Nesteen virtausta putkessa vastustavat nesteen sisäiset viskoosiset leikkausjännitykset ja putken sisäseinämässä esiintyvä turbulenssi, joka riippuu putkimateriaalin karheudesta.
Tätä vastusta kutsutaan putkikitkaksi, ja se mitataan yleensä jalan tai metrin nestekorkeutena, minkä vuoksi siihen viitataan myös putkikitkan aiheuttamana painehäviönä.
Putken painehäviö
Putken painehäviön laskemiseksi putkessa on tehty monen vuoden ajan paljon tutkimustyötä erilaisten kaavojen laatimiseksi. Suurin osa tästä työstä on kehitetty kokeellisten tietojen perusteella.
Kokonaiskorkeushäviöön putkessa vaikuttavat useat tekijät, kuten nesteen viskositeetti, putken sisähalkaisijan koko, putken sisäpinnan sisäinen karheus, putken päiden välinen korkeuden muutos ja putken pituus, jota pitkin neste kulkee.
Putkessa olevat venttiilit ja liitososat vaikuttavat myös osaltaan esiintyvään kokonaiskorkeushäviöön, mutta ne on kuitenkin laskettava erikseen putken seinämän kitkahäviöstä käyttäen menetelmää, jossa putken liitososien häviöt mallinnetaan k-kertoimilla.
Darcy-Weisbachin kaava
Darcy-kaava tai Darcy-Weisbachin yhtälö, kuten siihen yleensä viitataan, on nykyään hyväksytty tarkimmaksi putkien kitkahäviöiden laskentakaavaksi, ja vaikka se on vaikeampi laskea ja käyttää kuin muut kitkahäviöiden laskentakaavat, siitä on tietokoneiden käyttöönoton myötä tullut hydrauliikkainsinöörien standardiyhtälö.
Weisbach ehdotti ensimmäisenä suhdetta, jonka nyt tunnemme Darcy-Weisbachin yhtälönä tai Darcy-Weisbachin kaavana, putken kitkahäviön laskemiseksi.
Darcy-Weisbachin yhtälö:
hf = f (L/D) x (v^2/2g)
missä:
hf = painehäviö (m)
f = kitkakerroin
L = putkiston pituus (m)
d = putkiston sisähalkaisija (m)
v = nesteen nopeus (m/s)
g = painovoiman aiheuttama kiihtyvyys (m/s²)
tai:
L = putkiston pituus (ft)
d = putkiston sisähalkaisija (ft)
v = nesteen nopeus (ft/s)
g = painovoiman aiheuttama kiihtyvyys (ft/s²)
Kitkakertoimien määrittäminen oli kuitenkin vielä ratkaisematta, ja se olikin kysymys, joka vaati lisätyötä Colebrook-Whiten kaavan ja Moodyn kaaviossa esitettyjen tietojen kaltaisen ratkaisun kehittämiseksi.
Moody-kaavio
Moody-kaavio tarjosi vihdoin menetelmän tarkan kitkakertoimen löytämiseksi, ja tämä rohkaisi käyttämään Darcy-Weisbachin yhtälöä, josta tuli nopeasti hydrauliikkainsinöörien valitsema menetelmä.
Henkilökohtaisten tietokoneiden käyttöönotto 1980-luvulta alkaen vähensi kitkakertoimen ja putkien painehäviön laskemiseen tarvittavaa aikaa. Tämä itsessään on laajentanut Darcy-Weisbachin kaavan käyttöä siinä määrin, että useimpia muita yhtälöitä ei enää käytetä.
Hazen-Williamsin kaava
Ennen henkilökohtaisten tietokoneiden tuloa Hazen-Williamsin kaava oli erittäin suosittu putkistoinsinöörien keskuudessa sen suhteellisen yksinkertaisten laskentaominaisuuksien vuoksi.
Hazen-Williamsin tulokset ovat kuitenkin riippuvaisia kaavassa käytetystä kitkakertoimen C hw arvosta, ja C-arvo voi vaihdella huomattavasti, noin 80:stä 130:een ja sitä korkeampaan, riippuen putkimateriaalista, putkikoon ja nesteen nopeudesta.
Hazen-Williamsin yhtälö antaa myös todella hyviä tuloksia vain silloin, kun neste on vettä, ja se voi tuottaa suuria epätarkkuuksia silloin, kun näin ei ole.
Hazen-Williamsin kaavan imperialistinen muoto on:
hf = 0,002083 x L x (100/C)^1,85 x (gpm^1,85 / d^4.8655)
missä:
hf = vedenkorkeushäviö metreinä
L = putken pituus metreinä
C = kitkakerroin
gpm = gallonaa minuutissa (USA:n gallonaa, ei englantilaisia gallonoita)
d = putken sisähalkaisija tuumina
Kitkakertoimen C hw empiirinen luonne tarkoittaa, että Hazen-Williamsin kaava ei sovellu tarkkaan vedenkorkeuden häviön ennustamiseen. Kitkahäviötulokset pätevät vain nesteille, joiden kinemaattinen viskositeetti on 1,13 centistokesia, joissa virtausnopeus on alle 10 jalkaa sekunnissa ja joissa putken halkaisija on suurempi kuin 2 tuumaa.
Huom: Veden kinemaattinen viskositeetti on 1,13 sentistokea, kun sen lämpötila on 15,5 °C (60° F).
Suunnittelussa käytettävät yleiset kitkakertoimen C hw arvot ovat:
Asbestisementti 140
Messinkiputki 130
Cast-Rautaputki 100
Betoniputki 110
Kupariputki 130
Aaltoteräsputki 60
Sinkitty putki 120
Lasiputki 130
Leijuputki 130
Muoviputki 140
PVC-putki 150
Yleiset sileät putket. 140
Teräsputki 120
Teräksiset niitatut putket 100
Tärkkelyspäällystetty valurautaputki 100
Tinaputki130
Puupuuputki 110
Näissä C hw-arvoissa on huomioitu jonkin verran putken sisäpinnan karheuden muutokset, jotka johtuvat putken seinämän reikiintymisestä pitkien käyttöjaksojen aikana ja muiden saostumien kertymisestä.