Caída de presión

Figura 1: Fuga en la tubería que provoca una caída de presión

La pérdida de carga es la diferencia de presión entre dos puntos de un sistema. Suele estar causada por la fricción o la resistencia al flujo de las paredes de las tuberías, los accesorios o las obstrucciones, como las válvulas. En este artículo se analiza la fórmula de la caída de presión, su significado y su efecto en diversas situaciones.

¿Qué es la pérdida de carga?

La caída de presión es la reducción o pérdida de presión del fluido a medida que se desplaza por un sistema. La caída de presión es habitual en diversas situaciones, como cuando el fluido circula por una tubería, sobre un orificio o una válvula. Esto es típicamente causado por:

Fricción entre el fluido y la superficie interior de la tubería
Bloqueos de tuberías
Cambio de dirección de la tubería

Importancia de la pérdida de carga

Calcular la caída de presión es esencial para diseñar y mantener la integridad del sistema. La caída de presión es una herramienta de diagnóstico que permite detectar problemas en un sistema de tuberías. Por ejemplo:

Un pico repentino en la caída de presión podría indicar un bloqueo, una válvula parcialmente cerrada o una fuga en la tubería.
En un sistema de calefacción, una válvula controla el caudal de agua caliente para mantener una temperatura determinada. La caída de presión a través de la válvula afecta al volumen de agua caliente que circula por el sistema, influyendo así en la capacidad del sistema para alcanzar y mantener la temperatura objetivo.

En general, los cálculos de la pérdida de carga de las válvulas desempeñan un papel crucial en los siguientes aspectos:

Tamaño de la válvula: Es necesario calcular la caída de presión para dimensionar la válvula con precisión. Una válvula grande puede dar lugar a caudales elevados, lo que puede acelerar el desgaste de la válvula. Por el contrario, una válvula pequeña puede provocar una caída de presión innecesaria, con el consiguiente derroche de energía y una menor eficiencia del sistema.
Predicción del rendimiento del sistema: Los cálculos determinan la potencia necesaria de la bomba y el caudal del fluido.
Diseño e integridad del sistema: Los cálculos son una herramienta de diagnóstico para identificar problemas en las tuberías.
Anticipar el mantenimiento: El seguimiento de las caídas de presión a lo largo del tiempo ayuda a planificar las inspecciones y la limpieza.

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Fórmula de la pérdida de carga

Flujo de fluidos a través de una tubería

Figura 2: Flujo de un fluido a través de una tubería: presión de entrada (P1), presión de salida (P2), longitud de la tubería (L) y velocidad del fluido (V).

La caída de presión en una tubería se produce por la fricción entre el fluido y la pared de la tubería, los cambios en la dirección del flujo, las obstrucciones y las alteraciones en el diámetro de la tubería. La pérdida de carga puede calcularse mediante la fórmula de Darcy-Weisbach. En un sistema de tuberías formado por varias tuberías, válvulas y accesorios, la pérdida de carga total es la suma de las pérdidas de carga de cada componente.

La ecuación de caída de presión (fórmula de Darcy Weisbach) viene dada por,

ΔP: Caída de presión
f: Factor de fricción Darcy
L: Longitud del tubo
V: Velocidad del flujo
D: Diámetro del tubo
𝜌: Densidad del fluido

El factor de fricción Darcy viene determinado principalmente por el tipo de flujo (laminar o turbulento) y la rugosidad de la superficie interna de la tubería. Puede obtenerse mediante tablas de consulta, correlaciones o programas informáticos a partir de datos experimentales.

Ejemplo

Determine la caída de presión del agua en una tubería de 100 m de longitud y 0,1 m de diámetro. Tome el factor de fricción como 0,03 y la velocidad de flujo como 30 m/s.

L = 100 m
D = 0.1 m
f = 0.03
V = 30 m/s
𝜌 = 1000 kg/m³

Sustituyendo estos valores en la ecuación anterior, la caída de presión = 13,5 MPa, que es bastante significativa. Esto requeriría un equipo fuerte y de alta calidad para soportar la presión y mantener un funcionamiento eficiente. También significa que la bomba debe generar una presión significativamente superior a 13,5 MPa para mantener el caudal de agua deseado. Esto requiere un elevado consumo de energía y aumenta los costes operativos. Por lo tanto, es esencial tener en cuenta la caída de presión a la hora de diseñar y hacer funcionar el sistema.

Pérdida de carga en los racores

En tuberías largas, la caída de presión debida a la fricción en la tubería recta es mucho mayor que la caída de presión causada por los accesorios y las válvulas. Esto se debe a que las pérdidas por fricción son proporcionales a la longitud de la tubería.

A medida que se acortan las tuberías, aumenta la proporción de pérdidas debidas a los accesorios y válvulas. Sin embargo, incluso en una tubería corta, la caída de presión debida a la fricción en la tubería recta sigue siendo mucho mayor que la caída de presión debida a los accesorios y válvulas. Por eso, la caída de presión provocada por los racores y las válvulas se sigue denominando "pérdidas menores". Aunque las pequeñas pérdidas individuales puedan parecer pequeñas, pueden acumularse, especialmente en sistemas complejos con muchos accesorios y giros.

La pérdida de carga a través de los accesorios se calcula utilizando el método de la longitud equivalente. El método de la longitud equivalente permite al usuario describir la pérdida de presión a través de un accesorio como la longitud de la tubería. Consideremos un racor acodado de 0,05 m de diámetro. En muchas especificaciones de materiales de tuberías, hay tablas que proporcionan la longitud equivalente para diferentes tipos de accesorios. Por ejemplo, un racor en codo estándar puede tener una longitud equivalente de 30 diámetros de tubo.

La longitud equivalente para un codo de 0,05 m de diámetro sería 30 * 0,05 m = 1,5 m. Considerando una velocidad de flujo de 2 m/s, un coeficiente de fricción de 0,025, y utilizando la fórmula de Darcy Weisbach, la caída de presión a través del accesorio es de 1,5kPa.

Pérdida de carga y caudal

El coeficiente de caudal Cv o Kv y la pérdida de carga están inversamente relacionados. Una válvula con un Cv elevado permite un mayor caudal, provocando así una menor caída de presión a través de la válvula para un caudal determinado. Por el contrario, una válvula con un Cv bajo provocará una mayor caída de presión para el mismo caudal.

Es importante equilibrar estos dos factores a la hora de dimensionar y seleccionar las válvulas. Si una válvula es demasiado pequeña para el sistema, tendrá un Cv bajo y puede provocar una caída de presión elevada, lo que dará lugar a un rendimiento deficiente del sistema. Por otro lado, una válvula demasiado grande puede no controlar adecuadamente el caudal.