Cuando un fluido fluye a través de una tubería habrá una caída de presión que se produce como resultado de la resistencia al flujo. También puede haber una ganancia/pérdida de presión debido a un cambio de elevación entre el inicio y el final de la tubería. Esta diferencia de presión global a través de la tubería está relacionada con una serie de factores:

• La fricción entre el fluido y la pared de la tubería
• La fricción entre las capas adyacentes del propio fluido
• La pérdida de fricción a medida que el fluido pasa por cualquier accesorio de la tubería, curvas, válvulas, o componentes
• Pérdida de presión debida a un cambio en la elevación del fluido (si la tubería no es horizontal)
• Ganancia de presión debida a cualquier cabeza de fluido que sea añadida por una bomba

Calcular la pérdida de presión en una tubería

Para calcular la pérdida de presión en una tubería es necesario calcular una pérdida de presión, normalmente en cabeza de fluido, para cada uno de los elementos que causan un cambio en la presión. Sin embargo, para calcular la pérdida por fricción en una tubería, por ejemplo, es necesario calcular el factor de fricción para utilizarlo en la ecuación de Darcy-Weisbach que determina la pérdida por fricción global.

El factor de fricción en sí mismo depende del diámetro interno de la tubería, la rugosidad interna de la tubería y el número de Reynold, que a su vez se calcula a partir de la viscosidad del fluido, la densidad del fluido, la velocidad del fluido y el diámetro interno de la tubería.

Por lo tanto, hay una serie de subcálculos que deben tener lugar para calcular la pérdida global por fricción. Trabajando hacia atrás, debemos conocer las propiedades de densidad y viscosidad del fluido, conocer el diámetro de la tubería y las propiedades de rugosidad, calcular el número de Reynold, utilizarlo para calcular el factor de fricción utilizando la ecuación de Colebrook-White y, finalmente, introducir el factor de fricción en la ecuación de Darcy-Weisbach para calcular la pérdida por fricción en la tubería.

Después de calcular la pérdida por fricción en la tubería, debemos tener en cuenta las posibles pérdidas por adaptación, el cambio en la elevación y cualquier altura de la bomba añadida. La suma de estas pérdidas/ganancias nos dará la caída de presión global en la tubería. Los siguientes apartados consideran cada uno de los cálculos por separado.

Cálculos de las pérdidas por fricción en las tuberías

Ahora tenemos que calcular cada uno de los elementos necesarios para determinar las pérdidas por fricción en las tuberías. Los enlaces de la siguiente lista proporcionan más detalles sobre cada cálculo específico:



• Densidad del fluido
• Viscosidad del fluido
• Medida de la rugosidad de la tubería
• Número de Reynold – Flujo laminar o flujo turbulento
• Factores de fricción – Tabla de Moody y Ecuación de Colebrook-White Equation
• Pérdida por fricción en una tubería – Método de Darcy-Weisbach

Nuestro software Pipe Flow calcula automáticamente la pérdida por fricción en las tuberías utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach ya que es el método de cálculo más preciso para fluidos no compresibles, y también es aceptado como preciso en la industria para el flujo compresible siempre que se cumplan ciertas condiciones.

Cálculos de pérdidas en accesorios de tuberías

La pérdida de energía debida a las válvulas, accesorios y codos es causada por alguna interrupción localizada del flujo. La disipación de la energía perdida se produce a lo largo de una sección finita pero no necesariamente corta de la tubería, sin embargo, para los cálculos hidráulicos es una práctica aceptada considerar la totalidad de esta pérdida en la ubicación del dispositivo.

Para los sistemas de tuberías con tuberías relativamente largas, es frecuente que las pérdidas de los accesorios sean menores en relación con la pérdida de presión global en la tubería. Sin embargo, algunas pérdidas locales, como las producidas por una válvula parcialmente abierta, son a menudo muy significativas y nunca pueden considerarse una pérdida menor, por lo que siempre deben incluirse.

La pérdida que introduce un accesorio de tubería específico se mide utilizando datos experimentales del mundo real y luego se analiza para determinar un factor K (un coeficiente de pérdida local) que puede utilizarse para calcular la pérdida del accesorio, ya que varía con la velocidad del fluido que pasa a través de él.

Nuestros programas de software de flujo de tuberías facilitan la inclusión automática de las pérdidas de los accesorios y otras pérdidas locales en el cálculo de la caída de presión, ya que vienen con una base de datos de accesorios precargada que contiene muchos factores K estándar de la industria para varias válvulas y accesorios diferentes, en varios tamaños diferentes.

Todo lo que el usuario tiene que hacer es seleccionar el accesorio o la válvula apropiada y, a continuación, elegir «Guardar» para añadirlo a la tubería y que se incluya en el cálculo de la pérdida de presión de la misma.

Este enlace proporciona más información sobre los factores K de los accesorios y la ecuación de pérdidas de los accesorios.

Cálculos de pérdidas de los componentes de las tuberías

A menudo hay muchos tipos diferentes de componentes que necesitan ser modelados en un sistema de tuberías, como un intercambiador de calor o un enfriador. Algunos componentes pueden introducir una pérdida de presión fija conocida, sin embargo, es más probable que la pérdida de presión varíe con el caudal que pasa a través del componente.

La mayoría de los fabricantes suministrarán una curva de rendimiento del componente que describe las características de flujo versus pérdida de carga de su producto. Estos datos se utilizan para calcular la pérdida de presión causada por el componente para un caudal especificado, pero el caudal en sí mismo también dependerá de la pérdida de presión aguas abajo del componente, por lo que es muy difícil modelar el rendimiento de la pérdida de carga del componente sin el uso de un software adecuado, como Pipe Flow Expert.

Pérdida de presión por cambio de elevación

Flujo en una tubería ascendente

Si la elevación inicial de una tubería es inferior a la elevación final, además de la fricción y otras pérdidas habrá una pérdida de presión adicional causada por el aumento de elevación, que medida en la cabeza del fluido es simplemente equivalente al aumento de elevación.

Es decir. a una mayor elevación del fluido hay menos presión añadida debido a la menor profundidad y peso del fluido por encima de ese punto.

Flujo en una tubería descendente

Si la elevación inicial de una tubería es mayor que la elevación final, entonces además de la fricción y otras pérdidas habrá una ganancia de presión adicional causada por la caída de la elevación, que medida en la cabeza del fluido es simplemente equivalente a la caída de la elevación.

Es decir, a una menor elevación del fluido hay más presión añadida debido a la mayor profundidad y peso del fluido por encima de ese punto.

Grado energético e hidráulico

La elevación de un fluido dentro de una tubería, junto con la presión en la tubería en un punto específico, y la cabeza de velocidad del fluido, pueden sumarse para calcular lo que se conoce como Línea de Grado Energético.

La Línea de Grado Hidráulico puede calcularse restando la altura de la velocidad del fluido de la EGL (Línea de Grado de Energía), o simplemente sumando sólo la elevación del fluido y la presión en la tubería en ese punto.

Cálculos de la altura de la bomba

Dentro de un sistema de tuberías suele haber una bomba que añade presión adicional (conocida como «altura de la bomba») para superar las pérdidas por fricción y otras resistencias. El rendimiento de una bomba suele estar disponible a través del fabricante, en términos de la curva de rendimiento de la bomba, que traza un gráfico del caudal frente a la altura producida por la bomba para un rango de valores de caudal.


Dado que la altura producida por la bomba varía con el caudal, encontrar el punto de funcionamiento en la curva de rendimiento de la bomba no siempre es una tarea fácil. Si se adivina un caudal y luego se calcula la altura de elevación de la bomba añadida, esto a su vez afectará a la diferencia de presión en la tubería, que a su vez afecta realmente al caudal que se produciría.

Por supuesto, si utiliza nuestro software Pipe Flow Expert, éste encontrará el punto de funcionamiento exacto en la curva de la bomba para usted, asegurando que los caudales y las presiones se equilibran en todo el sistema para dar una solución precisa a su diseño de tuberías.

Cualquiera que sea el cálculo de la altura de la bomba añadida en su tubería, esta altura de fluido adicional debe añadirse a cualquier caída de presión que se haya producido en la tubería.

Cálculo de la caída de presión global de la tubería

La presión al final de la tubería considerada viene dada, por tanto, por la siguiente ecuación (donde todos los elementos se especifican en m de altura del fluido):
P = P – Pérdida por fricción – Pérdida por accesorios – Pérdida por componentes + Elevación + Altura de la bomba
donde

P = Presión al final de la tubería
P = Presión al inicio de la tubería
Evaluación = (Elevación al inicio de la tubería) – (Elevación al final de la tubería)
Cabeza de la bomba = 0 si no hay bomba

La caída de presión o más bien la diferencia de presión dP (puede ser una ganancia) entre el inicio y el final de una tubería viene dada por tanto por esta ecuación:
dP = Pérdida por fricción + Pérdida por accesorios + Pérdida por componentes – Elevación – Altura de la bomba
donde

P = Presión al final de la tubería
P = Presión al inicio de la tubería
Evaluación = (Elevación al inicio de la tubería) – (Elevación al final de la tubería)
Cabeza de la bomba = 0 si no hay bomba

Nota que dP se especifica normalmente como un valor positivo relativo a la caída de presión. Un valor negativo indicaría una ganancia de presión.