Mover el agua tiene un coste porque se precisa de energía. Cuanta más resistencia pongamos a este movimiento, más energía se necesitará.
La resistencia al movimiento del agua se genera en las conducciones por las que circula. Una conducción optimizada generará menos pérdida de presión y por tanto dará lugar a un menor coste durante su funcionamiento.
Las pérdidas de presión que se producen en una instalación hidráulica están relacionadas esencialmente con dos variables: el caudal que circula por las tuberías y el diámetro interior de los tubos.
Por tanto, cuando se diseñen instalaciones hidráulicas, es fundamental tener bien estudiadas las pérdidas de presión según los caudales circulantes y los diámetros de los tubos.
Una tabla sencilla de utilizar
En este post voy a explicar cómo utilizar una sencilla tabla para el cálculo de pérdidas de presión en tuberías. Puedes descargarla de esta página web a través del enlace: Tabla de PdP
El enlace te sitúa en el sitio Descargas de la web. En la parte inferior de la hoja tendrás el icono de descarga, tal y como se muestra en la imagen siguiente. Pincha sobre el icono una vez hayas accedido a la hoja y ya tendrás disponible la tabla:
La tabla te permitirá el cálculo de pérdidas de presión en tuberías y ramales de PVC, de polietileno (PE) y tuberías metálicas para riego.
Para tramos de conducción y para ramales con aspersores
Podremos realizar los cálculos para tramos de tubería en los que no haya derivaciones así como en ramales de riego donde existen derivaciones (tomas de aspersores).
Se utilizan dos tipos de fórmulas para el cálculo de pérdidas de presión según las características del material, tanto para los tramos como para los ramales.
Para conducciones plásticas (PVC y PE) se emplea la fórmula de Hazen-Williams y para conducciones metálicas (acero galvanizado y aluminio) la fórmula de Scobey.
La expresión de Scobey incluye la pérdida de presión producida por los acoples de los tubos.
En el caso de ramales de plástico o metálicos con derivaciones para tomas de aspersores, se tiene en cuenta el factor F de Christiansen como luego veremos.
Nota: La fórmula de Hazen-Williams es una expresión experimentada para diámetros de tubo iguales o superiores a 50 milímetros e inferiores a 400 mm.
Pérdidas de presión en tramos de tuberías
En el caso de calcular las pérdidas de presión en tramos de tubería, si ésta es plástica, lo haremos en la zona de cálculo de Hazen. Veamos un ejemplo:
Supongamos un tramo recto de 260 metros de tubería de PE de 110 mm de diámetro y espesor 6,6 mm por la que va a circular un caudal de 12 l/s. Si introducimos valores en la tabla como se indica en el pantallazo siguiente obtendremos estos resultados:
Las pérdidas serán de 6,32 mca (metros de columna de agua) y la velocidad de circulación del agua de 1,63 m/s.
El valor del coeficiente C de la fórmula de Hazen es de 150 y, como se trata de un tramo recto sin codos o curvas, a la pérdida de presión debida a conexiones le damos el valor 1, tal y como se expresa en la nota que se despliega cuando nos posicionamos en la celda con el cursor:
Las pérdidas de carga por conexiones se pueden estimar entre un 10 y un 15% de las pérdidas continuas. Por lo tanto si en vez de ser un tramo recto tuviese codos, podemos introducir el valor estimado de pérdidas en la correspondiente celda, de tal manera que obtendríamos ahora el siguiente resultado:
Evidentemente la velocidad del agua no varía pero sí las pérdidas de presión, que se incrementan.
El procedimiento para el cálculo de pérdidas en tuberías metálicas empleadas en instalaciones de riego sería el mismo. En este apartado me estoy refiriendo a tuberías de acero galvanizado y de aluminio para riego por aspersión en cobertura superficial.
Como ya se ha comentado, en este caso ya están incluidas en la fórmula las pérdidas de presión producidas por los acoples de los tubos. Y ahora, un ejemplo:
Supongamos un tramo de tubería de aluminio de 128 metros de longitud y diámetro interior de 57 mm que transportará un caudal de 3 l/s. Los resultados, una vez fijados los valores en la tabla, serían los siguientes:
Introducimos el valor K = 0,40 porque la tubería es de aluminio con acoples.
Pérdidas de presión en ramales de plástico y metálicos
Con la fórmula de Hazen-Williams para tubo plástico o la de Scobey para conducción metálica obtenemos las pérdidas de presión continuas en la tubería. Pero esta pérdida de presión no es real ya que a lo largo del ramal nos encontramos con las salidas de agua hacia los aspersores y por tanto con una disminución progresiva del caudal en el tubo principal. Por consiguiente la pérdida de presión real a lo largo de toda la longitud del ramal se obtendrá aplicando a la pérdida continua un factor de reducción denominado coeficiente F de Christiansen.
Supongamos un ramal de riego por aspersión de PVC de 63 mm (diámetro interior de 59 mm) con una longitud de 120 metros que incorpora 10 aspersores de 1.800 l/h de caudal cada uno. Introducimos estos datos en la tabla y obtenemos resultados:
Hemos aplicado una pérdida estimada del 15% debido a las conexiones de los tubos porta-aspersores al ramal.
Para el cálculo de la F de Christiansen, el valor de m, al tratarse de PVC, sería de 1,8 (véase la nota en la imagen siguiente) y N sería el número de salidas del ramal; en este caso el ramal tiene conectados 10 aspersores, luego N = 10.
Con estos datos, el valor del coeficiente F es de 0,41.
Para un ramal metálico con salidas hacia aspersores, se procedería de la misma manera, pero empleando la expresión de Scobey.
Supongamos un ramal de acero galvanizado de 120 metros de longitud y 56 mm de diámetro interior por el que circulará un caudal de 3,5 l/s y que tendrá conectados 7 aspersores. Estos serían los resultados:
Si en el supuesto anterior, no hubiese derivaciones hacia aspersores, entonces el resultado sería el siguiente:
Es decir, para el supuesto de que no existan salidas hacia aspersores H = 6,06 mca y F = 1.
Si ahora aplicamos el factor F que nos salía anteriormente tendríamos:
H = 6,06 · F
H = 6,06 · 0,42
H = 2,54 mca (¿lo veis verdad? Mirad por favor los resultados del otro pantallazo de más arriba)
¡Ojo!, 0,42 es el valor de F, no el valor de K, que, por casualidad para este ejemplo coincide el número ;-)
En los ramales plásticos, cuando existen salidas para tomas de aspersores, se utilizan normalmente collarines o derivaciones de toma a los que se les acopla la caña porta-aspersor. Las pérdidas debido a estas conexiones se estiman en un 10 a 15% de las continuas en el ramal. Posteriormente, en el proceso de cálculo, se aplica el factor F de reducción de Christiansen sobre las pérdidas continuas.
En los ramales metálicos de acero galvanizado y de aluminio, las pérdidas de presión debido a los acoples ya van incluidas en la fórmula de cálculo y, al igual que para los tubos plásticos, se aplica posteriormente el factor F de reducción o de Christiansen sobre las pérdidas continuas.