Fontanería
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La pérdida de carga en tuberías es la pérdida de presión de un fluido al producirse fricción entre las partículas del fluido y las paredes del conductor, y por obstáculos en la conducción.
¿Qué vamos a ver en este post?
Principalmente, la pérdida de carga en tuberías se presenta al realizarnos la siguiente pregunta:
¿Por qué la presión de un fluido de un punto a otro baja y baja más conforme aumenta la velocidad, o lo que es lo mismo a mayor caudal mayor pérdida de carga?
Por ejemplo, para abastecer de agua a un chalet vamos con un tubo de ¾ “ y para abastecer a un edificio de 30 viviendas con un tubo de 3”.
Tanto en sistemas de agua como en sistemas de otro tipo de fluido, el fluido pierde energía por el rozamiento continuo con la tubería y por la fricción que ocurre en el paso de accesorios o dispositivos, que serán vistos como obstáculos en la conducción. Los obstáculos pueden ser, la propia tubería, válvulas, derivaciones, codos, manguitos, estrechamientos, cambios de dirección, cambios de sección, etc. Es decir, nos referimos a todo obstáculo que modifica la energía del propio fluido.
La modificación del estado inicial de energía del flujo de un líquido por la tubería es una pérdida de energía, que habitualmente se expresa en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante y se denomina pérdida de carga.
La pérdida de carga en una tubería o en un elemento hidráulico de una conducción es la diferencia de presión entre dos puntos, para un determinado caudal. Si no hay fluido en movimiento no puede haber pérdida de carga.
En el siguiente artículo haremos un acercamiento conceptual de la pérdida de carga en tuberías para conocer la importancia de calcularlo al momento de dimensionar las instalaciones de agua y los diferentes tipos de pérdida de carga.
Debemos tener en cuenta que la pérdida de carga está relacionada con variables fluidodinámicas según el tipo de flujo.
En el caso de las tuberías horizontales la pérdida de carga se manifiesta en la disminución de presión del flujo.
La pérdida de carga depende principalmente de las siguientes variables:
La longitud: a mayor longitud mayor pérdida de carga.
El caudal que circula: a mayor caudal mayor pérdida de carga.
El material: Cuando más rugoso es el material mayor es la pérdida de carga.
El tipo de fluido: según el fluido y su densidad tendremos valores distintos.
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Tal y como comentamos anteriormente, según la profesora Amparo López Jiménez, del departamento de Ingeniería Hidráulica y medio ambiente de la Universidad Politécnica de Valencia, existen dos partes de pérdidas de carga: pérdida de carga por fricción, también conocidas como pérdida lineal o continua, y pérdida de carga localizada, conocidas como pérdida singular o en accesorios.
Expresión de la pérdida de carga:
Dónde:
Son las que ocurren por los rozamientos del fluido con las tuberías y dependen de parámetros como longitud y rugosidad de la tubería, y la velocidad, viscosidad o densidad del fluido.
Muchos fabricantes de tuberías tienen a su disposición tablas con las pérdidas de carga y la relación entre pérdida y caudal (expresado en litros/hora). Sin duda facilita el trabajo para el dimensionado de la instalación.
Los expertos toman mayor importancia a las pérdidas continuas, y si las pérdidas localizadas no superan el 5% de las totales suelen despreciarse. En el siguiente punto veremos las principales ecuaciones utilizadas para realizar el cálculo de pérdidas.
Son las causadas por el cambio de movimiento que experimenta el fluido cuando cambia de dirección. Se les conoce también como pérdidas en accesorios, accidentales o singulares. A diferencia de la pérdida continua, no son causadas los la fricción, sino por fenómenos de turbulencia originados en puntos específicos de los sistemas de tuberías. Estos puntos pueden ser: válvulas, codos, cambios de dirección, juntas, derivaciones, etc.
Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los conductos), también se producen pérdidas de carga singulares en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas, etc.
Expresión de las pérdidas localizadas:
Dónde:
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Los ingenieros encargados de dimensionar y calcular las instalaciones hidráulicas consideran tres aspectos fundamentales: la resistencia mecánica, las pérdidas de carga y el presupuesto.
El tramo de conducción con mayor longitud, o con mayores obstáculos o de variación de altura geométrica será el tramo considera más desfavorable del circuito. Será el punto de partida del dimensionado y del cálculo de la pérdida de carga. En redes de abastecimiento de agua (en otras redes cambia)
Es así que el éxito de una instalación de agua cuenta con una buena presión del servicio con el menor coste energético gracias a la reducción a la expresión mínima de las pérdidas de carga.
Aunque en el sistema reducimos la pérdida de presión óptima, se entiende que la circulación del flujo en las conducciones existe conjuntamente con las pérdidas de carga. Son estas las que nos determinan los caudales circulantes en función de los desniveles y variantes.
Para calcular la pérdida de carga en tuberías, históricamente se han utilizado distintas herramientas matemáticas. Las siguientes fórmulas son las más utilizadas por la ingeniería hidráulica para expresar la pérdida continua en tuberías:
Es una de las que mejor funcionan y es recomendada en muchos manuales especializados en el tema. La expresión general de la ecuación es la siguiente:
Dónde:
De manera empírica podemos expresar la pérdida continuada en función del caudal:
Dónde:
Se utiliza para calcular el coeficiente de pérdida de carga debido a la fricción según el régimen de flujo: laminar o turbulento. Si el régimen es turbulento, la estimación es fácil de hacer, sin embargo, cuando es turbulento es difícil de estimar por lo que se recurre a otras fórmulas. Entre ellas, se encuentra la expresión de Darcy, que es una de las más utilizadas.
Podemos entender este diagrama como la expresión gráfica del factor de fricción y es donde se representan todos los valores para determinarlo según el número de Reynolds y la rugosidad relativa. En su momento supone un gran avance para los ingenieros al poder estimar de manera sencilla el factor de fricción.
El software EPANET es la herramienta más utilizada para el análisis de sistemas de distribución de agua, desarrollada por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. La Universidad politécnica pone a disposición de manera gratuita su descarga. Te dejamos el enlace de la herramienta para facilitar el cálculo de pérdidas de carga.
En definitiva, un sistema de aguas comúnmente debe mantener la presión del fluido, tomando en cuenta variantes como bifurcaciones, tipo de conducción, diámetro, accesorios, entre otros. En sistema tendrá pérdidas continuadas a lo largo de las conducciones regulares y pérdidas localizadas por las circunstancias particulares. Todo ello afecta directamente a la pérdida de carga, factor fundamental para el dimensionado de las instalaciones.
La pérdida de carga es la causa principal por de baja la presión a lo largo de las tuberías y de allí su importancia para realizar instalaciones de agua exitosas.
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