Pérdida de Carga en Tuberías

¿Qué es la pérdida de carga?

La pérdida de carga en una tubería o canal es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene.

Viscosidad

La viscosidad es la propiedad que tienen los líquidos de ofrecer resistencia a la deformación o fluir.

¿Qué genera esa deformación?

Son los esfuerzos tangenciales o de corte que se generan entre capas adyacentes.

Ecuación de balance de altura

1/2.v²/g + h + p/d.g = cte

Diferentes causas de pérdida de carga

Viscosidad

Cuando el líquido es real, los esfuerzos tangenciales debido a la viscosidad desarrollan trabajos de rozamiento, transformando parte de la energía hidrodinámica de la corriente líquida.

Energía

Transformando parte de la hidrodinámica de la corriente en energía térmica que se disipa a la atmósfera.

Paredes

Es necesario considerar frotamientos externos al fluido como consecuencia del contacto con la pared de la conducción. Estos se desarrollan en una delgada capa líquida adherida a la pared, llamada capa límite, en la cual se desarrollan esfuerzos tangenciales debido a la viscosidad. En el flujo turbulento, una parte de la energía se pierde en la capa límite y el resto por la aspereza de la pared sólida.

La diferencia no es por la forma de fabricación, sino por la clasificación en cómo se mide su diámetro:

  • El tubo se mide por su diámetro exterior.
  • El caño se mide por su diámetro interior.

Pérdida de carga continua (hfc)

Existe la pérdida de carga (H) originada por las singularidades, es decir, por variaciones de secciones, cambios bruscos de dirección o cualquier tipo de accesorio donde aumente la turbulencia. Se llaman pérdidas de carga localizadas o de forma (Σhl).

Fórmula

hft = hfc + Σhl

Ecuación de Bernoulli con pérdida de carga

h1 + 1/2.v²/g + P/d.g = h2 + 1/2.v²/g + p/d.g + hft

Factor de fricción de Fanning

Es otro parámetro útil para calcular la pérdida de carga y se define como la relación entre el esfuerzo cortante y el producto de la densidad por la carga de velocidad.

Ecuación

F = ζ / (d.v²/2.g)

¿Cómo usar el diagrama de Moody?

Primero, se tiene la rugosidad relativa, se divide por el diámetro. Al resultado se lo visualiza en el lado derecho y se sigue la línea. Después, se hace el cálculo del número de Reynolds. Luego, se ubica el resultado en la parte inferior del gráfico y se sube hasta la curva. Después, se va hasta el lado izquierdo y listo, ya se tiene el factor.

Rugosidad o asperezas (k)

Pueden aparecer bajo formas de asperezas más o menos geométricamente definidas, pueden estar distribuidas al azar o con ciertas regularidades. Un parámetro útil para clasificar las asperezas es la altura media de estas (K). Se pueden clasificar en dos grandes tipos:

  • Cuando tienen pequeña longitud de onda y gran amplitud, se denominan superficies propiamente rugosas.
  • Cuando las asperezas son muy graduales, con gran longitud de onda y poca amplitud, se denominan superficies onduladas, como el caso de paredes de acero o asfaltadas.

Amplitud es el alto de la aspereza y longitud es el ancho.

Accesorios

Válvulas

Las válvulas son los accesorios más importantes de la cañería. Su función es disminuir, detener o regular el flujo de un fluido para controlar la temperatura de un proceso, el nivel de un líquido o la presión y otra propiedad del fluido en un punto.

Tipos de válvulas

De apertura y cierre al paso del flujo (on/off)

Esta ofrece mínima restricción a la resistencia del flujo y pérdida de carga mínima abiertas totalmente. Cuando están cerradas (off), no debe haber pérdida (tapón, llave de gas, mariposa).

De regulación de flujo

Estas se usan para regular el flujo, introduciendo una resistencia al paso del fluido, ya sea por cambio de dirección o provocando una restricción al flujo, o una combinación de ambas. Poseen gran pérdida de carga (válvula globo, válvula ángulo).

Válvula aguja

Regulación muy precisa, también esférica, mariposas y las de diafragma.

De retención o prevención de flujo inverso

Se usan cuando es esencial para evitar el retroceso del fluido. Se caracterizan por estar abiertas por el paso del fluido y se cierran por gravedad o por inversión del flujo (válvulas de retención de bola, de clapeta o bisagra, de pistón o de elevación).

Válvulas de regulación de presión

Aplicaciones en donde se debe reducir y mantener en forma sostenida la presión de ingreso en un fluido. Se conocen como válvulas de control o válvulas reductoras de presión y regulación.

Válvulas de alivio de presión o válvulas de seguridad

Se usan en aplicaciones donde el exceso de presión en un sistema puede provocar daños o fallas. Poseen un resorte que permite que se abra rápidamente la válvula cuando la presión excede el límite ajustado por esta y deja pasar el fluido rápidamente a través de una gran sección. No posee pérdida de carga porque no interrumpe el paso del flujo.

Componentes de las válvulas

  • Actuador: volante, manija que puede ser accionado manualmente, mecánicamente, por aire comprimido o eléctricamente.
  • Vástago: transmite el movimiento del actuador al obturador.
  • Cuerpo: puede tener una cubierta o bonete que encierra al obturador.
  • Obturador: cierra y controla el paso del flujo.