Lors de la conception d'un système hydraulique, il est particulièrement important de prendre en compte les pertes de charge car elles influencent à la fois l'efficacité hydraulique et les économies d'énergie.
- La dynamique des fluides entraîne une perte de pression inévitable le long du réseau.
- Longueur et diamètre des tuyaux, vitesse et coefficient de frottement : de nombreux facteurs doivent être pris en compte.
- Il est important de considérer à la fois les pertes de charge réparties et les pertes concentrées.
- Les diagrammes et les tableaux aident à calculer les pertes de charge et à concevoir pratiquement le système.
Tableaux et diagrammes pour les pertes de charge : une aide pour le concepteur
Les pertes de charge sont un phénomène observé dans tout circuit hydraulique. C'est la dynamique même des fluides qui entraîne une perte de pression due à la fois au frottement généralisé le long de tout le réseau d'écoulement et à la présence d'éléments - par exemple une vanne ou une courbe - qui créent une résistance à l'écoulement. Dans le premier cas, on parle de pertes de charge réparties, dans le second de pertes de charge localisées.
Lors de la conception d'un système hydraulique, il est essentiel de prendre en compte les pertes de charge et de les calculer avec précision. Ce n'est qu'ainsi qu'il est possible de dimensionner correctement le système et de garantir le débit requis.
Pour ce faire, il existe des tableaux et des diagrammes qui permettent de mesurer les pertes de charge et de concevoir ainsi efficacement son système.
Pertes de charge réparties : facteurs déterminants
En ce qui concerne les pertes de charge réparties, plusieurs concepts de base peuvent être identifiés. Les pertes de charge représentent une chute de pression qui correspond à l'énergie potentielle perdue sous forme de chaleur par le fluide pour surmonter le frottement rencontré le long de la conduite.
Les pertes de charge dépendent des dimensions des tuyaux (longueur et diamètre), de la viscosité et de la vitesse du fluide, ainsi que de la rugosité de la surface intérieure des tuyaux. En particulier, les pertes de charge sont :
- Directement proportionnelles à la longueur du tuyau : elles augmentent avec la longueur de la conduite ;
- Inversement proportionnelles au carré du rayon de la section : si le diamètre diminue, les pertes de charge augmentent considérablement pour un débit constant ;
- Directement proportionnelles à la vitesse du fluide : plus le fluide s'écoule rapidement, plus l'énergie est dissipée. À diamètre de tuyau égal, plus la vitesse augmente, plus les pertes de charge augmentent ;
- Directement proportionnelles à la viscosité du liquide et à la rugosité des tuyaux.
Coefficient de frottement et diagramme de Moody.
La formule qui combine tous ces éléments est la loi de Darcy. Selon cette formule, la perte de charge est donnée par le rapport entre le produit du carré de la vitesse par un coefficient de résistance ou facteur de frottement et le double du diamètre de la conduite. Le coefficient de résistance dépend à son tour de la rugosité du tuyau et du nombre de Reynolds, une valeur sans dimension proportionnelle au rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses. Le nombre de Reynolds permet de distinguer entre un écoulement laminaire et un écoulement turbulent.
Pour connaître le coefficient de frottement, on peut utiliser le diagramme de Moody. Dans ce diagramme, les abscisses indiquent les valeurs du nombre de Reynolds, les ordonnées le coefficient de frottement, et les différentes courbes les valeurs de rugosité.
Quelle est donc l'utilité du diagramme de Moody ?
En connaissant la valeur du nombre de Reynolds et la rugosité relative de la conduite, le diagramme permet de déterminer le facteur de frottement qui permet à son tour de calculer les pertes de charge réparties.
Naturellement, pour faciliter le calcul des pertes de charge, à partir des lois physiques et des formules correspondantes, des tableaux et diagrammes prêts à l'emploi ont été créés. En général, les diagrammes de pertes de charge sont développés sur une échelle logarithmique et indiquent les pertes de charge sur les abscisses et les débits sur les ordonnées. Les diamètres des tuyaux et les vitesses de l'eau sont représentés par des faisceaux de droites perpendiculaires entre elles.
Lorsque les pertes de charge sont localisées
Outre les pertes de charge réparties, il faut également considérer les pertes de charge localisées ou concentrées. Les principes physiques qui déterminent la perte de pression ne changent pas et il est possible d'utiliser la méthode des longueurs équivalentes pour le calcul. En pratique, on fait correspondre la perte de charge concentrée à la longueur de tuyau qui donnerait la même perte de charge. Une méthode plus précise consiste toutefois à utiliser le coefficient Kv ou coefficient de débit.
Ce coefficient définit le débit d'eau traversant le composant avec une pression différentielle de 1 bar, mettant ainsi en relation le débit et la perte de charge.
Des tableaux avec les coefficients de débit des principaux composants des réseaux hydrauliques sont disponibles. Cependant, il est important de noter que le type de produit peut faire la différence. Toutes les vannes, par exemple, n'ont pas le même coefficient de débit. Certaines vannes garantissent des pertes de charge minimales et peuvent donc avoir un impact significatif sur les économies d'énergie.
