Cos'è la rugosità relativa e assoluta?

Rugosità relativa e rugosità assoluta Questi sono due termini utilizzati per descrivere l'insieme di irregolarità esistenti all'interno dei tubi commerciali che trasportano fluidi. La rugosità assoluta è il valore medio o medio di queste irregolarità, tradotto nella variazione media del raggio interno della pipeline.

La rugosità assoluta è considerata una proprietà del materiale utilizzato e di solito è misurata in metri, pollici o piedi. D'altra parte, la rugosità relativa è il rapporto tra la rugosità assoluta e il diametro del tubo, quindi una quantità non dimensiva.

Figura 1. Tubi di rame. Fonte: Pixabay.

La rugosità relativa è importante in vista del fatto che la stessa rugosità assoluta ha un effetto più marcato sui tubi sottili che in grande.

Ovviamente la rugosità dei tubi collabora con attrito, che a sua volta riduce la velocità con cui il fluido si muove al loro interno. In tubi molto lunghi, il fluido potrebbe persino smettere di muoversi.

Pertanto è molto importante valutare l'attrito nell'analisi del flusso, poiché per mantenere il movimento è necessario applicare la pressione dalle pompe. Compensare le perdite rende necessario aumentare la potenza delle pompe, influendo sui costi.

Altre fonti di perdite di pressione sono la viscosità del fluido, il diametro del tubo, la sua lunghezza, i possibili restrizioni e la presenza di valvole, chiavi e gomiti.

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Origine della rugosità

L'interno del tubo non è mai completamente liscio e morbido a livello microscopico. Le pareti hanno irregolarità sulla superficie che dipendono in gran parte dal materiale con cui sono realizzate.

figura 2. Rugità all'interno di un tubo. Fonte: sé realizzato.

Inoltre, dopo essere stato in servizio, la rugosità è aumentata a causa delle incrostazioni e della corrosione causate dalle reazioni chimiche tra materiale del tubo e fluido. Questo aumento può variare tra 5 e 10 volte il valore della rugosità della fabbrica.

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I tubi commerciali indicano il valore della rugosità in metri o piedi, anche se ovviamente saranno validi per i tubi nuovi e puliti, perché non appena il tempo passa, la rugosità cambierà il suo valore di fabbrica.

Valori di ruvidezza per alcuni materiali commerciali

Di seguito sono riportati i valori di rugosità assoluta comunemente accettati per i tubi commerciali:

- Rame, ottone e piombo: 1.5 x 10 ^-6 M (5 x 10 ^-6 piedi).

- Senza rivestimento in ferro: 2.4 x 10 ^-4 M (8 x 10 ^-4 piedi).

- Fronto forgiato: 4.6 x 10 ^-5 M (1.5 x 10 ^-4 piedi).

- Acciaio rivettato: 1.8 x 10 ^-3 M (6 x 10 ^-3 piedi).

- Acciaio commerciale o acciaio saldato: 4.6 x 10 ^-5 M (1.5 x 10 ^-4 piedi).

- Ghisa coperta di asfalto: 1.2 x 10 ^-4 M (4 x 10 ^-4 piedi).

- Plastica e vetro: 0.0 m (0.0 piedi).

La rugosità relativa può essere valutata conoscendo il diametro del tubo fatto con il materiale in questione. Se indica la rugosità assoluta come E e per diametro come D, La rugosità relativa è espressa come:

E_R = E /D

L'equazione precedente è un tubo cilindrico, ma in caso contrario, la grandezza chiamata può essere utilizzata Radio idraulico, in cui il diametro è sostituito dal quadruplo di questo valore.

Determinazione della rugosità assoluta

Per trovare la rugosità dei tubi, sono stati proposti vari modelli empirici che tengono conto di fattori geometrici come la forma di irregolarità nelle pareti e la loro distribuzione.

Nel 1933 l'ingegnere tedesco J. Nikuradse, studente di Ludwig Prandtl, copriva tubi con grani di sabbia di diverse dimensioni, i cui diametri noti sono una rugosità precisamente assoluta E. Nikuradse ha gestito i tubi per i quali i valori di e/d Hanno variato da 0.000985 e 0.0333,

In questi esperimenti ben controllati, le rugosità sono state distribuite uniformemente, il che non accade nella pratica. Tuttavia questi valori di E Sono ancora un buon approccio per stimare come influenzeranno le perdite di attrito.

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La rugosità indicata dal produttore di una pipa è in realtà equivalente al creato artificialmente, come hanno fatto Nikuradse e altri sperimentatori. Per questo motivo è talvolta noto come Sabbia equivalente (sabbia equivalente).

Flusso laminare e flusso turbolento

La rugosità del tubo è un fattore molto importante da considerare secondo il regime di movimento che il fluido ha. I fluidi in cui la viscosità è rilevante possono muoversi in un regime laminare o turbolento.

Nel flusso laminare, in cui il fluido si muove ordinatamente negli strati, le irregolarità sulla superficie del tubo hanno meno peso ed è per questo che di solito non vengono prese in considerazione. In questo caso è la viscosità del fluido che crea tensioni di taglio tra gli strati che causano perdite di energia.

Esempi di flusso laminare sono un getto d'acqua che esce dal rubinetto a bassa velocità, il fumo che inizia a germogliare da una bacchetta su incenso acceso o l'inizio di un getto di inchiostro iniettato in una corrente d'acqua, come determinato nel 1883.

D'altra parte, il flusso turbolento è meno ordinato e più caotico. È un flusso in cui il movimento è irregolare e non molto prevedibile. Un esempio è il fumo della bacchetta di incenso quando smette di muoversi delicatamente e inizia a formare una serie di rotoli irregolari chiamati turbolenza.

Il parametro numerico dimensionale chiamato reynolds n numero_R Indica se il fluido ha uno o un altro regime, secondo i seguenti criteri:

Senza_R < 2000 el flujo es laminar; Si N_R > 4000 Il flusso è turbolento. Per i valori intermedi il regime è considerato transizione e il movimento è instabile.

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Il fattore di attrito

Questo fattore consente di trovare la perdita di energia di attrito e dipende solo dal numero di Reynolds per un flusso laminare, ma nel flusso turbolento, è presente la rugosità relativa.

Sì F È il fattore di attrito, c'è un'equazione empirica per trovarlo, chiamata equazione di Colleebrook. Dipende dalla rugosità relativa e dal numero di Reynolds, ma la sua risoluzione non è semplice, poiché F Non è esplicitamente dato:

Ecco perché sono state create curve come il diagramma Moody, che facilitano il valore del fattore di attrito per un numero di Reynolds e una rugosità relativa data. Empiricamente hanno ottenuto equazioni che hanno F Esplicitamente, che sono abbastanza vicini all'equazione di Colebrook.

L'invecchiamento dei tubi

Esiste una formula empirica per valutare l'aumento della rugosità assoluta prodotta dall'uso, conoscendo il valore della rugosità assoluta della fabbrica E_O:

e = e_O + αT

Dove E È la rugosità dopo T Anni trascorsi e α è un coefficiente con unità m/anno, pollici/anno o piede/anno Aumento annuale di rossalità.

Inizialmente è stato dedotto per i tubi in ghisa ma funziona bene con altri tipi di tubi in metallo non rivestito. In questi il ​​pH del fluido è importante in termini di durata, poiché le acque alcaline riducono notevolmente il flusso.

D'altra parte.

Riferimenti

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