Ridurre le perdite di carico negli impianti industriali è importante per risparmiare e per ridurre l’impatto ambientale.
Le perdite di carico (Δp) sono la parte di energia potenziale perduta dal liquido per vincere l’attrito che incontra scorrendo all’interno dell’impianto.
Il fluido, circolando all’interno dell’impianto incontra una serie di resistenze: restringimenti e curve dei condotti, valvole… che determinano la dissipazione di energia di pressione in energia termica.

Il fenomeno è dunque legato alle caratteristiche delle tubazioni o del liquido che scorre all’interno:
Rugosità della superficie interna dei tubi.
Viscosità del fluido.
Velocità del fluido.
Dimensioni geometriche della tubazione.
Tra le perdite di carico possiamo distinguere: le perdite di carico distribuite e le perdite di carico concentrate.

Perdita di carico distribuita

La perdita di carico distribuita aumenta 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; se la portata aumenta, si ha una velocità più elevata.

Viene espressa dalla legge di Darcy:

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.

Dove:
Δp = perdita di carico in bar
p;
p= densità del fluido in kg/m³;
lambda = 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.

Il 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. Un regime si definisce turbolento quando le piccolissime parti del fluido scorrono con direzioni e velocità variabili, formando appunto delle turbolenze.

Perdita di carico concentrata

La perdita di carico localizzata si verifica in due condizioni: in presenza di elementi singoli del piping, come incroci, confluenze, variazioni di sezione, curve ecc., oppure in 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 ∙ p ∙ v2 2 ∙ 100 (bar)

Dove il valore di K è determinato sperimentalmente,
v (m/s) è la velocità del fluido prima della strozzatura o deviazione,
p 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. Parte di questa energia non sarà convertita in lavoro utile, ma sarà dissipata in calore.

Appare evidente che diminuire l’energia dissipata permette di abbassare il costo di funzionamento di una pompa.

Per farlo è possibile:
• 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 sono invece legate allo scostamento dei triangoli di velocità reali da quelli di progetto (teorici), che provoca l’urto della corrente fluida sulla palettatura. 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 sull’ingresso e sull’uscita del liquido: l’ingresso deve avvenire senza urti, mentre l’uscita deve avvenire alla minima velocità.