d’écoulement (estimé grâce au nombre de Reynolds*)
v  : la vitesse moyenne du fluide dans le tuyau (m/s)
L : la longueur du tuyau (m)
Dh : le diamètre hydraulique (m)
g : l’accélération de la pesanteur (m/s2)
La formule utilisée est  l’équation de Darcy. Soit la formule suivante :

ΔH = Λ ( L/Dh) (v2/2g)

À noter qu’il existe d’autres types d’équations pour le calcul de la perte de charge régulière.

*Le nombre de Reynolds permet de déterminer les régimes d’écoulement du fluide :

  • régime laminaire
  • régime transitoire
  • régime turbulent

On parle alors d’un écoulement laminaire dans une conduite cylindrique. L’écoulement turbulent lui informe des mouvements et se calcule avec l’équation de Colebrook où est visible avec le diagramme de Moody.

La formule du calcul de perte de charge singulière

Comme nous l’avons évoqué dans la première partie, les pertes de charges singulières apparaissent quand il y a une perturbation dans l’écoulement du fluide.

Cela arrive au niveau d’un coude ou d’un raccord par exemple.

Pour calculer la perte de charge singulière, il suffit de s’appuyer sur la formule suivante :

ΔP  = Λ .( p . v2/2)

avec :

ΔP : la perte de charge singulière exprimée en Pascal
Λ : le coefficient de perte de charge singulière sans unité*
ρ : la masse volumique du fluide (kg/m3)
v : la vitesse du fluide (m/s)

*Le coefficient de perte de charge singulière se détermine à l’aide d’abaques.

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