Datos iniciales
- Entrada a la tubería: 0.5
- Salida de la tubería: 1.0
- Codo 90°: 0.5-1.0
- T: 1-2
- Válvula de bola totalmente abierta: 0.05-0.2
- Válvula de compuerta totalmente abierta: 0.15-0.30
- Válvula de globo totalmente abierta: 3-10
- Válvula de retención: 1.5-3
Cálculo
Dependencia de la pérdida de presión sobre el diámetro de la tubería
Sobre el cálculo hidráulico de tuberías
Esta calculadora realiza el cálculo hidráulico de una tubería presurizada con agua. Determina la velocidad del flujo, el régimen de flujo, el factor de fricción y las pérdidas totales de presión por fricción en la tubería y por pérdidas locales. El cálculo es útil para elegir el diámetro, estimar la altura manométrica necesaria de la bomba y comparar opciones de tuberías y accesorios.
Referencias y recomendaciones
1) Conversión de los datos de entrada
Caudal Q se convierte a m3/s. Si el valor se introduce en m3/h, L/s o L/min, se convierte a m3/s dividiendo por el factor de conversión correspondiente.
Diámetro interior d se obtiene a partir del diámetro exterior y el espesor de pared.
d = (Dexterior − 2·s)/1000
donde Dexterior y s están en mm. El resultado d está en m.
2) Propiedades del agua a partir de la temperatura media
Densidad del agua ρ se calcula mediante una aproximación en función de la temperatura media del agua tavg. Dentro de la calculadora, ρ se obtiene en t/m3, lo que numéricamente es igual a kg/L.
ρ = (−0.003·tavg2 − 0.1511·tavg + 1003.1)/1000
Viscosidad cinemática ν también se toma como una aproximación de tavg. El resultado ν está en m2/s.
ν = 0.0178 / (1 + 0.0337·tavg + 0.000221·tavg2) · 10−4
3) Velocidad del flujo y régimen de flujo
Velocidad v se calcula a partir del caudal y del área de la sección. La fórmula incluye la densidad ρ para mantener un sistema interno de unidades consistente.
v = 4·Q / (ρ·π·d2)
Número de Reynolds Re se usa para clasificar el régimen de flujo.
Re = v·d / ν
Los límites del régimen se toman como 2300 y 4000. Para Re ≤ 2300 el flujo se considera laminar. Para Re ≥ 4000 el flujo se considera turbulento. En el intervalo 2300-4000 el resultado es más sensible a los supuestos y suele requerir una verificación cuidadosa.
4) Factor de fricción λ y rugosidad
Rugosidad absoluta ε se toma del material seleccionado y se convierte de mm a m. Después se usa la rugosidad relativa ε/d.
Factor de fricción de Darcy λ se selecciona según el régimen de flujo y según Re y ε/d.
λ = 75/Re
La fórmula anterior se utiliza para flujo laminar.
λ = 0.3164 / Re0.25
La fórmula anterior se utiliza como aproximación en la zona de turbulencia en desarrollo.
λ = 0.11 · (68/Re + ε/d)0.25
La fórmula anterior se utiliza como aproximación para flujo turbulento con efectos de rugosidad.
λ = 0.11 · (ε/d)0.25
La fórmula anterior se utiliza para flujo turbulento completamente rugoso, donde la influencia de Re se vuelve pequeña.
5) Pérdidas por fricción y pérdidas locales
Pérdidas por fricción a lo largo de la longitud se calculan con la ecuación de Darcy-Weisbach usando λ, la velocidad v, la longitud L y el diámetro interior d. Primero se calcula la parte debida a la longitud y después se añaden las pérdidas locales.
Pérdidas locales se incluyen mediante la suma de coeficientes de pérdida Σζ para todos los accesorios y válvulas. Σζ es adimensional, y la pérdida añadida es proporcional a v2.
Δplocal = Σζ · (ρkg/m³ · v2 / 2)
Aquí ρkg/m³ es la densidad en kg/m3. Dentro de la calculadora se aplican conversiones coherentes de unidades.
6) Valores finales y unidades
Pérdida total de presión Δp se muestra en varias unidades. El resultado base se calcula en Pa y luego se convierte.
ΔpkPa = ΔpPa / 1000
Δpbar = ΔpPa / 100000
H = ΔpPa / 9807
H es la pérdida de carga en metros de columna de agua. El factor 9807 Pa/m corresponde a ρ≈1000 kg/m3 y g≈9.807 m/s2.
Característica hidráulica S se calcula como la pérdida de presión dividida por el cuadrado del caudal. Esto es útil para comparar trazados y representar relaciones.
S = ΔpPa / Qh2
donde Qh es el caudal en m3/h. Las unidades de S son Pa/(m3/h)2.
7) Comprobaciones prácticas del resultado
Velocidad v en sistemas de agua suele mantenerse entre 0.25-1.5 m/s. Velocidades menores pueden favorecer la acumulación de aire y la sedimentación. Velocidades mayores aumentan el ruido, la erosión y las pérdidas de presión.
Suma de coeficientes locales Σζ depende del número de accesorios y válvulas. En una línea simple son habituales valores alrededor de 1-3. En trazados con muchos codos y válvulas también son típicos valores alrededor de 5-15.
Rugosidad ε tiene un efecto más fuerte a velocidades altas y diámetros pequeños. En tuberías de acero antiguas con depósitos, un ε mayor puede incrementar mucho Δp, por eso en sistemas existentes suele comprobarse con una rugosidad más conservadora.
8) Normas y documentos relacionados
EN 806 (Partes 1-5) describe requisitos para instalaciones de agua potable dentro de edificios, incluidos enfoques generales para seleccionar tuberías y accesorios y para calcular pérdidas de presión.
EN 805 se aplica a sistemas de abastecimiento de agua fuera de edificios y puede usarse como referencia para el diseño y la verificación de sistemas de tuberías.
EN 12828 cubre sistemas de calefacción por agua en edificios y ayuda a vincular los cálculos de pérdidas de presión con la selección de la bomba y el equilibrado hidráulico.
ISO 80000 define reglas para magnitudes y unidades, lo que ayuda a interpretar correctamente Pa, kPa, bar y metros de columna de agua.
FAQs
Por qué aumentan tan rápido las pérdidas de presión cuando se reduce el diámetro de la tubería
La pérdida de presión depende de la velocidad v y, para un caudal fijo, la velocidad es inversamente proporcional a d2. En la ecuación de Darcy-Weisbach, Δp crece aproximadamente con v2, por lo que reducir el diámetro puede provocar un fuerte aumento de las pérdidas.
Qué es más importante en el cálculo: la rugosidad o el número de Reynolds
En flujo moderadamente turbulento, ambos factores influyen en el resultado. A Re muy altos y con rugosidad apreciable, el flujo se aproxima a un régimen donde domina ε/d y la influencia de Re se hace menor. Por eso es crítica una rugosidad realista en tuberías antiguas.
Qué es Σζ y cómo estimar las pérdidas locales
Σζ es la suma de los coeficientes de pérdida ζ de todos los accesorios y válvulas, y es adimensional. La pérdida local se calcula como Σζ·(ρ·v2/2). Para una estimación preliminar, se pueden sumar valores típicos de ζ y después afinarlos con datos de válvulas y accesorios.
Cómo elegir un “buen” régimen de flujo para el cálculo
La mayoría de sistemas técnicos de agua operan en la zona turbulenta, donde Re suele estar por encima de 4000. Si Re cae en el intervalo 2300-4000, el resultado es menos seguro. En ese caso, a menudo se ajusta el diámetro o el caudal, o se afinan los supuestos de viscosidad y rugosidad.
Cuál es la diferencia entre Pa, bar y metros de columna de agua
Pa es la unidad de presión del SI. Bar es una unidad derivada práctica, donde 1 bar = 100000 Pa. Los metros de columna de agua expresan una pérdida de carga equivalente y se relacionan con la presión mediante H = Δp/(ρ·g). En la calculadora se usa la conversión 9807 Pa por 1 m de columna de agua.