Coefficients de perte de charge
Sommaire de la page:
Longueur équivalente
Relation de Darcy:
H: perte de charge (m)
ΔP: variation de pression (Pa)
ζ: coefficient de perte
de charge singulier
ƒ: facteur
de frottement
L: longueur
de la tuyauterie (m)
D: diamètre de la tuyauterie (m)
U: vitesse du fluide (m/sec)
ρ: masse volumique du fluide (kg/m3)
g: accélération due à la gravité (9,81m/sec²)
La critique qui est faite à cette méthode est que les longueurs équivalentes étant généralement déterminées expérimentalement en régime d'écoulement turbulent, conduisent à une surévaluation de la perte de charge lorsque le régime d'écoulement est laminaire. Cependant cette méthode possède encore ses partisans, préférant faire une erreur par excès plutôt que par défaut.
Coefficients de perte de charge
De nombreuses compilations de coefficients de perte de charge "génériques" sont disponibles. La plupart sont issus d'un document de la Sté Crane, Flow of fluids Technical paper 410, dont la première édition paru en 1942 et qui fut réédité à de nombreuses reprises. Une synthèse des informations importantes est disponible en téléchargement libre sur le site de la société Crane Nuclear.Un autre ouvrage de référence est le Mémento des pertes de charge de I.E. Idel'Cik, initialement publié en russe et dont une traduction française est disponible à la vente.
L'idéal est en fait d'utiliser les caractéristiques de perte de charge fournies par les fournisseurs de chacun des éléments en place. Celles-ci peuvent être exprimées sous la forme de courbes, de coefficients de perte de charge, ou de coefficients de débit Cv pour les vannes et les clapets. La conversion des valeurs de Cv peut être faite en utilisant la relation suivante:
Méthode dite 2K (W. Hooper)
La critique qui est faite aux coefficients de perte de charge génériques, est de ne pas tenir compte du Reynolds de l'écoulement traversant l'obstacle, et d'être généralement constant quel que soit le diamètre.William Hooper proposa en 1981 (The two K method predicts head losses in pipe fittings - Chem. Eng. Aug. 17, 1981) une formulation faisant appel à deux nouveaux coefficients K1 et K∞. Le coefficient de perte de charge est alors calculé par la relation suivante:
Avec cette formulation, K1 est prépondérant pour les Re faibles (régime laminaire) tandis que K∞ devient prépondérant pour les Re élevés (régime turbulent).
Méthode dite 3K (R. Darby)
Ron Darby proposa en 1999 une amélioration de la méthode 2K de Hooper en introduisant un troisième paramètre Kd pour mieux représenter les résultats expérimentaux. Le coefficient de perte de charge est calculé par la relation suivante:Coefficients de pertes de charge
Eléments de tuyauterie
Coefficient de perte
de charge ζ |
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Coudes à 90 deg
soudés![]() |
![]() |
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Coudes à extrémités
filetées
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![]() ![]() |
![]() |
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Réductions![]() |
![]() Si le calcul de perte de charge fait appel à la vitesse du fluide dans les sections de plus grand diamètre, le coefficient ζ2 doit être utilisé. ζ2 = ζ1(d2/d1)4 formules pour convergents (Crane):
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Augmentations de
diamètre![]() |
![]() Si le calcul de perte de charge fait appel à la vitesse du fluide dans les sections de plus grand diamètre, le coefficient ζ2 doit être utilisé. ζ2 = ζ1(d2/d1)4 formules pour divergents (Crane):
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Tés![]() |
ζ2 représente de coefficient de perte de charge pour le fluide allant en ligne droite, et ils se réfèrent au débit total entrant dans le té.
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Tés![]() |
ζ2 représente de coefficient de perte de charge pour le fluide allant en ligne droite, et ils se réfèrent au débit total entrant dans le té. |
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Orifice mince![]() |
formules pour calculateur (Hooper):
Source: Calculate Head Loss Caused by Change in Pipe Size - Chem. Eng. Nov. 7, 1988 |
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Orifice épais
(L/d<5)![]() |
Si L/d >5, le considérer comme la succession
d'une contraction brusque (θ=180 deg), une tuyauterie de diamètre d, et
une augmentation brusque de diamètre. formules pour calculateur (Hooper):
Source: Calculate Head Loss Caused by Change in Pipe Size - Chem. Eng. Nov. 7, 1988 |
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Entrée de
tuyauterie (sortie de réservoir)
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Débouché de tuyauterie (entrée de
réservoir)
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Vannes et clapets
Coefficient de perte
de charge ζ |
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Vanne à soupape
droite (globe valve) ![]() |
si pas de réduction de la section de passage au siège
du clapet:
![]() |
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Vanne à soupape en
équerre![]() |
si pas de réduction de la section de passage au
siège du clapet:
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Vanne à soupape en Y![]() |
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Vanne à opercule (gate valve) ![]() ![]() |
Les vannes à opercule sont disponibles avec deux types d'orifice: - standard ou conventionel; l'orifice est plus petit que la section nominale du raccordement à la tuyauterie. Une zone de rétrécissement fait la liaison entre les deux aussi bien pour l'entrée que pour la sortie. Moins coûteuses, elles seront préférée en l'absence de contrainte de perte de charge. - full bore ou passage intégral; l'orifice de passage est exactement du même diamètre que le raccordement à la tuyauterie.
![]() |
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Vanne papillon (butterfly valve) ![]() |
Les vannes papillon les plus classiques sont dites centrées parce que
le papillon est symétrique et sont axe de rotation est placé exactement
sur l'axe de la vanne. Dans le but d'améliorer l'étanchéité du papillon fermé, certains constructeurs proposent des vannes ayant jusqu'à trois "excentrations": - l'axe de rotation est déplacé à l'arrière du papillon - l'axe de rotation est déplacé en dehors de l'axe de la vanne - le siège sur lequel vient reposer le papillon n'est pas symétrique Ces différences de conception conduisent à des variations significatives du coefficient de perte de charge. Papillon centré
Papillon à double excentration
Papillon à triple excentration
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Vanne à boule (ball valve) ![]() ![]() |
Les vannes à boule sont disponibles avec deux types
d'orifice: - standard ou conventionel; l'orifice est plus petit que la section nominale du raccordement à la tuyauterie. Une zone de rétrécissement fait la liaison entre les deux aussi bien pour l'entrée que pour la sortie. - full bore ou passage intégral; l'orifice de la boule est exactement du même diamètre que le raccordement à la tuyauterie.
Effet de l'angle d'ouverture![]() |
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Clapet anti retour
à disque basculant (tilting check valve) ![]() |
α = 5 deg
α = 15 deg
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Clapet anti retour
à battant (swing check valve) ![]() |
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Clapet anti retour
à clapet (lift check valve) ![]() |
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Echangeurs
Coté calandre![]() pas carré - tubes allignés ![]() |
d'après Kern (1950) la perte de charge coté calandre est principalement due à la restriction de passage entre les tubes. ![]() Re = ρ.Umax.de⁄µf avec: Umax: vitesse maxi du fluide entre deux tubes adjacents de: diamètre équivalent à l'espace entre les tubes de = (4Cpx²-πd²)⁄πd
Pour obtenir le coefficient de perte de charge global de l'échangeur, multiplier le coefficient lu sur le graphe ci-joint par: - le nombre de rang de tubes traversé par le fluide entre deux chicanes- le nombre de fois où le faisceau est traversé (Nchicanes + 1) Si la viscosité du fluide est très sensible aux
variations de température dans l'échangeur, Kern propose la correction
suivante:
La vitesse de référence est la vitesse maximale entre deux tubes adjacents. Pour ramener le coefficient à une vitesse de référence différente, le corriger par le carré du rapport des sections de passage: ζ2=ζ1(S2/S1)2 |
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tubes en quinconce pas triangulaire (30°) ![]() pas carré (45°) ![]() |
![]() |
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Coté intra-tubes![]() |
Appliquer la même méthode que pour les tuyauteries,
sans oublier les coefficients de perte de charge pour
les entrées et les débouchés (une entrée et un débouché pour
chaque passe de tube). Cependant si l'échangeur est inclu dans un réseau dont la perte de charge sera évaluée globalement, calculer un coefficients de perte de charge pour le coté tubes par: ζech = (pζent + pζsort + f L/dt) (Dref/dt)4/ n2 avec: dt: diamètre interne des tubes Dref: diamètre de la tuyauterie prise comme référence pour l'évaluation du réseau L: longueur des tubes f: facteur de frottement pour Re dans les tubes n: nombre de tubes par passe p: nombre de passes coté tubes |
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Echangeur à tubes
concentriques![]() |
La perte de charge dans l'espace annulaire se calcule
comme celle d'une tuyauterie pour laquelle le diamètre est remplacé par
un diamètre équivalent donné par: De = (D22- d12)/(D2 + d1) Pour tenir compte des entrées et sorties ajouter ζ=1,0 par épingle (un aller et un retour) Si l'échangeur est inclu dans un réseau dont la perte de charge sera évaluée globalement, calculer un coefficients de perte de charge pour le coté tubes par: ζech = (pζe/s + f L/De) (Dref/De)4 avec: p: nombre d'épingles ζe/s: coefficient pour les raccordements d'entrées et sorties (=1,0 d'après Kern) L: longueur développée de l'échangeur Dref: diamètre de la tuyauterie prise comme référence pour l'évaluation du réseau f: facteur de frottement pour Re dans l'espace annulaire des tubes |
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Serpentins![]() |
Le fluide en écoulement dans un serpentin subit une
force centrifuge qui provoque au sein du liquide un mouvement
tourbillonnant supplémentaire, qui n'existe pas dans un tube
rectiligne. La perte de charge s'en trouve augmentée. De nombreuse
sources proposent des corrections au facteur de frottement en tube
rectiligne pour tenir compte de ce phénomène. Nous avons choisi ici d'appliquer cette correction à la longueur du tube du serpentin pour en faire une longueur équivalente Leq. Elle peut ainsi être ajoutée aux autres pertes de charge singulières du circuit. La plupart des études qui ont abouti à ce facteur de correction ont été menées sur des tubes lisses. On doit supposer que la même correction s'applique à un tube rugueux. D'après H. ItoFriction factors for turbulent flow in curved pipes, J. Basic Engng. Trans. ASME D 81 (1959) 123-124Leq/L = (1+0,03(d/D)0,5)Re0,25/0,3164 ![]() D'après CraneCrane propose une démarche différente et fourni des coefficients de perte de charge pour coude à 90° de différentes courbures, et une relation pour les sommer et obtenir le coefficient correspondant à un serpentin à n coudes. Pour obtenir la courbe ci-contre, cette relation est transformée en:Leq/L
=
((n-1)(π/8
x D/d
+ leq/2d)
+ leq/d)d/leq
avec:Leq: longueur équivalente du serpentin leq: longueur équivalente d'un coude à 90° L: longueur déployée du tube du serpentin d: diamètre du coude ou du tube du serpentin n: nombre de coudes à 90° constituant le serpentin D: diamètre du serpentin
![]() |
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