Los sistemas de tuberías están diseñados para satisfacer un caudal específico y una presión de fluido particular en uniones críticas. Conociendo este detalle, los ingenieros industriales deben notificar la pérdida de presión (o caída de presión).
¿Qué es la Caída de Presión?
La pérdida de carga en una tubería o canal es la pérdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. La presión del gas en el interior de una tubería por la que circula va disminuyendo por efecto de la fricción con las paredes. La caída de presión se refiere a la reducción de la presión de aire entre dos puntos de un sistema de aire comprimido. Normalmente, esto ocurre entre el punto de salida del aire comprimido del compresor y el punto de uso. En términos más simples, la caída de presión es como la pérdida de energía que se produce a medida que el aire comprimido se mueve a través de tuberías, mangueras, válvulas y otros componentes del sistema. La caída de presión es la cantidad de presión de línea que se pierde a medida que el gas pasa a través de un instrumento. La pérdida de presión es el resultado de las fuerzas de fricción ejercidas sobre un fluido dentro de un sistema de tuberías, resistiendo su flujo. Una caída de presión es cuando hay una diferencia de presión entre el aire que sale del compresor y el aire que llega al punto de uso. El punto de uso puede ser, por ejemplo, una pistola de soplado o una cuchilla de aire.
Causas y Factores que Influyen en la Caída de Presión
Se origina porque hay mucha fricción ejercida sobre el fluido dentro del sistema de tuberías. La pérdida de presión es el resultado de las fuerzas de fricción ejercidas sobre un fluido dentro de un sistema de tuberías, resistiendo su flujo. La fricción se lleva a cabo en cada interacción sólido-líquido como las paredes de la tubería. La caída de presión puede ocurrir debido a muchas causas diferentes:
Fricción y Obstrucciones
Fricción: A medida que el aire comprimido presiona contra las paredes internas de los tubos y mangueras, crea una fricción que lo ralentiza y conduce a una pérdida de presión. Obstrucciones: El óxido, las ranuras, los arañazos o los depósitos de aceite pegajosos en las superficies internas de las tuberías y mangueras obstruyen el flujo de aire y provocan la caída de presión.
Diseño y Dimensionamiento de Tuberías
El diseño del sistema de tuberías desempeña un papel fundamental. El número de conexiones, los codos y la longitud de las tuberías contribuyen a la caída de presión. Una de las razones más comunes son los problemas con el transporte de aire comprimido desde el compresor hasta el punto de uso. Tanto la longitud del transporte como el diseño del sistema de transporte afectan la caída de presión. La presión cae más cuanto más tiempo se transporta el aire comprimido y dependiendo de la cantidad de curvas en las tuberías. También es común que la dimensión de la tubería se adelgace cuanto más tiempo se obtiene del compresor. Para obtener el mejor resultado posible, debe ser al revés. La dimensión de la tubería debe ser más amplia cuanto más tiempo tenga el compresor. El tamaño de la tubería, específicamente su diámetro, tiene un efecto inverso sobre la presión. Agua forzada a través de un 8-in. La tubería Schedule 80 saldrá de la tubería a una presión mucho menor que la misma cantidad de agua forzada a través de un tubo de 4 pulgadas.
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Fugas y Consecuencias en el Volumen
Las fugas de aire debidas a juntas mal prensadas, soldaduras incorrectas o juntas desgastadas provocan caídas tanto de presión como de volumen. La caída de volumen es la reducción de la cantidad de aire disponible en el sistema de aire comprimido, normalmente causada por fugas o escapes de aire de la red. Aunque es inevitable que se produzca algún nivel de caída de volumen, no se debe limitar a más del 10 % del rendimiento de la instalación del compresor.
Propiedades del Material de la Tubería y Efecto de la Gravedad
La fuerza de fricción del material: Todo material utilizado en un sistema de tuberías tiene un coeficiente de fricción o una medida de rugosidad que ralentiza el fluido. Dependiendo del material, este coeficiente puede cambiar con el tiempo. La corrosión ocurre cuando los iones cargados en un líquido se comen los materiales metálicos que causan picaduras a lo largo de la superficie de la tubería o en las juntas. La escala ocurre cuando los iones atraídos por las superficies metálicas se acumulan a lo largo del sistema, típicamente alrededor de las costuras o bridas. La gravedad: los aumentos y disminuciones en la elevación causan pérdidas y ganancias de presión del sistema, respectivamente.
Falta de Mantenimiento
Otra razón común para la caída de presión es el mal mantenimiento y el conocimiento de los filtros y reguladores.
Impacto de la Caída de Presión
La caída de presión en los sistemas de aire comprimido afecta a la eficiencia y a los costes. En los sistemas de aire comprimido, la caída de presión es un factor crítico que puede afectar significativamente a la eficiencia y rentabilidad de sus operaciones. La caída de presión puede causar una serie de problemas en la industria. Si no tiene conocimiento sobre la existencia de una caída de presión, y siente que no obtiene el efecto esperado, una acción común es aumentar la presión en el compresor para alcanzar el efecto deseado en el punto de uso. Pero la presión en el compresor rara vez es el problema. En caso de que haya una alta cantidad de pérdida de presión aumentará la energía requerida en las tuberías. No es inusual que la presión haya bajado 1 bar (14.5 psi) antes de llegar al usuario final.
Estrategias para Minimizar la Caída de Presión
Minimizar la caída de presión es crucial para mantener un sistema de aire comprimido eficiente y rentable.
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Diseño de tuberías adecuado: Utilice tuberías del tamaño adecuado con conexiones y codos mínimos para reducir la resistencia. La manera más eficaz de optimizar un sistema industrial para la presión es ajustando el diámetro de la tubería. Sin embargo, para especificar con eficacia el tamaño de la tubería es importante controlar los factores que pueden cambiar con el tiempo.
Mantenimiento regular: Inspeccione y mantenga el sistema regularmente para evitar obstrucciones causadas por el óxido, los depósitos de aceite y otros contaminantes.
Detección y reparación de fugas: Compruebe de forma rutinaria si hay fugas de aire en el sistema. Una presión aumentada o disminuida significa que algo ha cambiado, por ejemplo, puede indicar que hay una fuga en el sistema o que una máquina ha dejado de funcionar.
Secado eficiente del aire: Actualice su sistema de secado de aire para eliminar la humedad del aire comprimido.
Uso de soplantes de aire eficientes: Invertir en soplantes de aire diseñadas específicamente para minimizar la caída de presión puede mejorar enormemente el rendimiento del sistema.
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Cálculo y Medición de la Caída de Presión
Para el cálculo de la pérdida de carga se emplean las llamadas fórmulas de Renouard que permiten hallar la caída de presión entre dos puntos en función de la densidad, el diámetro de la tubería, el caudal y la longitud. Esta ecuación permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que inciden en la pérdida de energía en una tubería. Es una de las pocas expresiones que agrupan estos factores. Resulta de aplicar la conocida Fórmula de Manning para canales prismáticos, en conducciones cerradas o tuberías. Las diversas ecuaciones de pérdida de carga adoptan un formato estándar, después de reacomodar sus factores. La ecuación de Hazen-Williams se utiliza frecuentemente para calcular la pérdida de presión dentro de un sistema de tuberías. En ocasiones la constante de pérdida de la singularidad, K, se determina a partir del producto del coeficiente de fricción: fT, en flujo completamente turbulento por la relación de longitud equivalente: Le/D; dos factores adimensionales. El primero, fT, se determina por alguna de las ecuaciones del factor de fricción (Colebrook, Swamee y Jain, etc), simplificadas para flujo muy turbulento, es decir cuando el Reynolds del flujo es muy alto. El segundo, Le/D, corresponde a una relación adimensional propia del elemento o singularidad. Este valor se puede encontrar en diferentes tablas. El diámetro de una tubería para conducción de gas se escoge en función de la densidad del gas, la caída de presión admisible y la velocidad de circulación de gas. Si el fluido es un gas (\rho_1 << \rho_2) ¿Cuál es la nueva fórmula simplificada para la caída de presión?
Para medir las caídas de presión, puede usar un medidor de flujo. Un método sencillo de medición de caudal de un fluido es mediante la introducción de un medidor de caudal de placa de orificio en una tubería, creando de ese modo una caída de presión de vapor respecto al fluido que fluye. El gráfico siguiente, se muestra cómo cambia el caudal en relación a la caída de presión de vapor a través de un medidor de caudal de placa orificio. Podemos ver que, con una caída de presión de vapor de 25 kPa, el caudal es la raíz cuadrada de 25, que son 5 unidades. Es importante tener conocimiento sobre las caídas de presión y medir la presión continuamente para poder identificar las diferencias de presión, lo que puede indicar un problema en el sistema. La energía potencial en el inicio del proceso es igual a la energía cinética al final del proceso. Esta ecuación muestra que la velocidad del agua que pasa a través del agujero es proporcional a la raíz cuadrada de la altura del agua o carga de presión (h) por encima del punto de referencia. De igual manera, el mismo concepto se aplica a un fluido que pasa a través de un orificio que se ha colocado en una tubería. Es un fenómeno de cualquier orificio instalado en una tubería que el fluido, después de pasar a través del orificio, seguirá contrayéndose, debido principalmente al impulso del propio fluido. Esto significa realmente que el fluido pasa a través de una apertura más estrecha que el orificio. El área de la vena contracta depende de la forma física del agujero, pero se puede predecir para placas orificios estándar de aristas vivas utilizados para estos propósitos.
En procesos como torres de columnas de partículas empacadas, la caída de presión varió entre 50 y 555 Pa. Esto se estableció por números de Reynolds más grandes, lo que significa que el flujo se dificulta a medida que aumentó el diámetro de partícula. Los sistemas con aire forzado se basan en dicho parámetro.
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