Pérdida de carga

La pérdida de carga en una tubería o canal 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.

Conducción de líquidos

Pérdida de carga en conducto rectilíneo

Las pérdidas de carga en un conductor rectilíneo o pérdidas primarias son pérdidas de carga debidas a la fricción del fluido contra sí mismo y contra las paredes de la tubería rectilínea.

Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es constante, y por lo tanto la velocidad también es constante, el principio de Bernoulli, entre dos puntos puede escribirse de la siguiente forma:

donde:

= aceleración de la gravedad;
= altura geométrica en la dirección de la gravedad en la sección ó ;
= presión a lo largo de la línea de corriente;
= densidad del fluido;
= velocidad del fluido;
= perdida de carga;

La pérdida de carga se puede expresar como ; siendo la distancia entre las secciones 1 y 2; y, la variación en la presión manométrica por unidad de longitud o pendiente piezométrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material, y es función del radio hidráulico, de la rugosidad de las paredes de la tubería, de la velocidad media del fluido y de su viscosidad.

Expresiones prácticas para el cálculo

Existen diversos métodos, obtenidas empíricamente, para calcular la pérdida de carga a lo largo de tuberías y canales abiertos.

Ecuación de Darcy-Weisbach

La forma general de la ecuación de Darcy-Weisbach es:

Factor de fricción de Darcy
Ecuación de Colebrook-White
Fórmula de Hazen-Williams
Diagrama de Moody
Fórmula de Bazin

Para tubos llenos, donde , la fórmula de Bazin se transforma en:

Los valores de son:

0,16 para tubos de acero sin soldadura
0,20 para tubos de cemento
0,23 para tubos de hierro fundido

Simplificando la expresión anterior para tubos de hierro fundido:

La fórmula de Kutter, de la misma forma se puede simplificar:

Con m = 0,175;
Con m = 0,275;
Con m = 0,375;

Pérdidas de carga localizadas

Las pérdidas de carga localizadas o pérdidas secundarias son pérdidas de carga debidas a elementos singulares de la tubería tales como codos, estrechamientos, válvulas, etc.

Las pérdidas localizadas se expresan como una fracción o un múltiplo de la llamada "altura de velocidad" de la forma:

Donde:

= pérdida de carga localizada;
= velocidad media del agua, antes o después del punto singular, conforme el caso;
= Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular

La siguiente tabla da algunos de los valores de K para diferentes tipos de punto singulares:

Tipo de singularidad K
Válvula de compuerta totalmente abierta 0,2
Válvula de compuerta mitad abierta 5,6
Curva de 90º 1,0
Curva de 45º 0,4
Válvula de pie 2,5
Emboque (entrada en una tubería) 0,5
Salida de una tubería 1,0
Ensanchamiento brusco (1-(D1/D2)2)2
Reducción brusca de sección (Contracción) 0,5(1-(D1/D2)2)2

En ocasiones la constante de pérdida de la singularidad, K, se determina a partir del producto del coeficiente de fricción: fT, en flujo completamente turbulento por la relación de longitud equivalente: Le/D; dos factores adimensionales. El primero, fT, se determina por alguna de las ecuaciones del factor de fricción (Colebrook, Swamee y Jain, etc), simplificadas para flujo muy turbulento, es decir cuando el Reynolds del flujo es muy alto. El segundo, Le/D, corresponde a una relación adimensional propia del elemento o singularidad. Este valor se puede encontrar en diferentes tablas. La ecuación para la K, es:


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