Conceptos Esenciales de Dinámica de Fluidos y Diseño de Tuberías Hidráulicas

Fundamentos de la Mecánica de Fluidos en Conducciones

1. Energía Mecánica de un Fluido

La energía mecánica de un fluido se compone de tres elementos principales:

• Componente A (Cinético): Asociado al movimiento del agua.
• Componente B (Estático): Asociado a las presiones que el fluido ejerce sobre las paredes.
• Componente C (Potencial): Asociada a la altura.

Tipos de Presión

Presión Estática:

Fuerza que ejerce el agua sobre la unidad de superficie. Se manifiesta hacia el fondo y el resto de paredes.

Presión Dinámica:

Presión asociada al movimiento del agua. Va siempre en dirección del movimiento del agua.

Presión Absoluta:

Presión manométrica + 1 (asumiendo 1 atmósfera de referencia).

Presión Relativa (Manométrica):

Presión medida por el manómetro.

2. Propiedades Físicas y Régimen de Flujo

Viscosidad de un Fluido

Facilidad de la que disponen los fluidos para fluir.

Régimen del Movimiento del Fluido

Distinguimos dos regímenes:

• Régimen Laminar: Las partículas del fluido se mueven siempre con trayectorias uniformes y ordenadas.
• Régimen Turbulento: Las partículas se mueven siguiendo trayectorias erráticas y desordenadas.

El Número de Reynolds (Re)

Coeficiente utilizado para separar el paso de régimen laminar a régimen turbulento o al revés.

3. Pérdida de Carga e Irregularidades

Pérdida de Carga

Pérdida de presión producida por el rozamiento de las partículas de los fluidos contra los materiales. Se distinguen 3 tipos:

• Pérdida de Carga Lineal: Pérdida de presión que se produce a lo largo de la tubería debido al rozamiento del fluido contra la pared de la tubería.
• Pérdida de Carga Localizada: Pérdida de presión que se produce por el paso del fluido por tes, válvulas, codos o cualquier otro obstáculo.
• Pérdida de Carga Total: Suma de las dos pérdidas de carga (lineal y localizada).

Rugosidad

Protuberancias o irregularidades que se encuentran en el interior de los tubos.

4. Conducciones Hidráulicas y Materiales

Velocidad Recomendada en Tuberías

La velocidad del fluido debe mantenerse dentro de rangos específicos para optimizar el rendimiento:

• Tuberías Plásticas: Entre 0,5 m/s a 3,5 m/s (ambos incluidos).
• Tuberías Metálicas: Entre 0,5 m/s a 2 m/s (ambos incluidos).

Requisitos de las Conducciones Hidráulicas

1. Deben ser capaces de soportar 15 kg/cm².
2. Mantener las características organolépticas y químicas del agua.
3. Resistentes a la corrosión interior y exterior.
4. Que no haya migraciones (de componentes del material al fluido).

Materiales Utilizados en Tuberías

Materiales Metálicos

• Acero negro, galvanizado e inoxidable.
• Cobre.

Materiales Plásticos

• PVC (Policloruro de Vinilo).
• Polietileno de alta densidad.
• Polibutileno.
• Polietileno reticulado (PEX).
• PP-R (Polipropileno Random).
• Multicapa.

5. Parámetros Característicos de las Tuberías

Conductividad Térmica:

Facilidad o dificultad del material para conducir el calor.

Módulo de Elasticidad:

Relación entre la tensión y el alargamiento del material. Un módulo de elasticidad pequeño implica un material más flexible.

Transmisión de Ruido:

Conducción del ruido generado por el fluido a través de la tubería y accesorios, golpe de ariete, o dilatación térmica de la tubería.

Rugosidad Absoluta:

Protuberancia o irregularidad que existe en el interior de los tubos.

Coeficiente de Dilatación:

Alargamiento o dilatación que se produce en el material debido a cambios de temperatura.

Medidas Correctoras contra la Dilatación en AQS (Agua Caliente Sanitaria)

Se utilizan el brazo de deflexión y las liras de dilatación.

Diferencias Clave entre Tuberías Plásticas y Metálicas

Las diferencias principales radican en:

• Ruidos
• Conductividad
• Corrosión
• Incrustaciones
• Dilatación
• Coste/Precio
• Rugosidad

Incrustaciones

Formaciones de depósitos duros que se forman en la superficie de la tubería debido a la precipitación de sales de calcio y magnesio disueltas en el agua. Las incrustaciones son independientes del material de la tubería. La prevención de incrustaciones se realiza mediante descalcificadores.

Fórmulas Fundamentales de Caudal y Energía

Caudal (Q):

$$Q = V \times S = m^3/s$$ (Volumen por Sección)

$$Q = \frac{Volumen}{Tiempo} = m^3/s$$

Sección (S) y Velocidad (V):

$$S = \frac{Q}{V} = mm^2$$

$$V = \frac{Q}{S} = m/s$$

$$T = \frac{V}{Q} = segundos$$

Cálculo de Sección y Diámetro Interior:

$$S = \frac{\pi \times D_{interior}^2}{4} = m^2$$

$$D_{interior}^2 = \frac{S \times 4}{\pi} = m^2$$

Ecuación de la Energía Mecánica (EM) / Ecuación de Bernoulli:

$$EM = h + \frac{P}{d \times g} + \frac{v^2}{2 \times g} = m.c.d.a$$ (Metros de Columna de Agua)

Unidades y Constantes

• V = Velocidad (m/s)
• g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s²)
• d = Densidad ($\rho$) (kg/m³)
• P = Presión (Pascales, Pa)
• 1 BAR = 100.000 Pa
• 1 atm = 100.000 Pa (Aproximado)

Definiciones de Presión y Densidad:

$$P = \frac{F}{S} = \text{Presión (Pascales)}$$

$$\rho = \frac{m}{V} = \text{Densidad (kg/m}^3\text{)}$$

Rangos de Velocidad (Resumen):

• Metálicas: 0,5 - 2 m/s
• Plásticas: 0,5 - 3,5 m/s