Perdidas de carga en tuberias
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¿por qué es importante la pérdida de carga?
La pérdida de carga se refiere a una medida de la energía disipada en un sistema de fluidos debido a la fricción a lo largo de una tubería o sistema hidráulico, y las debidas a los accesorios, válvulas y otras estructuras del sistema. La pérdida de carga total de un fluido a medida que se desplaza por un sistema de fluidos es la suma de las pérdidas de carga de elevación, de velocidad y de presión.
Las pérdidas de carga son inevitables en los sistemas de fluidos reales que contienen líquidos o gases. Es el resultado de la fricción entre las paredes de una tubería y el fluido, la fricción entre las partículas del fluido cuando se mueven unas con respecto a otras, y la turbulencia que se produce siempre que el flujo del fluido es redirigido u obstruido de alguna manera por componentes como las entradas y salidas de las tuberías, las bombas, las válvulas y los accesorios.
Al analizar los sistemas de tuberías, la pérdida de presión es de suma importancia debido a los efectos viscosos a lo largo del sistema, así como a otras pérdidas de presión adicionales derivadas de los equipos conectados.
La pérdida de carga se produce cuando se reduce la velocidad del fluido, lo que a menudo se debe a la fricción de las tuberías. A la inversa, la velocidad del fluido puede aumentar por diversas razones, como la reducción del diámetro de la tubería. Estos cambios pueden reflejarse como un aumento de la pérdida de carga debido a un aumento de la fricción del sistema. La pérdida de carga también representa la energía utilizada para superar la fricción causada por las paredes de la tubería y otros componentes, especialmente en el flujo turbulento.
Ejemplo de pérdida de carga en una tubería
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 embalse 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 tubería 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.
Pérdidas importantes en las tuberías
Las pérdidas de carga son el resultado de la fricción de la pared en todos los tipos de tuberías y de la resistencia local al flujo, por ejemplo en válvulas y accesorios (véase también Pérdida de presión).Velocidades de flujo recomendadasPérdida de carga en una tuberíaLa ecuación para la pérdida de carga de un flujo en una longitud recta de tubería con sección transversal circular es:
λ Factor de fricción de la tuberíaL Longitud de la tubería en md Diámetro interior de la tubería en m v Velocidad del flujo en una sección transversal en m/s (= 4 Q / π d2 con Q en m3/s)g Aceleración debida a la gravedad en m/s2ver Fig. 1 y 4
Pérdida de cargaEl factor de fricción de la tubería se estableció experimentalmente. Sólo depende del estado de flujo del fluido manipulado y de la rugosidad relativa (d/k) de las tuberías por las que circula el fluido. Para las secciones transversales de las tuberías no circulares se aplica el diámetro equivalente en términos fluidomecánicos (d):
A Sección transversal en m2U Circunferencia de la sección transversal húmeda en m (no se considera la superficie libre de un canal abierto)El estado del flujo viene determinado por el número de Reynolds (Re) según las leyes de afinidad. Para las tuberías circulares se aplica lo siguiente:
Cómo calcular la pérdida de carga a partir de la caída de presión
El planteamiento básico para 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 tubería 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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