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Pérdidas de carga

El dimensionamiento hidráulico de una tubería tiene como objetivo principal determinar el diámetro de la misma. Los condicionantes básicos de diseño son el caudal requerido y la presión exigida en los terminales de la red. Además, intervienen otros factores como la velocidad de diseño o las pérdidas de carga (continuas y localizadas), y también, las características propias de los materiales de la red (rugosidad y coste, principalmente).

La pérdida de carga en una tubería o canalización es la pérdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.

Tubos de PVC-O TOM

Determinar diámetro de una conducción con de PVC-O TOM® a presión se hace teniendo en cuenta:

  • - Los parámetros hidráulicos (caudal, pérdidas de carga y velocidad), para una conducción por gravedad.
  • - Los parámetros hidráulicos y económicos óptimos (coste del bombeo y amortización de las instalaciones) para una conducción por bombeo.
  • - En función de las condiciones de servicio se deben medir los riesgos eventuales de golpes de ariete, cavitación y abrasión, e instalar las protecciones adecuadas.

 

1- Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente en el punto de entrega del agua.

En este caso el transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponible, es decir, se hace uso de la topografía existente de manera que la conducción se lleve a cabo sin necesidad de bombeo alcanzando así un nivel aceptable de presión.

La fórmula que relaciona el caudal con la velocidad del fluido es la siguiente:

Formula caudal velocidad molecor

  • Q: caudal en función de las necesidades, en l/s.
  • v: velocidad del agua en la conducción, en m/s.
  • DI: diámetro interno de la conducción, en m.

Para calcular las pérdidas de carga continuas se recomienda utilizar la expresión universal de Darcy-Weisbach:

Formula perdidas de carga continuas

  • J: pérdida de carga continua, por unidad de longitud, en m/m
  • v: velocidad de circulación del agua, en m/s
  • ΔHc: pérdida de carga continua, en m
  • L: longitud del tramo, en m
  • DI: diámetro interior del tubo, en m
  • g: aceleración de la gravedad, en m/s²
  • f: coeficiente de pérdida de carga por unidad de longitud (o coeficiente de fricción), adimensional

Tuberías de PVC-O TOM

Dado que las tuberías de PVC-O son completamente lisas, el cálculo del coeficiente de pérdidas de carga o de energía por unidad de longitud (f) que aparece en la fórmula de Darcy-Weisbach se puede realizar mediante las siguientes expresiones empíricas:

  1. Prandtl-Colebrook-White:

Prandtl-Colebrook-White

  1. Blasius:

Blasius

  • v: velocidad de circulación del agua, en m/s
  • c: coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams (para el caso de las tuberías de PVC-O TOM®, C = 150 para conducción nueva y C = 140 para conducción en servicio)
  • DI: diámetro interior del tubo, en m
  • J: pérdida de carga continua, por unidad de longitud, en m/m
  • Ka: rugosidad absoluta en m (para las tuberías de PVC-O TOM® ka = 0,003∙10-3 m para conducción en nueva y ka = 0,007∙10-3 m para conducción en servicio)
  • n: coeficiente de rugosidad de Manning. Para el caso de las tuberías de PVC-O TOM®, n = 0,007 para conducción nueva y n = 0,009 para conducción en servicio
  • f: coeficiente de pérdida de carga por unidad de longitud (o coeficiente de fricción), adimensional
  • Re: número de Reynolds, adimensional
  • vc: viscosidad cinemática, en m2/s (1,01 x10-6, para el agua a 20 °C)

Adicionalmente a las pérdidas de carga continuas debidas a la fricción deben calcularse las pérdidas de carga localizadas (ΔHl) de los accesorios; éstas serán significativas si los accesorios son numerosos o si la tubería es relativamente corta. Estas pérdidas se pueden evaluar como una fracción kl del término V2/2g o como una longitud equivalente. El coeficiente K es adimensional y depende de la singularidad y de la velocidad media en el interior de la tubería.

Pérdidas de carga localizadas

Pérdidas de carga localizadas

Por lo tanto, la expresión para el cálculo de pérdida de carga total sería la siguiente:

Pérdida de carga total

2- Por otra parte, la conducción por bombeo es necesaria cuando se requiere añadir energía para obtener el gasto de diseño. Este tipo de conducción se usa, generalmente, cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de entrega. En este caso el equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el transporte del agua.

La información principal que se debe conocer es el caudal de agua que queremos transportar, y en función de este valor, se determinará la solución económica más óptima para el proyecto. El resto de factores que entran en juego son: el diámetro de la tubería (DI), la velocidad de conducción, la pérdida de carga producida por esa velocidad, la presión en el punto de suministro y la potencia necesaria del grupo motobomba.

Los conceptos de caudal (Q), coeficiente de pérdida de carga (J), pérdida de carga continua (ΔHc) así como pérdidas de carga localizada (ΔHTL), son igualmente aplicables en el caso de una conducción por bombeo.

Estación de bombeo

La superficie interior sumamente lisa de las tuberías plásticas (menor rugosidad interna) y la ausencia de incrustaciones en estos materiales, permiten una reducción de las pérdidas de carga, y por lo tanto, a igualdad de diámetro interior, un mayor caudal transportable con la misma energía. Cabe destacar, además, que debido a su menor adherencia, permiten que la sección hidráulica útil del tubo se mantenga constante durante toda su vida útil.

La lisura interna de las tuberías plásticas se ha destacado como una de las principales ventajas en su uso. Su bajo coeficiente de rugosidad absoluta produce unas pérdidas de carga unitaria de los fluidos que circulan por ellas muy inferiores a las producidas en otros materiales tradicionales de rugosidad mayor.