Cuando se diseña una instalación hidráulica, es especialmente importante considerar las pérdidas de presión, ya que de ellas depende tanto la eficiencia hidráulica como el ahorro energético.
- La dinámica de los fluidos implica una inevitable pérdida de presión a lo largo de la red.
- Longitud y diámetro de las tuberías, velocidad y coeficiente de fricción: son muchos los factores a considerar.
- Es importante tener en cuenta tanto las pérdidas de carga distribuidas como las concentradas.
- Los diagramas y tablas ayudan a calcular las pérdidas de carga y a diseñar prácticamente la instalación.
Tablas y diagramas para las pérdidas de carga: una ayuda para el diseñador.
Las pérdidas de carga son un fenómeno que se encuentra en cualquier circuito hidráulico. La propia dinámica de los fluidos provoca una pérdida de presión tanto por la fricción generalizada a lo largo de toda la red de flujo como por la presencia de elementos, como una válvula o una curva, que generan resistencia al flujo. En el primer caso se habla de pérdidas de carga distribuidas, en el segundo de pérdidas de carga localizadas.
Cuando se diseña una instalación hidráulica, es fundamental tener en cuenta las pérdidas de carga y calcularlas con precisión. Solo así es posible dimensionar correctamente la instalación y garantizar el caudal requerido.
Para ello, existen tablas y diagramas que permiten medir las pérdidas de carga y diseñar así la instalación de manera eficiente.
Pérdidas de carga distribuidas: factores determinantes.
En cuanto a las pérdidas de carga distribuidas, se pueden identificar varios conceptos básicos. Las pérdidas de carga representan una caída de presión que corresponde a la energía potencial perdida en forma de calor por el fluido para vencer la fricción encontrada a lo largo de la tubería.
Las pérdidas de carga dependen de las dimensiones de las tuberías (longitud y diámetro), la viscosidad y la velocidad del fluido, y la rugosidad de la superficie interna de las tuberías. En particular, las pérdidas de carga son:
- Directamente proporcionales a la longitud de la tubería: aumentan con la longitud de la tubería;
- Inversamente proporcionales al cuadrado del radio de la sección: si el diámetro disminuye, las pérdidas de carga aumentan significativamente a igualdad de caudal;
- Directamente proporcionales a la velocidad del fluido: cuanto más rápido fluye el fluido, más energía se disipa. A igualdad de diámetro de tubería, cuanto mayor es la velocidad, mayores son las pérdidas de carga;
- Directamente proporcionales a la viscosidad del líquido y a la rugosidad de las tuberías.
Coeficiente de fricción y diagrama de Moody
La fórmula que reúne todos estos elementos es la ley de Darcy. Según esta fórmula, la pérdida de carga se da por la relación entre el producto del cuadrado de la velocidad por un coeficiente de resistencia o factor de fricción y el doble del diámetro de la tubería. El coeficiente de resistencia, a su vez, depende de la rugosidad de la tubería y del número de Reynolds, un valor adimensional proporcional a la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas. El número de Reynolds permite distinguir entre flujo laminar o turbulento.
Para conocer el coeficiente de fricción, se puede utilizar el diagrama de Moody. En este diagrama, las abscisas muestran los valores del número de Reynolds, las ordenadas muestran el valor del coeficiente de fricción y las diferentes curvas muestran los valores de rugosidad.
¿Cuál es, entonces, la utilidad del diagrama de Moody?
Conociendo el valor del número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería, el diagrama permite determinar el factor de fricción, que a su vez permite calcular las pérdidas de carga distribuidas.
Por supuesto, para facilitar el cálculo de las pérdidas de carga, partiendo de las leyes físicas y de las fórmulas correspondientes, se han creado tablas y diagramas listos para usar. Generalmente, los diagramas de pérdidas de carga se desarrollan en una escala logarítmica y muestran las pérdidas de carga en las abscisas y los caudales en las ordenadas. Los diámetros de las tuberías y las velocidades del agua se representan mediante haces de líneas perpendiculares entre sí.
Cuando las pérdidas de carga son localizadas
Además de las pérdidas de carga distribuidas, es necesario considerar también las pérdidas de carga localizadas o concentradas. Los principios físicos que determinan la pérdida de presión no cambian y es posible utilizar el método de las longitudes equivalentes para el cálculo. En la práctica, la pérdida de carga concentrada se corresponde con la longitud de la tubería que daría la misma pérdida de carga. Un método más preciso es, sin embargo, el uso del coeficiente Kv o coeficiente de flujo.
Este coeficiente define el flujo de agua que atraviesa el componente con una presión diferencial de 1 bar, relacionando así el caudal y la pérdida de carga.
Hay disponibles tablas con los coeficientes de flujo relativos a los componentes principales de las redes hidráulicas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el tipo de producto puede marcar la diferencia. No todas las válvulas, por ejemplo, tienen el mismo coeficiente de flujo. Hay válvulas que garantizan mínimas pérdidas de carga y, por lo tanto, pueden tener un impacto significativo en el ahorro energético.
