Diseño hidráulico: caudal, velocidad y pérdida de carga

Diseño técnico de una línea de tubería

El diseño de una línea de HDPE reúne decisiones hidráulicas (sección «Selección de tubería por caudal» y «Pérdidas de carga por roce»), de presión (12) y de comportamiento mecánico del material, que se describen a continuación.

Dilatación y contracción térmica

Con un coeficiente de dilatación de ≈ 0,2 mm/(m·°C), una tubería libre de 200 m que varía 20 °C cambia de largo ≈ 0,2 × 200 × 20 = 800 mm. En instalación enterrada la fricción del suelo restringe gran parte del movimiento; en líneas superficiales debe preverse libertad de movimiento con guías, soportes deslizantes y lazos o curvas de expansión, o bien anclar la línea y absorber la fuerza resultante. La tubería debe cerrarse en zanja con temperatura estabilizada, para evitar tensiones al enfriarse.

Curvatura

La tubería puede curvarse en frío sin accesorios. Para tubos de SDR 26 o menor se recomienda un radio mínimo de aproximadamente 30 veces el diámetro exterior a 20 °C, y mayor a menor temperatura o con SDR altos; la tabla del catálogo técnico (página «Tubería HDPE lisa») da los valores por diámetro. Los accesorios y las uniones no deben quedar en la zona curvada.

Cargas externas y rigidez anular

El tubo enterrado debe resistir el peso del relleno y del tránsito. Esa resistencia, llamada rigidez anular, depende del SDR (a menor SDR, mayor rigidez) y, en la tubería corrugada, de la clase SN. En condiciones de depresión interna (vacío, vaciado rápido), la tubería de SDR alto puede colapsar; el fabricante debe verificar el caso.

Empujes y anclajes

En codos, tees, reducciones y cierres, la presión interna genera una fuerza axial. Las líneas con uniones soldadas resisten esos esfuerzos como un conjunto continuo; las líneas con uniones mecánicas pueden requerir bloques de anclaje o abrazaderas de restricción.

Otros puntos de diseño

• Protección UV: las líneas expuestas deben ser de compuesto con negro de humo, o cubrirse.
• Puntos altos y bajos: ventosas en los puntos altos y desagües en los bajos para evacuar aire y sedimentos.
• Válvulas y bombas: conexión bridada o por transición, con apoyos propios para que no carguen la tubería.
• Cruces y paralelismos: distancias a otras redes según la normativa del servicio.
• Fluido y temperatura: verificar compatibilidad química y, sobre 20 °C, aplicar la reducción de presión.

Selección de tubería por caudal

El caudal define el diámetro. Se relacionan el caudal (Q), la velocidad (v) y el diámetro interior (Di) por continuidad:

Q = v · π · Di² / 4 · Di = √( 4 · Q / ( π · v ) )

En conducciones con bombeo se recomienda, como criterio habitual de diseño, una velocidad de 1 a 2 m/s, con un máximo cercano a 3 m/s; velocidades mayores aumentan la pérdida de carga y el riesgo de transitorios, y velocidades bajo 1 m/s pueden permitir la sedimentación en líneas de pulpas o aguas servidas. Para pulpas mineras la velocidad mínima depende de la granulometría y la concentración, y se define con el proceso.

1. Fijar el caudal de diseño Q y un rango de velocidad (1–2 m/s).
2. Calcular el diámetro interior necesario con la fórmula anterior.
3. Elegir el DN comercial y el SDR (según presión, página «SDR y PN») cuyo Di = DN – 2e sea igual o mayor que el calculado.
4. Calcular la pérdida de carga (sección «Pérdidas de carga por roce») y comprobar la altura de bombeo o la presión disponible.
5. Comparar dos diámetros contiguos: costo de la tubería frente a costo de energía durante la vida útil.

Tabla rápida de caudales por diámetro

Cálculo con el diámetro interior Di = DN – 2e (espesor mínimo). A igual DN, el SDR menor tiene menor caudal por su menor sección interior.

Pérdidas de carga por roce

La pérdida de carga de una tubería lisa de HDPE es menor que la de materiales con mayor rugosidad y, como no se incrusta ni se corroe, se mantiene estable en el tiempo. Se calcula como pérdida continua (por roce en el tramo recto) más pérdidas singulares (en codos, válvulas y otros).

Hazen-Williams

Forma habitual en redes de agua, expresada en unidades SI:

J = 10,67 · Q^1,852 / ( C^1,852 · Di^4,87 )

donde J es la pérdida unitaria (m por metro de tubería), Q el caudal (m³/s), Di el diámetro interior (m) y C el coeficiente de rugosidad (≈ 150 para HDPE nuevo). Es válida para agua a temperatura ambiente y flujo turbulento.

Darcy-Weisbach

Más general y aplicable a otros fluidos y temperaturas. Utiliza el factor de fricción f de Colebrook-White con una rugosidad absoluta de ≈ 0,007 mm:

hf = f · (L / Di) · v² / (2g)

Pérdidas singulares

Se calculan como K · v² / 2g, con K según el elemento. Los valores de la tabla son típicos de la bibliografía hidráulica; para un diseño final deben usarse los del fabricante.

Las uniones soldadas generan un cordón interior que, en general, no es necesario remover por razones hidráulicas.

Tabla de velocidad y pérdida de carga

Las celdas con «—» corresponden a velocidades superiores a 3 m/s, fuera del rango recomendado. J = pérdida de carga en metros de columna de agua por cada 100 m de tubería (10 m ≈ 1 bar).

Calculadoras y tubería

Calculadora de pérdida de carga → Calculadora de SDR y PN → Tubería HDPE lisa →

Preguntas frecuentes