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CAP. 5 - PÉRDIDAS DE CARGA

AFTA – Asociación de Fabricantes de Tubos y Accesorios

NORMAS TÉCNICAS

1

TABLAS DE DIMENSIONES Y MASAS

2

SECTORES Y APLICACIONES

3

CARACTERÍSTICAS DIFERENCIALES

4

PERDIDAS DE CARGA

5

DIMENSIONADO DE INSTALACIONES

6

CÁLCULOS Y COMPROBACIONES

7

RECOMENDACIONES

8

SEÑALIZACIÓN

9

Página 1

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PERDIDAS DE CARGA 1

ESTUDIOS SOBRE PERDIDAS DE CARGA La realización de este estudio fue motivada por la convicción de los fabricantes de que los datos existentes desde hace décadas sobre rugosidad y pérdidas de carga de los tubos de acero galvanizados, son en la actualidad ampliamente mejorados como consecuencia de la progresiva implantación a lo largo del tiempo de métodos, tecnología y sistemas de calidad sensiblemente optimizados. Se trataba por tanto, de comprobar y medir la mejora de las características hidráulicas de los tubos de acero galvanizado, considerados en la Norma Básica para Instalaciones Interiores de Suministro de Agua como tubos de paredes rugosas, y realizar una valoración comparativa con los tubos de cobre, considerados en la misma como tubos de paredes lisas. La primera fase de la investigación se inició con un estudio bibliográfico y el establecimiento de unas consideraciones básicas respecto a : • • • • • •

Diámetros de tubo de acero galvanizado y de cobre. Velocidades de circulación: entre 0,5 y 3m/s. Flujo de fluido: considerado unidireccional, permanente y uniforme. Temperatura del agua: entre 14ºC y 18ºC. Fórmulas básicas: ecuaciones de la continuidad y de la energía. Pérdidas energéticas: - Régimen laminar y turbulento según velocidad media de circulación de fluido, su viscosidad, diámetro interior del tubo y rugosidades. - Pérdida de carga

Todo ello en base a los criterios que fijaban el entorno donde, en las condiciones normales de aplicación, abastecimiento de agua fría y caliente sanitaria, se iba a desarrollar el trabajo de investigación.

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La segunda fase fue el análisis experimental para una gama de tubos de acero galvanizado desde 3/8 DN 10 hasta 3 DN 80 y para otra gama de tubos de cobre de diámetros desde 12 x 14 mm hasta 51,6 x 54 mm. Y la tercera, el estudio y tratamiento estadístico de los resultados obtenidos. Lo primero fue determinar el valor exacto de sus diámetros interiores, efectuando 12 mediciones en 3 secciones deferentes del tubo sobre diámetros equidistantes. A continuación se prepararon unas probetas y un esquema de trabajo y a partir de aquí se puso a punto un banco de ensayo con un sistema de circulación en circuito cerrado.

Se hizo circular agua a través del tubo a ensayar variando el caudal circulante. Los caudales eran medidos en función del diámetro por contadores de agua. Se utilizaron tramos de tubería de longitudes 20 veces el diámetro aguas arriba de la forma de presión y 30 veces dicho diámetro aguas abajo. Se dejaba el sistema durante unos diez minutos en unas mismas condiciones con el fin de regularizar las condiciones de flujo a lo largo del tubo. Para cada variación de caudal se obtenía una pérdida de carga J en mm de columna de agua, leyéndose ésta en un manómetro diferencial graduado en mm. Previamente se nivelaba el conducto a medir para equilibrar la altura geométrica. A continuación se realizó el consiguiente estudio y tratamiento de los resultados obtenidos, determinando primero los valores del coeficiente de fricción o rozamiento y la rugosidad media para cada tubo. También para cada uno de ellos se obtuvieron parejas de valores que relacionaban caudales y pérdidas de carga que ajustados en curvas exponenciales y tras un tratamiento de datos se aproximaron a curvas tipo.

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Traslados todos estos datos a unos ejes de coordenadas logarítmicas, se obtuvieron líneas rectas, formando dos gráficos generales, una para acero galvanizado y otra para cobre, en los que se puede calcular la pérdida de carga unitaria en función del caudal y del diámetro de tubería. Una fusión de las dos gráficas generales se presenta en el desplegable de este Manual. Las conclusiones del análisis general del estudio experimental y del tratamiento de los datos obtenidos se resumen en: •

•

•

Disminución de las pérdidas de carga provocadas por la circulación de agua, que respecto a datos anteriores sobre tubos de acero galvanizado es del orden del 30%. Disminución de la rugosidad media de los tubos de acero galvanizado, en un 73% con relación a la de diseño Nuevo valor de la rugosidad para los tubos galvanizado: ε = 0,0033 cm.

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2.

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PROPUESTA DE ACTUALIZACION DE LAS NORMAS BASICAS PARA INSTALACIONES INTERIORES DE SUMINISTRO DE AGUA TABLA I

Como consecuencia de todo lo anterior se plantea la necesidad de modificar la vigente Orden de 9 de Diciembre 1975 “Normas Básicas para las Instalaciones Interiores de Suministro de Agua”, en lo referente a la clasificación de tuberías a efectos de dimensionado, anulando los conceptos de “Tubería de paredes lisas” y “tubería de paredes rugosas” e introduciendo las equivalencias correctas en dimensiones entre tuberías de acero galvanizado y tuberías de cobre. La equivalencia entre diámetros de uno y otro material tiene estar basada en dos conceptos fundamentales: -Capacidad de evacuación teórica. En la tabla I se presentan los valores obtenidos en el estudio, apreciándose un mejor comportamiento de los tubos de acero galvanizado frente a los de cobre considerados equivalentes por las citadas Normas Básicas. (vel=1 m/s) -Pérdida de carga. Los valores obtenidos en el estudio se recogen en la tabla II, apreciándose también en general, unas mejores características del tubo de acero galvanizado con respecto a los considerados equivalentes de cobre. Del análisis conjunto de ambas tablas, surge la propuesta de equivalencia de diámetros entre tubos de acero galvanizado y tubos de cobre que comercialmente son empleados en instalaciones de edificación. Propuesta que queda reflejada en la tabla III. De este análisis se deduce también la improcedencia de los términos “tubos de paredes rugosas” y “tubos de paredes lisas” utilizados por las mencionadas Normas Básicas.

CAPACIDAD DE EVACUACIÓN TEORICA

Tubo acero galvanizado 3/8 DN 10

CAUDAL l/h 431,95

½ DN 15

Tubo cobre 12 x 14 13 x 15

CAUDAL l/h 416,71 490,42

16 x 18 20 x 22 26 x 28 33 x 35 40 x 42 51,6 x 54 -

732,90 1149,00 1926,08 3084,68 4544,27 7437,06 -

695,12

¾ DN 20 1 DN 25 1 ¼ DN 32 1 ½ DN 40 2 DN 50 2 ½ DN 65 3 DN 80

1342,48 2055,10 3573,32 4930,75 7804,99 13379,60 18605,80

TABLA II

PERDIDAS DE CARGA

Tubos de acero galvanizado Pérdida de carga J (mm c.a/m)

Tubo

3/8 DN 10

109,78

½ DN 15

109,38

¾ DN 20 1 DN 25 1 ¼ DN 32 1 ½ DN 40 2 DN 50 2 ½ DN 65 3 DN 80

69,64 52,02 33,60 31,55 20,86 16,15 13,33

Tubos de cobre Pérdida de carga J (mm c.a/m) 160,91 124,31

Tubo

12 x 14 13 x 15 16 x 18 20 x 22 26 x 28 33 x 35 40 x 42 51,6 x 54 -

87,18 69,29 48,49 39,43 33,27 19,12 -

TABLA III PROPUESTA Normas básicas 9-12-75

Propuesta

Antes

Ahora

Cobre

Acero galvanizado

Cobre

10 x 12 13 x 15 16 x 18 20 x 22 26 x 28 33 x 35 40 x 42

3/8 DN 10 1/2 DN 15 3/4 DN 20 1 DN 25 1 1/4 DN 32 1 1/2 DN 40 2 DN 50

13 x 15 * 16 x 18 * 20 x 22 26 x 28 33 x 35 40 x 42 51,6 x 54

* Estas equivalencias en cobre deberían ser 12 x 14 y 15 x 17 mm respectivamente. Dado que estas medidas no se comercializan, se adoptan las de características más cercanas: 13 x 15 y 16 x 18 mm.

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CALCULOS DE PERDIDAS DE CARGA Todo fluido real pierde energía al circular de un punto a otro por una conducción. Esta pérdida de energía se debe al rozamiento que se produce entre el fluido y las paredes de la conducción así como por el paso del mismo a través de los obstáculos que presenta la tubería: cambios de dirección, estrechamientos o cambios de sección, válvulas, derivaciones, manguitos, etc. Así pues, existen dos clases de pérdidas de carga: • Una debida a los tramos rectos de las tuberías, llamada PERDIDAS DE CARGA LINEAL • Y otra debida a los elementos singulares de la conducción llamada PERDIDAS DE CARGA LOCALIZADAS

3.1

CONDUCCIONES HIDRÁULICAS Una vez definida la conducción en cuanto a trazado, caudales y diámetros, se operará del siguiente modo:

3.1.1

Perdidas de carga lineal a) Obtención de la longitud total de tubo recto que existe en la instalación (o línea más favorable) para cada diámetro. b) Del gráfico general de pérdidas de carga de tubos de acero galvanizado en conducciones hidráulicas y siguiendo las instrucciones del ejemplo que figura anexo, se obtiene la pérdida de carga en milímetros de columna de agua por metro lineal de tubería (mm c.a./m) para cada diámetro.

3.1.2

Perdidas de carga localizadas El sistema de cálculo más simplificado es el que utiliza la llamada Longitud Equivalente: Longitud de tubería recta de igual diámetro que el del obstáculo que produce la misma pérdida de carga que él. a) De la tabla de longitudes equivalentes se toma la que corresponde a los elementos singulares presentes en la red hidráulica. b) Efectuaremos el producto de cada longitud equivalente por el número de elementos iguales en la conducción. c) Sumando todos los productos correspondientes a un mismo diámetro, se encontrará la longitud equivalente total del conjunto de elementos presentes en la conducción de ese diámetro.

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Longitudes Equivalentes (en m) de las pérdidas de carga localizadas correspondiente a distintos elementos singulares de las redes hidráulicas.

Nota: En el caso elementos con pérdidas de cargas importantes, tanto si son o no recogidos por la tabla, es recomendable utilizar los valores presentados por el fabricante.

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3.1.3

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Pérdidas de Carga Totales en la Conducción a) A la longitud total de tubería recta de un determinado diámetro obtenida en 3.1.1 a), añadiremos la longitud equivalente total correspondiente a los accesorios de ese mismo diámetro calculada en 3.1.2. c). b) Multiplicaremos después esta suma por la pérdida de carga unitaria para ese diámetro obtenida en 3.1.1 b). c) Efectuando los pasos anteriores a) y b) en cada diámetro y sumando los resultados parciales obtendremos la pérdida de carga total en la conducción o ramal más desfavorable. Todo este proceso, en instalaciones que tengan varias ramificaciones, deberá aplicarse al trazado desde la toma a la red de suministro hasta el punto de servicio, por el ramal más desfavorable.

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3.2

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CONDUCCIONES NEUMATICAS Las perdidas de carga en una red de aire comprimido son función de la presión estática, del caudal y del diámetro de la tubería, y en menor medida, de la densidad del aire y de la rugosidad de la tubería. Esta relación estará plasmada en el gráfico general de pérdida de carga de tubo de acero en conducciones neumáticas que figura en el desplegable de la siguiente hoja.

3.2.1

Perdidas de carga lineal a) Siguiendo las indicaciones recogidas en el ejemplo adjunto al gráfico, determinaremos la pérdida de carga por cada 10 m de tubería de acero. b) Dividiendo este valor por 10 y multiplicando el resultado por la longitud total de tubería recta (en m) de un diámetro determinado, tendremos la pérdida de carga total para ese diámetro. c) Sumando los resultados parciales obtenidos para cada diámetro que compone la conducción de aire comprimido o ramal más desfavorable de la misma, tendremos la pérdida de carga total buscada.

3.2.2

Perdidas de carga localizadas Existen ábacos y tablas, al igual que en las conducciones hidráulicas ,que nos dan las longitudes equivalentes en metros de tubería recta para los distintos obstáculos o elementos singulares de la conducción. Sin embargo por las razonas que expondremos a continuación se hace innecesaria su utilización. 1) Salvo en pequeñas instalaciones, la línea principal se suele diseñar y montar en anillo, por lo que un receptor neumático puede ser alimentado por uno u otro lado, o por ambos a la vez, minimizando las pérdidas de carga y las variaciones de presión de unos receptores o puntos de consumo a otros. 2) Tradicionalmente suele sobredimensionarse las conducciones, en previsión de futuras ampliaciones o conexiones de nuevos receptores, hecho muy frecuente en este tipo de instalaciones. Es decir, cualquier mayoración de la pérdida de carga total en la conducción debida a los distintos obstáculos de la misma, va a ser compensada por la disposición de la red en anillo y su sobredimensionado, por lo que no tiene objeto su consideración.

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Central compresora de aire

Disposición general de redes principales de aire comprimido

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