Perdida de carga en tuberias

Bomba de pérdida de presión

El flujo de un fluido a través de una tubería es resistido por las tensiones viscosas de cizallamiento dentro del fluido y la turbulencia que se produce a lo largo de la pared interna de la tubería, que depende de la rugosidad del material de la misma.

La pérdida de carga total en una tubería se ve afectada por una serie de factores que incluyen la viscosidad del fluido, el tamaño del diámetro interno de la tubería, la rugosidad interna de la superficie de la tubería, el cambio de elevación entre los extremos de la tubería y la longitud de la tubería a lo largo de la cual viaja el fluido.

Las válvulas y los accesorios de una tubería también contribuyen a la pérdida de carga global que se produce, pero deben calcularse por separado de la pérdida por fricción de la pared de la tubería, utilizando un método de modelización de las pérdidas de los accesorios de la tubería con factores k.

La fórmula de Darcy o la ecuación de Darcy-Weisbach, como suele denominarse, se acepta actualmente como la fórmula más precisa para las pérdidas por fricción en las tuberías y, aunque es más difícil de calcular y utilizar que otras fórmulas de pérdidas por fricción, con la introducción de los ordenadores se ha convertido en la ecuación estándar para los ingenieros hidráulicos.

Cálculo de las pérdidas por fricción

La pérdida por fricción es una medida de la cantidad de energía que pierde su sistema de tuberías porque sus fluidos encuentran resistencia. A medida que el fluido fluye por sus tuberías, lleva energía consigo. Desgraciadamente, siempre que hay una resistencia al flujo, éste desvía los fluidos y la energía se escapa. Estas fuerzas opuestas provocan pérdidas por fricción en las tuberías.

Cuando se produce una pérdida por fricción, significa que la energía se escapa de su sistema. Dado que su sistema de tuberías tiene que trabajar más para empujar los fluidos más allá de la resistencia, quema más energía. En última instancia, esa pérdida de energía se traduce en más dinero de su bolsillo.

Cuando los fluidos tienen que esquivar los residuos o moverse alrededor de las barreras, acaban chocando contra los lados de las tuberías. Al mismo tiempo, al cerrarse los pasillos, la presión puede acumularse y dañar los accesorios. ¿La conclusión? Si no está fomentando el flujo constante de las tuberías, podría estar sometiendo a su sistema de tuberías a una tensión adicional.

Si tiene demasiadas pérdidas por fricción, puede desgastar su bomba o compresor alternativo. La fricción obliga a sus bombas a trabajar más para empujar los fluidos a través de las tuberías obstruidas. Ese esfuerzo adicional significa que su valiosa tecnología de producción de energía puede sobrecargarse y estropearse más rápidamente.

Pérdida de cabeza svenska

Cuando la presión se expresa en términos de la altura equivalente de una columna de ese fluido, como es habitual en el caso del agua, la pérdida por fricción se expresa como S, la “pérdida de carga” por longitud de tubería, una cantidad adimensional también conocida como pendiente hidráulica.

La pérdida por fricción, que se debe al esfuerzo cortante entre la superficie de la tubería y el fluido que fluye en su interior, depende de las condiciones del flujo y de las propiedades físicas del sistema. Estas condiciones se pueden encapsular en un número adimensional Re, conocido como número de Reynolds

La pérdida por fricción en secciones uniformes y rectas de una tubería, conocida como “pérdida mayor”, está causada por los efectos de la viscosidad, el movimiento de las moléculas del fluido unas contra otras o contra la pared (posiblemente rugosa) de la tubería. En este caso, se ve muy afectado por el hecho de que el flujo sea laminar (Re < 2000) o turbulento (Re > 4000):[1]

La rugosidad de la superficie de la tubería o conducto afecta al flujo del fluido en el régimen de flujo turbulento. Normalmente se denota por ε, los valores utilizados para los cálculos del flujo de agua, para algunos materiales representativos son:[4][5][6]

Caja de herramientas de ingeniería pérdidas por fricción en tuberías

El enfoque básico de todos los sistemas de tuberías consiste en escribir la ecuación de Bernoulli entre dos puntos, conectados por una línea de corriente, en los que se conocen las condiciones. Por ejemplo, entre la superficie de un depósito y la salida de una tubería.

La altura total en el punto 0 debe coincidir con la altura total en el punto 1, ajustada por cualquier aumento de la altura debido a las bombas, las pérdidas debidas a la fricción de las tuberías y las llamadas “pérdidas menores” debidas a las entradas, salidas, accesorios, etc. La altura desarrollada por la bomba es generalmente una función del caudal que pasa por el sistema, con un aumento de la altura que disminuye al aumentar el caudal que pasa por la bomba.

Las pérdidas por fricción son una función compleja de la geometría del sistema, las propiedades del fluido y el caudal en el sistema. Por observación, la pérdida de carga es aproximadamente proporcional al cuadrado del caudal en la mayoría de los flujos de ingeniería (flujo de tuberías totalmente desarrollado y turbulento). Esta observación conduce a la ecuación de Darcy-Weisbach para la pérdida de carga debida a la fricción:

que define el factor de fricción, f. f es insensible a los cambios moderados en el flujo y es constante para el flujo totalmente turbulento. Por ello, a menudo resulta útil estimar la relación como si la altura fuera directamente proporcional al cuadrado del caudal para simplificar los cálculos.

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