cálculo de pérdida de carga en tuberías
20 diciembre 2022
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Cálculo de pérdida de carga en tuberías: todo lo que necesitas saber

El cálculo de pérdida de carga en tuberías proporciona datos valiosos para reparar los equipos y estructuras industriales. En esta nota recopilamos información clave para descubrir el por qué de la pérdida de presión o carga en las tuberías.

¿Qué es el cálculo de pérdida de carga en tuberías?

Antes de adentrarnos en cómo realizar el cálculo de pérdida de carga en tuberías, es importante profundizar en el concepto de pérdida de carga.

Se trata de la reducción de la presión hacia el interior de las tuberías ocasionada por el movimiento del fluido interno. 

En cualquier tipo de sistema de agua u otra clase de fluido, éste pierde energía al rozar de manera contínua con la estructura de la tubería, y por la fricción ocurrida por determinados obstáculos como accesorios o dispositivos localizados en la tubería: codos, válvulas, cambios de dirección, etcétera.

Es decir, existe algo que obstaculiza y modifica el flujo de energía que tiene el fluido dentro de la tubería. Entonces, debemos ver esta situación como la pérdida de energía. 

Para conocer su valor es necesario contemplar la dimensión de la tubería y las especificidades de la bomba que mantienen en movimiento el fluido. 

¿Cuáles son los factores que predisponen una pérdida de carga en tuberías?

Movilizar el agua u otros fluidos requiere de energía y cuanto mayor sea la resistencia que implique ese movimiento, más energía se necesitará para que fluya adecuadamente. 

La resistencia al movimiento del tipo de fluido se produce en las conducciones por las que circula. Cuando la conducción se encuentra optimizada, se genera menor pérdida de presión, estableciendo menor coste durante el funcionamiento del sistema.

En general, la pérdida de carga en las tuberías depende principalmente de los siguientes factores:

  • La longitud de la estructura: cuando mayor es la longitud, mayor es la pérdida de carga.
  • El caudal que circula por la estructura: a mayor caudal, aumenta la pérdida de carga.
  • El material de la estructura: Cuando más rugoso, mayor es la pérdida de carga.
  • El tipo de fluido que fluye en la estructura: de acuerdo a la densidad del fluido se tendrán diversos y distintos valores en la pérdida de carga.

A modo de ejemplo podemos decir que, en general, las pérdidas que se ocasionan en las instalaciones hidráulicas se vinculan fundamentalmente al caudal que circula en las tuberías y al diámetro que poseen los tubos.

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Tipos de pérdida de carga en tuberías

Para lograr un cálculo de pérdida de carga en tuberías es preciso reconocer la existencia de dos tipos de pérdidas que se producen habitualmente: pérdidas de carga por fricción o contínua y pérdida de carga singular o localizada.

Pérdidas continuas

Ocurren como consecuencia del rozamiento del fluido en la tubería, cuyo nivel de pérdida depende de parámetros relacionados a la forma, longitud y rugosidad del tubo, como así también de la velocidad y densidad del flujo que corre por los tubos.

Pérdidas localizadas

Ocurren como consecuencia de la modificación en el movimiento que realiza el fluido cuando se modifica la dirección dentro de la tubería. También son llamadas pérdidas en accesorios porque se ocasionan por fenómenos vinculados a la turbulencia que se ubican en puntos concretos del sistema de tubos: juntas, codos, ramificaciones, derivaciones, entre otros.

¿Cómo realizar el cálculo de pérdida de carga en tuberías?

Para un cálculo de pérdida de carga en tuberías exitoso, los expertos recomiendan prestar atención a tres aspectos clave: la resistencia mecánica, las pérdidas de carga y el presupuesto.

Es así que el éxito de una instalación de fluido cuenta con una buena presión del servicio con el menor coste energético gracias a la reducción a la mínima expresión de las pérdidas de carga.

Las fórmulas

Para calcular la pérdida de carga desde siempre se han usado diversas herramientas matemáticas cuyas fórmulas variadas permiten llegar a datos concretos y valiosos para conocer la disminución de carga.

A continuación mencionaremos las más utilizadas por la ingeniería hidráulica.

> Darcy-Weisbach

Se trata de la fórmula que más se emplea porque garantiza óptimos valores. La ecuación es la siguiente:

  • hf: pérdida de carga localizada. Se expresa con la unidad: mca
  • f: factor de fricción. Interacción tubo-fluido
  • L: longitud de la conducción. Se expresa con la unidad m (metros)
  • D: diámetro de la conducción
  • v: velocidad media del agua, antes o después del punto singular. Se expresa con la unidad m/s

> Blasius 

Expresa que el coeficiente de fricción f, viene dado en función del número de Reynolds, y es válida para tubos lisos, en los que la rugosidad relativa εr no afecta al flujo en donde la subcapa laminar elimina las irregularidades.

La expresión es: f=0.3164×Re–0.25 (4)

> Colebrook-White

Estas fórmulas agrupan las expresiones de Prandtl-Von Karman y de Nikuradse en una sola, que es además válida para todo tipo de flujos y rugosidades siendo la más exacta y universal, aunque es compleja. 

La expresión es: 1f√=–2×log(εr3.71×D)+(2.51Re×f√) (7)

> Moody

Es el diagrama que expresa el factor de fricción representado por todos los valores de acuerdo al número de Reynolds y la rugosidad relativa. Supone un gran avance para estimar sencillamente el factor de fricción.

> Swamee-Jain

El cálculo realizado es directo, sin iteraciones. Se puede catalogar como una ecuación explícita para el cálculo del factor de fricción. La ecuación ofrece resultados muy parecidos a la de Colebrook-White.

La fórmula es: f=0.25(log(εr3.7+5.74Re0.9))2 (9)

> Manning

Se utiliza para calcular pérdidas de carga en canales y en el caso de las tuberías es válido cuando el canal es circular y está parcial o totalmente lleno, o cuando el diámetro es muy grande.

La expresión es la siguiente: h=10.3×n2×Q2D5.33×L (11)

> Scimeni 

Esta fórmula es utilizada en tuberías de fibrocemento, estando pues el coeficiente de rugosidad integrado en la expresión.

La fórmula es la siguiente: h=9.84–04×Q1.786D4.786×L (16)

> Hagen-Poiseuille

Es válida para calcular pérdidas de carga de fluidos a velocidades muy bajas. De esta forma, la pérdida de energía – pérdida de carga – es proporcional a la velocidad media, y por tanto al número de Reynolds.

> Factor K

Salvo casos excepcionales, las pérdidas de carga localizadas sólo se pueden determinar de forma experimental, y pueden expresarse en función de la altura cinética corregida mediante un coeficiente empírico: el factor K.

Este coeficiente depende pues del tipo de singularidad y de su forma geométrica básicamente y es parecido al coeficiente de caudal facilitado por los fabricantes de válvulas, aunque mucho más generalista y aproximado.

La ecuación es: h=K×v22×g (19)

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