CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA

CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA

Pirobloc|10/01/2019|

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La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes del conducto que las contiene. 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.

Podemos pues distinguir entre dos tipos de pérdidas de carga, pérdidas primarias y pérdidas secundarias.

Pérdidas primarias

Se producen cuando el fluido se pone contacto con la superficie del conducto. Esto provoca que se rocen unas capas con otras – flujo laminar – o de partículas de fluidos entre sí – flujo turbulento -.

Pérdidas secundarias o pérdidas en singularidades

Se producen en transiciones del conducto – estrechamiento o expansión- y en toda clase de accesorios – valvulería, reguladores de tiro, codos -.

Cálculos en una instalación de fluido térmico

El cálculo de la pérdida de carga en un circuito de fluido térmico es esencial. Si nos ceñimos al fluido térmico como el fluido a considerar, nos permite diseñar el diámetro de las tuberías de forma correcta para que cada aparato consumidor reciba el caudal requerido para su proceso productivo. El cálculo es asimismo necesario para poder realizar una selección adecuada de la bomba de recirculación principal de la instalación o de las bombas de circuitos secundarios.

Dentro de este apartado, debemos considerar también las pérdidas de carga que se producen en los propios puntos consumidores – intercambiadores, reactores – o en la caldera.

También es necesario el cálculo de la pérdida de carga en el circuito de humos de una caldera para la determinación correcta del quemador que debe instalarse. Esta pérdida de carga, es lo que se denomina habitualmente como sobrepresión de la caldera, siendo en este caso el fluido que circula, los gases de combustión.

Finalmente, y también con los gases de combustión como fluido a considerar, debemos calcular las pérdidas de carga que se producen en el conducto de evacuación de humos – chimenea -, a fin de determinar el diámetro más satisfactorio de la misma y su altura, y si las pérdidas de carga halladas pueden ser soportadas por el propio tiro de la chimenea o deben serlo parcialmente por el ventilador del quemador.

Un cálculo erróneo de la pérdida de carga en cualquier de estos apartados, que conforman una instalación de fluido térmico, no sólo afectará a la producción y a su calidad, sino que puede representar a medio plazo graves problemas en el funcionamiento de la caldera, o inclusive – especialmente en los casos de selección de quemador y dimensionado de chimenea -, la imposibilidad de la puesta en marcha de la misma.

Todos estos cálculos, dada su especificidad, deben ser realizados por técnicos especialistas, ya sea de la ingeniería responsable del proyecto, del fabricante de los equipos o del instalador.

A continuación mostramos las principales fórmulas usadas en estos cálculos, aunque algunas de ellas no son quizás, las más indicadas para instalaciones de fluido térmico, aunque sí son útiles para instalaciones auxiliares o secundarias, ya sean de agua caliente o de combustible líquido o gaseoso.

Esperamos que sirvan por un lado para dar a entender la complejidad de dichos cálculos y su importancia en el correcto funcionamiento de una instalación de fluidos, y por otro, como compendio o recordatorio a quienes ya están familiarizados con este tema.

Fórmulas

Gracias a la informática, el cálculo de la pérdida de carga en instalaciones, es hoy en día bastante asequible, basándose todos los softwares y hojas de cálculo, en las fórmulas empíricas que vemos a continuación y que son las más conocidas, empleadas y exactas en la ingeniería hidráulica.

En todas ellas podemos ver que hay dos factores que son siempre necesarios e importantes. Por un lado, el tipo de tubería del conducto, material, acabado y por tanto su rugosidad. La velocidad del fluido, ya sea expresado directamente como tal o a través del número de Reynolds es el otro factor determinante en todas las expresiones.

Pérdidas primarias

Para las pérdidas primarias, las fórmulas más conocidas y empleadas son:

• Darcy-Weisbach
• Manning
• Hazen-Williams  
• Scimeni  
• Scobey  

En todas estas fórmulas, se supone que la tubería es de sección circular. Sin embargo, pueden ser utilizados para tuberías de secciones no circulares, mediante el empleo del llamado diámetro hidráulico. Utilizando éste término se puede estudiar el comportamiento del flujo de la misma forma como si fuera una tubería de sección circular.

El diámetro hidráulico, Dh ,

Dh=4×AP   (1)Dh=4×AP   (1)

Donde:

A área de la sección transversal del conducto
P perímetro mojado por el fluido

Tabla 1. Diámetro hidráulico de secciones más habituales

Darcy-Weisbach

Sin duda, la fórmula más exacta para cálculos hidráulicos es la de Darcy-Weisbach y es la más adecuada para instalaciones de fluido térmico.

La fórmula original es:

h=f×(LD)×(v22×g)   (2)h=f×LD×v22×g   (2)

En función del caudal, la expresión queda de la siguiente forma:

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