Qu’est-ce que la perte de charge ?

Dans le secteur des fluides industriels, la perte de charge est un phénomène bien connu qu’il importe de prendre en compte, spécialement dans les secteurs industriels exigeants. Pour maîtriser la conception d’installations et d’équipements industriels, le calcul de la perte de charge ne peut pas être laissé au hasard. Regardons de plus près de quoi il est question lorsque l’on parle de perte de charge et comment on la calcule précisément.

Perte de charge : définition

On appelle perte de charge, en mécanique des fluides, la chute de pression due aux frottements divers contre les parois d’un tube ou d’une gaine. En résulte une dissipation de l’énergie mécanique du fluide. Il existe deux types de pertes de charge : les pertes linéaires – aussi appelées régulières – et les pertes singulières. Les premières sont la conséquence des frottements sur les parois d’un conduit ou d’une canalisation dont la rugosité peut varier, tandis que les secondes sont imputables aux diverses singularités du réseau comme les coudes, les réductions, les entrées et sorties…

Pourquoi calculer la perte de charge ?

Il existe plusieurs situations où le calcul de la perte de charge peut s’avérer primordial. On s’en sert par exemple pour prévoir le dimensionnement de la tuyauterie industrielle ou encore des pompes industrielles. Pour mesurer la perte de charge globale, il est nécessaire de comprendre la différence entre la perte de charge régulière et la perte de charge singulière et de les additionner.

La perte de charge linéaire

Qu’est-ce que la perte de charge linéaire ?

Vue brièvement plus haut, la notion de perte de charge linéaire, ou perte de charge régulière, est causée par les frottements sur les parois courantes du réseau. Mais elle est aussi due à la viscosité du fluide qui peut avoir tendance à coller aux parois des tuyaux et conduites. Les macro-aspérités du réseau, telles que les branchements, les échelles, les câbles… relèvent des pertes de charge linéaires. Les pertes de charge linéaires dépendent de deux choses : de la rugosité interne des conduites que le fluide traverse et du type d’écoulement. Pour le type d’écoulement, on parle du nombre de Reynolds. Celui-ci détermine le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses. En outre, il fonde un des paramètres majeurs pour prévoir la condition de l’écoulement. L’écoulement peut ainsi être défini comme laminaire, transitoire ou turbulent.

Comment calculer la perte de charge linéaire ?

En tuyauterie industrielle, on calcule les pertes de charge linéaires par la formule suivante :

Voici le détail de la signification des symboles :

• Δp est la perte de charge linéaire en Pa.
• Λ est le coefficient de perte de charge ; il s’agit d’une valeur sans unité.
• ρ représente la masse volumique de l’eau en kg/m³.
• v est la vitesse moyenne d’écoulement du fluide en mètres par seconde.
• D correspond au diamètre hydraulique du tube en mètres.
• Enfin, pour L, il s’agit de la longueur du tuyau en mètres.

D’autres formules et équations existent pour calculer la perte de charge régulière comme l’équation de Darcy par exemple. La voici :

Δp = Λ/D .p·v2/2 .L

Avec, en plus des autres unités précédemment expliquées, le diamètre hydraulique noté  – qui se calcule en mètres – et l’accélération de la pesanteur que l’on consigne  et qui est mesurée en mètres par seconde au carré (m/s²).

La perte de charge singulière

Qu’est-ce que la perte de charge singulière ?

Les pertes de charge singulières se produisent lorsqu’il y a une modification géométrique des conduites par lesquelles le fluide s’écoule. Ces modifications géométriques perturbent l’écoulement normal du fluide, peuvent provoquer le décollement du fluide des parois des différents tronçons, voire occasionner des tourbillons à l’intérieur de la conduite. Sont généralement recensés comme causes de perte de charge singulière les changements de direction ou de section des canalisations comme les coudes, les branchements et les raccordements en T, les vannes et robinets, les appareils de mesure, les rétrécissements et variations de section, les clapets, filtres, diaphragmes…

Comment calculer la perte de charge singulière ?

Afin de déterminer les pertes de charge singulières – dues comme on l’a vu plus haut à des bouleversements dans l’écoulement d’un fluide dans un conduit –, il est nécessaire de passer par un calcul. Ce calcul se fait à partir de la formule suivante :

ΔP = Λ .( p .v2/2)

Pour information, on notera que :

• ΔP signifie la perte de charge singulière exprimée en pascal.
• Λ marque le coefficient de perte de charge singulière sans unité de valeur.
• ρ représente la masse volumique du fluide en kilogrammes par mètre cube.
• v symbolise la vitesse du fluide en mètres par seconde.

Enfin, il faut mentionner que le coefficient de perte de charge singulière se calcule au moyen d’abaques. Un abaque est un graphique, ou un diagramme, qui permet d’approcher la solution d’un problème numérique par simple lecture de celui-ci.