Perché la curva della testa di attrito è un componente del sistema più difficile

Il mese scorso abbiamo trattato le prime due parti del calcolo della curva di resistenza del sistema, ovvero la prevalenza statica totale e la prevalenza. Queste due parti dell'equazione totale sono entrambe indipendenti dal flusso. Questo mese affronteremo la terza e più difficile componente, la curva del carico di attrito, che dipende dal flusso. Non confondere i termini dipendente e indipendente con variabile e costante.

Per i nostri calcoli, assumeremo che le proprietà del liquido siano Newtonion, il che significa che la viscosità non cambierà con la portata e stiamo considerando solo un tubo circolare.

Prima di iniziare, sono costretto a condividere che sono disponibili diversi calcolatori e app online per assisterti nel calcolo della curva di resistenza del sistema. Sono disponibili anche programmi premium (software commerciale) a pagamento. Il software commerciale è particolarmente utile quando si incontrano sistemi sofisticati con circuiti derivati, circuiti di tubi di varie dimensioni, pompe parallele, ugelli e numerosi componenti, come scambiatori di calore, che richiedono un bilanciamento termico variabile. Le app e i calcolatori sono normalmente gratuiti ma hanno dei limiti e sono limitati a sistemi semplici. A chi non lo sapesse, il costo del programma commerciale può sembrare elevato, ma, secondo la mia esperienza, vale ogni centesimo. Quando si considera il prezzo del programma premium, è necessario valutare anche il rischio e il costo esistenziale di non farlo correttamente. Indipendentemente dal prezzo, se intendi utilizzare una qualsiasi app o programma, è comunque importante comprendere i concetti alla base dei processi di base e questa colonna può aiutarti se il processo è manuale o computerizzato.

Quando si forza un liquido ad una portata specifica attraverso un certo tratto di tubo, c'è sempre un attrito risultante (misurato in piedi di liquido) che deve essere superato per portare a termine il processo. L'attrito è dovuto alle sollecitazioni di taglio viscose nel liquido e alla rugosità della superficie interna del tubo. Pensate al processo di flusso come a una strada a pedaggio in quanto, per un dato diametro e lunghezza del tubo, è associato un costo per pompare un volume specifico di liquido per unità di tempo. Il tributo del sistema, come qualsiasi tassa, deve essere pagato secondo le leggi della scienza e della natura, e non c’è modo di aggirare tale tassa. Tuttavia, esistono metodi intelligenti per mitigare il costo, come la scelta del diametro del tubo e dei materiali di costruzione adeguati. Un altro modo per ridurre il pedaggio è progettare il sistema per semplicità geometrica. I tratti rettilinei di tubi non ingombrati sono quanto di più vicini a una corsia preferenziale si possa ottenere su questa strada a pedaggio. Tutti i componenti del sistema di tubazioni richiederanno inoltre un pedaggio ancora più elevato rispetto alle tubazioni. Gomiti, valvole, raccordi a T, filtri, scambiatori di calore, riduttori, ugelli e persino cambiamenti nelle dimensioni dei tubi richiederanno tutti il ​​loro contributo. Per mitigare i costi di attrito è sufficiente ridurre al minimo gli accessori totali e/o scegliere componenti più efficienti. Un esempio di ciò potrebbe essere quello dei gomiti a raggio lungo rispetto a quelli a raggio corto. Sono inoltre disponibili scelte efficienti di geometria dei componenti e delle tubazioni, come stella al posto dei raccordi a T e valvole a porte complete, ove possibile/pratico.

Esistono tre metodi comuni per calcolare la curva di attrito per il tuo sistema:

Fattore K (coefficienti di resistenza) normalmente indicato come K.

Cv (coefficiente di flusso)

Metodo della lunghezza equivalente (L/D). Le unità sono i piedi e il simbolo = Le

Ci concentreremo sul metodo della lunghezza equivalente in questa colonna. È l'approccio più semplice e produrrà risultati affidabili se eseguito correttamente. Attenzione: il metodo della lunghezza equivalente può talvolta dare come risultato una curva di sistema che appare più restrittiva sulla carta di quanto non sia in realtà, soprattutto se le velocità del liquido rientrano nelle regioni laminari inferiori. Di conseguenza, questo metodo può portare ad una scelta di pompe più grande del necessario. Se comprendi il rischio, puoi mitigare il problema.

L'approccio del fattore K produrrà una precisione incrementale rispetto al metodo della lunghezza equivalente, ma i calcoli sono più noiosi. L'approccio del fattore K sarà il più accurato dei due approcci; il grado di precisione dipende dalla progettazione del sistema e dal corrispondente intervallo di velocità del liquido.