21.8 : Perdite di Carico Concentrate nei Tubi

Nei sistemi di tubi, le perdite di carico concentrate, si riferiscono alle perdite di energia derivanti da componenti quali valvole, curve, raccordi, espansioni e altre caratteristiche che interrompono il flusso costante del fluido. Queste perturbazioni causano la dissipazione di energia attraverso turbolenza e resistenza, che gli ingegneri quantificano per gestire efficacemente l'efficienza del sistema.

Le valvole svolgono un ruolo significativo nel generare perdite di carico concentrate, ostruendo o reindirizzando il flusso del fluido. Quando una valvola è chiusa o parzialmente chiusa, limita il percorso del flusso, creando ulteriore resistenza e inducendo turbolenza. La dissipazione di energia risultante dipende dalla geometria, dalla posizione e dalla progettazione del percorso del flusso della valvola. Per quantificare questo effetto, gli ingegneri utilizzano un coefficiente di perdita, K, che varia proporzionalmente al quadrato della velocità del fluido V come segue:

dove:

• h_L minore è la perdita di carico dovuta al componente,
• K_L è il coefficiente di perdita specifico della geometria del componente,
• V è la velocità del fluido
• g è l'accelerazione dovuta alla gravità.

Per semplificare i calcoli, gli ingegneri spesso rappresentano piccole perdite da raccordi e valvole, come una lunghezza equivalente di tubo dritto che produrrebbe la stessa perdita di carico.

Nel punto di ingresso di un tubo, spigoli vivi o bruschi cambiamenti nell'area di flusso, possono causare la separazione del fluido dalla parete, creando turbolenza e dissipazione di energia attraverso effetti viscosi. Questa perdita di ingresso contribuisce alla perdita di energia complessiva, a seconda della geometria del tubo e della velocità del flusso. Quando il fluido esce da un tubo, l'energia cinetica si disperde nell'ambiente circostante, creando una perdita di uscita caratterizzata da un coefficiente di perdita unitario, poiché tutta l'energia cinetica viene persa dal sistema.

Le espansioni improvvise nel tubo creano getti ad alta velocità che decelerano mentre si espandono, dissipando energia attraverso effetti viscosi. Queste espansioni portano a ulteriori perdite di energia poiché il fluido subisce bruschi cambiamenti di pressione e velocità. Anche le curve nel tubo contribuiscono alla perdita di carico, principalmente a causa della separazione del flusso e dei movimenti vorticosi indotti dalle forze centripete quando il fluido cambia direzione. La resistenza all'attrito lungo la lunghezza della curva aumenta ulteriormente la perdita di carico complessiva, con un grado di perdita che dipende dall'angolo di curvatura e dal raggio.

La comprensione di queste piccole perdite, consente agli ingegneri di progettare sistemi di tubazioni che gestiscono efficacemente la dissipazione di energia, ottimizzando l'efficienza del flusso e riducendo al minimo le cadute di pressione nel sistema.