Dimensionner des conduits de fluides (aéraulique hydraulique)

Bien dimensionner un tuyau ou un conduit dans un réseau hydraulique ou aéraulique, que l'on fasse de la plomberie artisanale ou l'étude d'un réseau industriel est un problème incontournable. Les réseaux de distribution de fluides, liquides ou gaz, air ou eau, sont étudiés de manière à fournir le débit souhaité avec le minimum de cout de pose, d'entretien et d'exploitation. Le bruit des turbulences du fluide dans les conduits est aussi une nuisance à prendre en compte.

Ce qui veux dire que les dimensions des conduits doivent être étudiées avec précision.

• Le diamètre ou la section à prendre en compte:

Les dimensions des tuyaux ou tubes d'un réseau hydraulique ou aérauliques sont généralement calculées en fonction du débit souhaité de fluide à transporter. Le diamètre des conduits est en général la dimension recherchée. Pour les conduits non circulaires, de section rectangulaires ou oblongues, on utilise les diamètres équivalents, diamètres iso cinétiques ou diamètres hydrauliques. Ceci permet de calculer les pertes de charges, débits, ou vitesses de fluides des conduits non circulaires comme si ils étaient circulaires.

Interface d'aide au choix de conduites en fonction du débit (intégrée à MECAFLUX standard):

Cette interface permet de mettre en évidence le diamètre de conduite idéale pour un débit donné. On sélectionne dans la liste des séries usuelles du commerce une série que l'on désire tester, on choisi ensuite le fluide et sa température dans la liste des fluides (120 fluides liquides et gaz sont déjà prés a être utilisés avec leur données de viscosité et densité).

• le diamètre influence la vitesse dans les conduits et les couts d'exploitation:

Et oui, limitation de vitesse sous peine d'amende...Mais pas trop lentement quand même

C'est le facteur déterminant. Une vitesse élevée du fluide entraine des turbulences à l'intérieur des tuyaux.

Ces turbulences sont la conséquence de frottement sur la surface intérieur du tube. Imaginons (juste un instant) être une particule de fluide faisant du rafting dans un conduit. Au contact direct des bords, le fluide est plus ou moins "coincé, freiné" dans les rugosités du conduit. Plus ce fluide est visqueux plus la particule collée contre la paroi s'accroche à ses copines en leur criant "attendez moi!". Alors que les particules qui se trouvent tranquillement au milieu de la rivière avancent à fond la caisse. Ces différences de vitesses, et la viscosité du fluide, détournent les particules du chemin le plus court (la ligne droite), et l'énergie qui au départ devait servir à aller d'un point à un autre, est ainsi gaspillée en joyeuse ballade de copines criant leur joie dans les gorges du Verdon...

En bref plus on va vite, plus on consomme de l'énergie et plus cela fait du bruit. Pour déplacer le fluide il faudra donc une pompe plus puissante (investissement plus cher) et plus gourmande (exploitation couteuse)

Pour réduire la vitesse(donc la consommation d'énergie) sans réduire le débit, il faut donc augmenter le diamètre.

Attention, pour certains cas une trop faible vitesse peut être nuisible: Lorsque le fluide est chargé de particules plus lourdes, (aspiration de copeaux, eaux pluviales...) Une vitesse minimum est nécessaire au transport de ces particules. Sinon elles tombent dans le fond et s'entassent. Si elles se collent entre elles, le conduit est réduit et peut devenir trop étroit pour un débit augmentant. (débordement ou brusque montée de pression aux bouchons) Cette vitesse minimum est la vitesse de sédimentation

Un inconvénient aux diamètres importants: LE PRIX ,les tuyaux sont plus chers à l'achat, au transport, à la pose, en encombrement(profondeur des tranchée)

Répartition des coûts d'une installation de distribution d'air

• La matière la rugosité le prix d'achat et le prix de revient de la conduite:

Au niveau efficacité et rendement d'une installation la matière de la conduite joue son rôle.

La rugosité de la matière donnée à l'achat évolue dans le temps suivant le fluide transporté (agressif, oxydant, acide, chargé de matière abrasives..) et les conditions d'exploitation (constamment en eau ou avec des temps d'exposition a l'air oxydant..)

évolution des coûts d'une installation en fonction des débits avec l'outil d'analyse graphique de mecaflux

Une conduite peut devenir ainsi d'une rugosité coûteuse en énergie d'exploitation et voir son prix réel décupler au cours du temps. Le temps d'exploitation est donc à comparer à l'évolution de la rugosité lors de l'étude du prix d'achat

Quelque exemples de rugosités suivant les années et conditions d'exploitation

• Le débit volumique:(vitesse x section x volume) en m3/h

C'est souvent cette donnée qui est imposée et qui détermine les dimensions des conduits.

Pour les fluides compressibles (gaz ou air):

Les gaz étant compressibles, il est possible de transformer un volume d'une même quantité de gaz en le comprimant ou en changeant sa température. Il devient alors très difficile de parler d'une quantité de gaz en volume sans donner la pression et la température du gaz au moment ou le volume à été mesuré.. Il serait compliqué de donner une température et une pression à chaque fois que l'on parle d'un volume de gaz, alors la température et cette pression au moment de la mesure du volume est normalisé à des conditions dites normales. On parle alors de volumes normaux (Nm3) et de débit normaux (Nm3/h) en savoir plus sur les normaux m3.

Attention, il existe deux normes et donc des possibilités d' erreurs dans les conversions:

pression identique de 1013 hectopascals(pression atmosphérique moyenne) pour les 2 normes

DIN 1343 : une temperature de 273.15K (0ºC)
ISO 2533 : une temperature de 288.15K (15ºC)

en savoir plus sur les normaux m3

Pour les calculs de pertes de charge, les dimensions des volumes de gaz (comprimés ou non) déplacés dans les conduits doivent être données en mètres cubes(m3).

Pour résumer:

La vitesse maximum d'un fluide dans un conduit est donc déterminée par la perte de charge qu'elle provoque. Cette perte de charge "admissible" pour que le conduit ne soit pas bruyant ou ne génère pas de surcout d'exploitation (énergie et pompage) doit rester inférieure à 20 mm/m de perte de charge linéique.(pour les liquides)

La vitesse minimum d'un fluide dans une conduite est souvent déterminée par la vitesse de sédimentation des particules en suspension dans le fluide. La vitesse minimum est aussi fixée par le prix des conduits et de leur pose. En effet une vitesse lente amène de faible coûts d'exploitation et de pompage, mais les grand diamètres des conduites, assurant cette faible vitesse, sont coûteux à l'achat et à la pose. On considère en pratique qu'une perte de charge linéique de 15 mm/m est un bon compromis entre diamètre de conduit et dépense énergétique.

Pour trouver le bon compromis entre prix d'achat, pose, installation ,exploitation, pompage, rugosité et stock du commerce, Une interface d'aide au dimensionnement des conduits aéraulique ou hydrauliques est donc intégrée à MECAFLUX.

L'interface de dimensionnement des conduits balaye une liste choisie de tuyaux et signale le choix le plus pertinent en matière d'économie d'énergie et de coûts d'installation d'après les pertes de charges provoquées suivant le débit imposé. Le diagnostique est juste indicatif et le choix peut être différent suivant la stratégie d'amortissement ou la durée d'exploitation escomptée. La donnée intéressante étant l'évolution de la perte de charge en fonction du diamètre.

voir aussi:

Calculer le debit dans une conduite avec un dénivelé négatif (écoulement gravitaire)

Conduits fumées