PERDIDAS POR FRICCIÓN DEFINICIÓN: Representa la pérdida de energía de un flujo hidráulico a lo largo de una conducción por efecto del rozamiento. Este rozamiento es debido a la viscosidad de los fluidos reales, ya que en su movimiento aparecen fuerzas cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno y entre las diferentes capas del fluido, lo que permite, que en un tramo de conducción de fluido haya pérdida de energía. En resumen: a medida que un fluido se desplaza por un conducto forzado ocurren perdidas de energía debido a la fricción, entre las mismas partículas de líquido y entre el líquido con las paredes de la tubería. Osborne Reynolds en base a sus experimentos fue el primero que propuso evaluar la preponderancia de las fuerzas viscosas sobre la inercia. El cual se define así: FACTORES QUE INFLUYEN EN PERDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN
Las pérdidas de carga por fricción dependen de: Por lo tanto la pérdida de carga por fricción depende de
ECUACIONES APLICABLES PARA LA FORMULA DE PERDIDA POR FRICCIÓN 1. ECUACIÓN DE DARCY – WEISBACH: Esta ecuación es la de mayor precisión que otras de su mismo género y se deduce analíticamente. La variable “f” se determina en forma experimental o a
través de otras ecuaciones, y depende de la turbulencia del flujo y de la rugosidad de las paredes en contacto. Esta ecuación es válida para cualquier tipo de tubo y flujo. La fórmula original es:
En función del caudal se puede expresar así:
2. ECUACIÓN DE HAZEN – WILLIAMS: Ecuación empírica, muy usada para el dimensionamiento de tuberías comerciales o industriales, especialmente de fundición y acero. Es decir esta ecuación vale para tubos lisos o rugosos en la zona crítica o turbulenta. Fórmula:
3. ECUACIÓN DE CHÉZY Esta fórmula se usa frecuentemente en canales, en función del Radio Hidráulico; es muy poco usada en tuberías. Fórmula:
4. ECUACIÓN DE MANNING: Esta ecuación es poco usada en tuberías, pero es muy usada en canales, en función del radio hidráulico. 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 uy 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.
5. ECUACIÓN DE HAGEN- POISEUILLE: En régimen laminar, los esfuerzos cortantes se pueden calcular de forma analítica en función de la distribución de velocidad en cada sección (se puede obtener a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes), y las pérdidas de carga se pueden obtener con la llamada ecuación de Hagen-Poiseuille, en donde se tiene una
dependencia lineal entre la pérdida de carga y el caudal.
6. ECUACIÓN DE SCIMENI: Ecuación usada en el cálculo de tubos de fibrocemento
7. ECUACIÓN DE SCOBEY: 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. Le ecuación es la siguiente:
PÉRDIDAS LOCALES (PÉRDIDAS MENORES) En cualquier sistema de tuberías, además de las pérdidas por fricción explicadas anteriormente existen unas pérdidas llamadas pérdidas locales Las pérdidas locales son las pérdidas que ocurren en todo tipo de accesorio como codos, válvulas, uniones, Tees, ampliaciones, reducciones etc. se conocen como pérdidas locales, debido a que son pérdidas puntuales(localizadas) de energía. Estas pérdidas de energía son debidas básicamente a dos aspectos: 1. Turbulencia 2. Gradientes adversos de velocidad En general puede decirse que las pérdidas locales son debidas a la formación de vórtices originados por los cambios de geometría en los conductos, en los cuales se generan fenómenos de separación de flujo y flujos secundarios.
Debido a que la configuración del flujo en estos elementos es muy compleja, la teoría existente es muy pobre, habitualmente las pérdidas locales se miden experimentalmente use correlacionan con otros parámetros. Experimentalmente se ha mostrado que las pérdidas de energía varían con el cuadrado dela cabeza de velocidad, entonces las pérdidas locales pueden estimarse de acuerdo con la siguiente expresión:
En donde es el coeficiente de pérdidas locales y es función de la forma del accesorio, del número de Reynolds y del material del accesorios para flujo turbulento y teniendo que normalmente los accesorios no representan una longitud considerable, desde el punto de vista práctico, en la mayoría de los casos, se considera que el factor , depende de la forma del accesorio. Estas pérdidas normalmente se presentan de manera conjunta con las pérdidas con fricción por lo tanto el cálculo de la línea de energía en este punto es muy difícil de calcular pues se tiene el efecto combinado de pérdidas locales y pérdidas por fricción, véase la siguiente figura. Normalmente el cálculo de la línea de energía se simplifica distribuyendo las pérdidas en pérdidas por fricción y perdidas locales. Por ejemplo en la figura se considera que sólo hay pérdidas por fricción entre el punto 1 y la reducción, que todo el efecto de las pérdidas locales ocurre en la localización de la reducción y que entre la reducción y el punto 2 sólo ocurren pérdidas por fricción en el tubo 2.
Perdidas de carga por accesorios Las pérdidas que ocurren a través de estos accesorios es lo que se conoce como perdidas menores debido al cambio en la geometría o en la alteración del flujo; esta magnitud se expresa como una fracción de carga de velocidad inmediatamente aguas abajo del sitio donde se produce la perdida. Para el análisis el flujo pasa a una tubería de diámetro Dd con una velocidad Vd, donde las pérdidas son tomadas como:
Dependiendo del tipo de pérdidas que se trate esta expresión puede darse en función de la velocidad afectada por un coeficiente a dimensional K.
Para Du = Dd entonces:
Siendo h=caída de la línea piezométricas. Para cambios de curvatura. Si se visualiza el flujo en un cambio de dirección, se observa que los filetes tienden a conservar su movimiento rectilíneo en razón de su inercia. Estomodifica la distribución de velocidades y produce zonas de separación en el lado interior y aumentos de presión en el exterior, con un movimiento espiral que persiste en una distancia de 50 veces el diámetro. Si el cambio de dirección es gradual con una curva circular de radio medio R y rugosidad absoluta ε, para obtener el coeficiente de pérdida K se usa para la
gráfica de Hoffman que, además toma en cuenta la fricción en la curva.
