Pérdida de Carga en Tuberías y Accesorios

En esta práctica vamos a emplear un circuito de tuberías que presenta diferentes situaciones reales en las que hay pérdida de carga debido a diferentes aspectos, y eso es lo que pretendemos estudiar.

La pérdida de carga responde a la desviación del comportamiento de un fluido respecto al modelo ideal, debido a que hay una pérdida de energía a lo largo del movimiento. Se considera que un fluido es ideal si podemos despreciar los términos de una ecuación que son derivados de los fenómenos de transporte: en definitiva los que provienen de la conductividad térmica y la viscosidad. Para estos fluidos se considera que se cumple la Ecuación de Bernouilli que, sin embargo, hay que corregir mediante un término entálpico cuando hablamos de fluidos reales:

Este término entálpico es lo que se conoce como pérdidas de carga entre dos secciones definidas.

Se distingue entre pérdidas de carga primarias cuando hablamos de un tramo recto de tubería y secundarias si hay fenómenos más complejos como cambios de sección, curvas…

Las relaciones que debemos emplear son las siguientes:

Que será válida cuando nos encontremos en flujo laminar 

El coeficiente de fricción se puede hallar empleando el Diagrama de Moody, relacionándolo con otras magnitudes mediante la expresión:

Para las pérdidas de carga secundarias se suele emplear el coeficiente K:

Para realizar la práctica empleamos un panel en el que había instalados dos circuitos de tuberías que presentan diferentes situaciones. En el circuito de color claro nos encontramos con un tramo recto de tubería, un ensanchamiento y una contracción de la sección, curvas de diferentes radios y una válvula de bola. En el circuito de color oscuro nos encontramos con otro tramo recto, una válvula de compuerta, un codo a 90° y un inglete. Cada uno de estos accidentes tiene una serie de tomas que nos permiten calcular la pérdida de carga que le hacen tener al conducto.

Para llevar a cabo la práctica seguimos los siguientes pasos:

1)      Abrimos la entrada de agua al conducto y la válvula de entrada al circuito que queremos estudiar.

2)      Seleccionamos el caudal para el que queremos realizar el estudio

3)      Apuntamos los valores de diferencia de alturas que muestran los tubos de la instalación.

4)      Cerrar la válvula de entrada al circuito seleccionado y, sin tocar la medida del caudal, abrir la otra.

5)      Repetimos el experimento para los dos circuitos con diferentes caudales.

Los resultados que obtuvimos en el laboratorio para los diferentes caudales han sido:

Caudal	A	B	C	D	E	F	G	H	J	K
L/min	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm Hg	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm Hg
4	25	40	30	280	-0,5	20	25	25	25	315
6	45	85	80	240	-0,5	35	55	50	55	285
8	75	145	110	200	-1	70	85	80	85	245
10	110	225	175	145	-1,5	105	130	120	130	200
12	160	325	245	75	-2	155	285	190	185	330

Siendo la correspondencia entre las tomas y los casos estudiados:

A	Tubería Recta
B	Inglete
C	Codo a 90°
D	Válvula de Compuerta
E	Ensanchamiento de la Sección
F	Contracción de la Sección
G	Curva de radio corto
H	Curva de radio medio
J	Curva de radio largo
K	Válvula de bola

En el laboratorio obtuvimos los siguientes resultados al conectar el circuito:

Caudal	A	B	C	D
L/min	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm Hg
4	25	40	30	280
6	45	85	80	240
8	75	145	110	200
10	110	225	175	145
12	160	325	245	75

Caudal	E	F	G	H	J	K
L/min	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm H2O	mm Hg
4	-0,5	20	25	25	25	315
6	-0,5	35	55	50	55	285
8	-1	70	85	80	85	245
10	-1,5	105	130	120	130	200
12	-2	155	285	190	185	330

Al observar los resultados hay una anomalía que salta a la vista con claridad, y es que la toma E da valores negativos y no tiene sentido para un valor de pérdida de carga. Si observamos más detenidamente, hay otra cosa que llama la atención y es que ambas válvulas reducen su pérdida de carga a medida que aumentamos el caudal, por tanto trataremos este caso de manera independiente.

Para calcular el coeficiente de pérdida de carga primaria necesitamos realizar una representación gráfica de ∆h_lp frente a Q²L/2gπ²D⁵:

Para la ecuación

Y para nuestro caso f=E-4.

Ahora procedemos a calcular las K de las pérdidas secundarias, para lo que necesitamos representar ∆h_ls frente a Q²/2gπ²D⁴:

Identificando coeficientes de la ecuación

Elemento	K
Codo 90°	0,0115
Contracción A	0,0071
Curva Corta	0,0113
Curva Media	0,0085
Curva Larga	0,0086
Inglete	0,0151

Los datos obtenidos, en general, son buenos y se ajustan a lo esperado, a excepción de la Curva Corta, que ofrece un valor de K más alto que las Curvas Media y Larga, y no debería ser así. Además observamos que su valor de R² es mucho más pequeño que los demás, lo cual sugiere que la recta no ofrece un buen ajuste.

Observando los valores podemos concluir que los elementos que mayor pérdida de carga secundaria tienen son los codos a 90° y sobre todo los ingletes. El resto de elementos presentan valores similares.

Las curvas para las válvulas presentan la siguiente forma:

Lo cual carece de sentido ya que la pérdida de carga secundaria va disminuyendo en lugar de aumentar y además el valor ofrecido para Q=0 no es cero.