UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO BOLIVAR
ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
INSTALACIONES PARA EDIFICIOS
PÉRDIDAS DE CARGAS EN TUBERÍAS
PÉRDIDAS DE CARGAS EN TUBERÍAS
Bachiller (es):
Lugo Daniela| C.I 20.555.786 Pumar Zuralí| C.I: 20.554.279 Salazar Carmen| C.I: 20.554.631 Profesor:
Carlos Pérez
CIUDAD BOLIVAR, NOVIEMBRE DE 2012
INTRODUCCIÓN AL TEMA.
Sorprendentemente una teoría comprensible del flujo de fluidos en tuberías, no fue desarrollada hasta fines de la década de los 30, y métodos específicos para diseñar y evaluar caudales, presiones y pérdidas de carga, no apareció hasta 1958.
El flujo de agua en tuberías, tiene una inmensa significación práctica en la ingeniería civil.
PÉRDIDAS EN TUBERÍAS.
Pérdidas De Cargas Singulares o Locales.
Pérdidas De Cargas Lineales.
Hace referencia a la pérdida de energía que acompaña al flujo de un líquido en una tubería y suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud).
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
El derrame del fluido, se caracteriza por:
Velocidad (v).
Numero de Reynolds (re).
El fluido se caracteriza por:
Densidad (ƿ).
Viscosidad (ѵ).
Las pérdidas de carga dependen de las características del fluido, de la tubería y del tipo de derrame que se establezca.
La tubería se caracteriza por:
Sección o diámetro interior (d).
Rugosidad interior (k).
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
La viscosidad es una característica de los fluidos; indica la resistencia que oponen a desplazarse
paralelamente a sí mismos.
DENSIDAD
La densidad es la masa de fluido contenida en la unidad de volumen. En los líquidos depende de la temperatura, siendo menor cuanta más alta sea la misma, si bien estas variaciones son pequeñas.
VISCOSIDAD
RUGOSIDAD ABSOLUTA (K) Y RUGOSIDAD RELATIVA ( ).
La rugosidad absoluta puede definirse como la variación media del radio interno de la tubería.
La rugosidad relativa puede definirse como la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro de la tubería.
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
NOTA: “Un mismo valor de rugosidad absoluta puede ser muy importante en tubos de diámetro pequeño y ser insignificante en un tubo de gran diámetro”.
RUGOSIDAD ABSOLUTA (K) Y RUGOSIDAD RELATIVA ( ).
RUGOSIDAD ABSOLUTA DE MATERIALES
Material ε (mm) Material ε (mm)
Plástico (PE, PVC) 0,0015 Fundición asfaltada 0,06-0,18
Poliéster reforzado con fibra de vidrio 0,01 Fundición 0,12-0,60
Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y
soldado 0,03-0,09
Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-0,09
Fundición revestida de cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-0,24
Fundición con revestimiento bituminoso 0,0024 Madera 0,18-0,90
Fundición centrifugada 0,003 Hormigón 0,3-3,0
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
La velocidad real del fluido varía en todos los puntos de una sección, siendo nula en las paredes de la tubería y máxima en el eje de la misma. Para calcular la pérdida de carga se toma la velocidad media en toda la sección.
VELOCIDAD DE DERRAME TIPOS DE FLUIDOS
FLUJO LAMINAR: En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas al eje de la tubería y sin mezclarse, formando el conjunto de las capas o láminas.
FLUJO TURBULENTO: en el flujo turbulento las partículas fluidas se mueve de forma desordenada en todas las direcciones.
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
Permite caracterizar la naturaleza del escurrimiento, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento; además, indica, la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto a uno laminar y la posición relativa de este estado de cosas a lo largo de determinada longitud. Es una cantidad adimensional
NÚMERO DE REYNOLDS
Rango de valores para definir el régimen del flujo según el
Número de Reynolds:
Nota: Reynolds encontró que la transición de flujo laminar a turbulento, ocurre a una velocidad crítica para una
determinada tubería y fluido.
Factores que influyen en las pérdidas de carga.
El coeficiente de fricción se puede definir como un factor adimensional, el cual es función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la tubería, parámetro que da idea de la magnitud de las asperezas de su superficie interior.
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
PERDIDAS LINEALES: La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de energía de un flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento.
Darcy-Weisbach (1875).
Una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos. Sin embargo por su complejidad en el cálculo del coeficiente "f" de fricción ha caído en desuso. Aún así, se puede utilizar para el cálculo de la pérdida de carga en tuberías de fundición. La fórmula original es:
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
ó
Donde:
h: pérdida de carga o de energía (m)
f: coeficiente de fricción (adimensional)
L: longitud de la tubería (m)
D: diámetro interno de la tubería (m)
v: velocidad media (m/s)
g: aceleración de la gravedad (m/s2)
Q: caudal (m3/s)
Darcy-Weisbach (1875).
Una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos. Sin embargo por su complejidad en el cálculo del coeficiente "f" de fricción ha caído en desuso. Aún así, se puede utilizar para el cálculo de la pérdida de carga en tuberías de fundición. La fórmula original es:
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
ó
Donde:
h: pérdida de carga o de energía (m)
f: coeficiente de fricción (adimensional)
L: longitud de la tubería (m)
D: diámetro interno de la tubería (m)
v: velocidad media (m/s)
g: aceleración de la gravedad (m/s2)
Q: caudal (m3/s)
Manning (1890)
Las ecuaciones de Manning se suelen utilizar en canales.
Para el caso de las tuberías son válidas cuando el canal es circular y está parcial o totalmente lleno, o cuando el diámetro de la tubería es muy grande. Uno de los inconvenientes de la fórmula es que sólo tiene en cuenta un coeficiente de rugosidad (n) obtenido empíricamente, y no las variaciones de viscosidad con la temperatura. La expresión es la siguiente:
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Donde:
h: pérdida de carga o de energía (m)
n: coeficiente de rugosidad (adimensional)
D: diámetro interno de la tubería (m)
Q: caudal (m3/s)
L: longitud de la tubería (m)
Manning (1890)
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING DE MATERIALES
Material N Material n
Plástico (PE, PVC) 0,006-0,010 Fundición 0,012-0,015
Poliester reforzado con fibra de vidrio 0,009 Hormigón 0,012-0,017
Acero 0,010-0,011 Hormigón revestido con gunita 0,016-0,022
Hierro galvanizado 0,015-0,017 Revestimiento bituminoso 0,013-0,016
Scimeni (1925):
Se emplea para tuberías de fibrocemento. La
fórmula es la siguiente:
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Donde:
h: pérdida de carga o energía (m) Q: caudal (m3/s)
D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m)
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Scobey (1931):
Se emplea fundamentalmente en tuberías de aluminio en flujos en la zona de transición a régimen turbulento. En el cálculo de tuberías en riegos por aspersión hay que tener en cuenta que la fórmula incluye también las pérdidas accidentales o singulares que se producen por acoples y derivaciones propias de los ramales, es decir, proporciona las pérdidas de carga totales.
Donde:
h: pérdida de carga o de energía (m) K: coeficiente de rugosidad de
Scobey (adimensional) Q: caudal (m3/s)
D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m)
Principales fórmulas empíricas empleadas en el cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Scobey (1931):
Donde:
h: pérdida de carga o energía (m) Q: caudal (m3/s)
D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m)
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE SCOBEY PARA ALGUNOS MATERIALES
Material K Material K
Acero galvanizado
con acoples 0,42 Acero nuevo 0,36 Aluminio 0,4 Fibrocemento y
plásticos 0,32
Veronesse-Datei:
Se emplea para tuberías de PVC y para 4 * 104 < Re < 106:
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
PÉRDIDAS DE CARGA EN SINGULARIDADES:
Además de las pérdidas de carga por rozamiento, se producen otro tipo de pérdidas que se originan en puntos singulares de las tuberías (cambios de dirección, codos, juntas, etc.) y que se deben a fenómenos de turbulencia.
PÉRDIDAS DE CARGA POR DESNIVEL: producidas cuando se tiene una tubería en vertical.
Williams-Hazen.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
NOMENCLATURA:
J= perdida por fricción en metros.
α= coeficiente en función del
“D” diámetro y el coeficiente
“C” de rugosidad de las
tuberías que esta en función de las clase y el material.
L= longitud de la tubería en metros.
Q= gasto probable en Litros/seg.
n= exponente que varia de 1.85 a 2.00
D= diámetro en mm.
C= coeficiente de Rugosidad.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
PÉRDIDAS UNITARIAS
Las pérdidas unitarias se
encuentran en la Tabla para el cálculo de tuberías de
distribución de agua para edificios, piezas de tanque.
(Arq. Luis López, pág 60)
Ubicados en la pág.. 60 del libro utilizando la fórmula de
Williams-Hanzen y
sustituyendo, tenemos que:
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Procesamiento de datos, para determinar las pérdidas por fricción.
Donde:
• J= perdida por fricción.
•L= Longitud de la Tubería.
•Junit.= perdida unitaria.
20m
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Procesamiento de datos, para determinar las pérdidas por conexiones.
La pérdida de carga debida a una conexión , equivale a la producida por un tubo del mismo diámetro que la conexión y de la longitud igual a la indicada en las tablas ( pág. 19;
Libro Agua; Arq. Luis López)
Donde:
•J= perdida por conexión.
•Le= longitud equivalente.
•Junit= perdida unitaria.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
LONGITUDES EQUIVALENTES DE ALGUNAS CONEXIONES.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
LONGITUDES EQUIVALENTES EN REDUCCIONES.
Ejemplo:
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
Procesamiento de datos, para determinar las pérdidas por
desnivel. •Montantes: tuberías
verticales que distribuyen el agua a los pisos de una
edificación.
•La longitud vertical de una tubería
representa una PÉRDIDA.
Longitud Vertical=
10m
Perdida en tubería (J)=
10m
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
TABLA CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS EN TUBERÍAS
¿Cómo está estructurada la
tabla?
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
TABLA CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS EN TUBERÍAS
La tabla está estructurada de la siguiente manera:
Se
describen cada uno de los ramales existentes .
Se indica si se trata de agua fría o calien te
I. II
.
III
. IV.
V .
VI .
VII Unidades de .
gasto, Caudal, diámetro,
velocidad y pérdida unitaria del tramo en cuestión.
Obtenidos con la distribución de aguas blancas en edificios previamente
realizada.
Descripci ón de c/u por tramo
Longitud equivalente
de
c/accesorio en línea
recta.
Suma de las longitudes por tramo.
Tema a tratar.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
TABLA CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS EN TUBERÍAS
Ejemplo:
H La siguiente
edificación se le realizó la distribución de aguas blancas, y con la cual
se busca
ilustrar la manera como
se va a
proceder a vaciar los datos en la tabla.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
TABLA CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS EN TUBERÍAS
Una vez realizada la distribución, los siguientes son los datos obtenidos.
Cálculo de la pérdida de carga en tuberías.
TABLA CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS EN TUBERÍAS
Procedimiento:
1. Se describen e identifican: la tubería y las conexiones con el respectivo diámetro presentes en cada tramo, como se muestra a continuación.
Procedimiento:
1.Describir la tubería y las conexiones con el respectivo diámetro presentes en cada tramo
Tubería2”
Tubería2”
Reducción de 2” A 3/4”
Tubería 2”
tubería¾
” Tee
2”
Codo 2”
Tee 2”
Tee 2”
H
Codo 2”
Codo ¾”
Tee ¾”
Procedimiento:
Nota: Cada uno de los elementos se tabulan en orden. Para no extender la explicación del ejemplo seleccionamos la ruta desde el Hidroneumático hasta el nodo A12.
Procedimiento:
Nota: Todos los tramos iniciarán o en una tubería o en una reducción.
Todos los tramos terminarán en un nodo o TEE o en la tubería de la pieza sanitaria o en su defecto en el adaptador cuya pérdida es depreciable.
Procedimiento:
Nota: En estos casos no se trabajará con tee de reducción; de
presentarse el caso que hubiera que cambiar de diámetro en algún nodo, se colocará una tee normal del mismo diámetro de tubería del tramo inicial y luego se colocará una reducción en el sentido al cual va a reducirse el diámetro de tubería.
Tubería de 2”
Tee
2”Reducción 2” a
¾” Tubería de ¾”
Procedimiento:
1I.Se tabulan las longitudes de tubería y las equivalencias en metros de las conexiones y se suman las longitudes totales por tramo.
Procedimiento:
1II. Se calculan las pérdidas por tramos y se vacían en la tabla.
(las pérdidas se calculan multiplicando la longitud total del tramo por la pérdida unitaria.
Ejempl
o: Tramo Hid-A Jtramo= 3,31*0,02 = 0,0662
x
Procedimiento:
1V. Se determinan las pérdidas acumuladas y se tabulan.
Procedimiento:
NOTA: Cabe destacar que las pérdidas acumuladas se suman desde el hidroneumático hasta en tramo en cuestión en el sentido del recorrido del agua, SIN INCLUIR OTROS TRAMOS.
HID B C
D
Conclusiones de las pérdidas en tuberías.
Existen diversas fórmulas para el cálculo de las pérdidas en
tuberías, se debe recordar que cada una de ellas se aplica según un caso específico.
Las tablas que se usan en este caso para determinar las pérdidas utilizan la fórmula de Hazen-Williams.
Se debe tener minucioso cuidado al indicar cada uno de los elementos presentes en cada tramo, bien sean tuberías o accesorios.
El flujo de un líquido en una tubería viene acompañado de una pérdida de energía, que suele expresarse en términos de energía por unidad de peso de fluido circulante (dimensiones de longitud), denominada habitualmente pérdida de carga.
En el caso de tuberías horizontales, la pérdida de carga se
manifiesta como una disminución de presión en el sentido del flujo.
La pérdida de carga está relacionada con otras variables
fluidodinámicas según sea el tipo de flujo, laminar o turbulento.
Además de las pérdidas de carga lineales (a lo largo de los
conductos), también se producen pérdidas de cargas singulares o locales en puntos concretos como codos, ramificaciones, válvulas, etc.
Los ejemplos aquí mostrados son a manera de guía para poder
realizar el vaciado de la tabla de cálculo de las pérdidas en tuberías de una determinada edificación.
