Avere impianti efficienti porta ad un vantaggio ecologico, ma anche a grandi vantaggi economici; un impianto di movimentazione risulta efficiente se viene progettato cercando di ridurre, per quanto possibile, le perdite di carico.

Le perdite di carico (Δp) indicano la parte di energia potenziale perduta dal liquido (che si trasforma in calore) per vincere l’attrito che incontra scorrendo dentro. Esse dipendono:

  1. Dalla rugosità della superficie interna dei tubi.
  2. Dalla viscosità del fluido.
  3. Dalla velocità del fluido.
  4. Dalle dimensioni geometriche della tubazione.

Tipologie di perdite di carico

Il fluido circolando all’interno dell’impianto incontra una serie di resistenze: restringimenti e curve dei condotti, valvole, filtri… che determinano la dissipazione di energia di pressione in energia termica. Queste resistenze altro non sono che le “perdite di carico (Δp)”. Esse possono essere classificate come:

  • Perdita di carico distribuita
  • Perdita di carico concentrata

Perdita di carico distribuita

1. perdita di carico distribuita

Dove:
𝚫𝐩 = perdita di carico in bar
𝛒 = densità del fluido in kg/m³;
𝛌 = numero (coefficiente) di resistenza
v = velocità media del fluido nella condotta in m/s
L = lunghezza della condotta in m.
d = diametro della condotta in mm.

Dalla formula possiamo notare che le perdite aumentano all’aumentare della lunghezza del tubo e alla diminuzione del diametro.

Inoltre se il diametro diminuisce, le perdite di carico aumentano considerevolmente a parità di portata e se la portata aumenta, si ha una velocità v più elevata.

Il valore 𝛌, che indica un coefficiente di resistenza, deve essere calcolato in base al tipo di perdita di carico e al regime di flusso che si instaura: laminare, turbolento o transitorio. Con regime laminare si intente che ogni piccolissima parte del fluido scorre parallelamente all’asse del tubo a una velocità costante mentre se il regime è turbolento le piccolissime parti del fluido scorrono con direzioni e velocità variabili, formando delle turbolenze.

Una maniera più rigorosa per determinare il regime di moto è utile valutare il numero di Reynolds:

𝐑𝐞 = 𝐕 ∙ 𝐝 ∙ 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝛎

(dove: V (m/s) = velocità media dell’olio nel tubo d (mm) = diametro interno del tubo 𝛎 (mm² /s) = viscosità cinematica (cSt))

Questo valore adimensionale divide i moti nel seguente modo: Re < 1400 moto laminare, Re >2300 moto turbolento, tra Re compreso tra 1400 e 2300 moto transitorio.

Perdita di carico concentrata

La perdita di carico localizzata è presente in due condizioni:

  • Alla presenza di elementi singoli del piping (incroci, confluenze, variazioni di sezione, curve ecc.)
  • Alla presenza di componenti funzionali (valvole, distributori, filtri ecc.)

In questi punti il fluido subisce variazioni brusche di direzione e di velocità dovute all’attrito e alla turbolenza. Ciò causa dissipazioni di energia di pressione in energia termica con notevoli aumenti di temperatura. In generale la formula per il calcolo delle perdite di carico localizzate è data da:

∆𝐩 = 𝐊 ∙ 𝛒 ∙ 𝐯 𝟐 𝟐 ∙ 𝟏𝟎𝟎 (𝐛𝐚𝐫)

Dove il valore di K o 𝛂 è determinato sperimentalmente, v (m/s) è la velocità del fluido prima della strozzatura o deviazione, 𝛒 è la densità del fluido (kg / dm³).

Perdite di carico nelle pompe

Maggiore è la somma tra perdite di carico distribuite e perdite di carico concentrate, maggiore sarà l’energia che la pompa dovrà fornire al fluido. Questa energia non sarà convertita in lavoro utile ma, una parte sarà dissipata in calore.

Per diminuire l’energia dissipata e quindi abbassare il costo di funzionamento di una pompa occorre, ad esempio:

  • Ridurre la lunghezza delle condotte.
  • Diminuire il numero di raccordi, curve, ecc.
  • Diminuire la portata di lavoro.
  • Aumentare il diametro delle condotte.
  • Utilizzare fluidi alla viscosità più bassa possibile.
  • Utilizzare dei materiali con basse rugosità di lavorazione.

In aggiunta alle perdite dell’impianto, anche all’interno della pompa stessa ci sono delle perdite. Le perdite idrauliche sono determinate da fenomeni di dissipazione di energia conseguente a urti, deviazioni e attriti del liquido in movimento nell’interno della macchina.

Le perdite per urto, invece, sono legate allo scostamento dei triangoli di velocità reali da quelli di progetto (teorici), che provoca l’urto della corrente fluida sulla palettatura. Occorre osservare che questo fenomeno si attenua in corrispondenza della portata nominale e aumenta per le condizioni di off-Design.

Le perdite per urto si verificano all’ingresso della girante quando la velocità relativa del fluido presenta un angolo diverso da quello costruttivo. L’entità delle perdite per urto risulta proporzionale al quadrato della relativa in ingresso, e al quadrato della differenza tra l’angolo reale e l’angolo costruttivo.

Per limitare le perdite idrauliche all’interno della macchina, in fase di progettazione occorre focalizzarsi su due temi fondamentali:

  • Ingresso del liquido senza urti
  • Uscita del liquido con la minima velocità