L’equazione di Hazen-Williams è una formula per calcolare quanto la pressione ambiente scende in un fluido mentre scorre attraverso un tubo a causa dell’attrito con la superficie interna del tubo, il diametro interno del tubo e la velocità di portata per il fluido . Questa riduzione della portata è stata comunemente utilizzata dagli ingegneri in passato quando il flusso del fluido era turbolento, poiché forniva una buona approssimazione della perdita di velocità. La formula è relativamente semplice, ma presenta diversi fattori limitanti al suo effettivo utilizzo e l’avvento dei personal computer l’ha resa largamente obsoleta.
I sistemi di tubazioni dell’acqua per il trasferimento del fluido hanno tutti la cosiddetta perdita di carico, che è una somma dell’elevazione, della velocità e della perdita di pressione del fluido mentre si muove a causa dell’attrito all’interno del fluido, mentre interagisce con la parete del tubo e altri ostruzioni dei tubi e come effetto collaterale della turbolenza che queste interazioni causano. La perdita di carico si basa anche sul fattore di attrito presente, che viene calcolato dal tipo di materiale del tubo utilizzato e dalla velocità di scorrimento del fluido. I fattori di attrito possono variare da 80 a 130 o più, e questa variabilità rende l’equazione di Hazen-Williams solo un calcolo approssimativo per la caduta di pressione.
I tipici fattori limitanti nel calcolo della portata volumetrica utilizzando l’equazione di Hazen-Williams sono accettati dagli ingegneri. Questi fattori includono la limitazione che il fluido deve avere una viscosità di almeno 1.13 centistokes, che è ciò che l’acqua mostra a una temperatura ambiente di 60° Fahrenheit (15.5° Celsius). Il tubo deve inoltre avere un diametro maggiore di 2 pollici (5.08 centimetri) e la portata non può superare i 10 piedi al secondo (3.05 metri al secondo).
Ci sono due formule tipicamente usate nell’equazione di Hazen-Williams, una basata su dati empirici o sperimentali e unità imperiali, e una che usa unità internazionali standard. La formula imperiale è scritta come hf = 0.002083 L (100/C)1.85 x (gpm1.85/d4.8655) dove “hf” è uguale alla perdita di carico determinata in piedi, “L” rappresenta la lunghezza del tubo misurata da piedi e “C” è il coefficiente di attrito per il tipo di materiale del tubo. “Gpm” rappresenta i galloni al minuto calcolati come galloni misurati negli Stati Uniti di flusso attraverso il tubo e “d” rappresenta il diametro iniziale interno del tubo prima che si verifichi l’accumulo o la corrosione sulla parete del tubo. Qui, il valore di 100 nella formula rappresenta un fattore Hazen-Williams adimensionale.
La formula standard delle unità internazionali è solo un altro modo per calcolare la perdita di carico, nota anche come caduta di pressione per attrito, con unità metriche. È indicato come ΔP = 1.1101 x 1010 (Q/C) 1.85 1/D4.87 dove “ΔP” è la caduta di pressione in kiloPascal per metro, “Q” è la portata del fluido in metri cubi all’ora, “D ” è il diametro interno del tubo e “C” qui è il fattore Hazen-Williams adimensionale. Sebbene l’utilizzo dello standard di 100 per il fattore Hazen-Williams sia di routine, se il tubo ha dai 10 ai 15 anni, spesso è possibile sostituire un valore di 75 a causa di depositi minerali e corrosione nel tubo che aumentano il livello di attrito e la turbolenza .
L’uso dell’equazione di Hazen-Williams in assenza di calcoli computerizzati più accurati è ancora possibile per molti tipi di sistemi di portata di liquidi. Può essere utilizzato per impianti antincendio a sprinkler per impianti di irrigazione, o reti di approvvigionamento idrico per edifici o comuni. Questo perché ora esistono diversi fattori di attrito stabiliti per i tipi di materiale del tubo che vengono inseriti nella formula, come tubi in ottone e rame a 130, tubi in polivinilcloruro (PVC) a 150, tubi in acciaio a 120 e altro ancora. Ciascun valore ha inoltre un margine di manovra in quanto è un’approssimazione basata sulla presenza di deformazioni nella superficie interna del tubo che si accumulano nel tempo con l’invecchiamento del tubo. Laddove sono necessari valori più accurati per la perdita di carico o viene misurato un flusso di fluido per una sostanza diversa dall’acqua, viene utilizzata l’equazione di Darcy-Weisbach, che utilizza un coefficiente di attrito calcolato in modo più accurato da un diagramma di Moody che incorpora i numeri di Reynolds.