Caída de presión en tuberías — Darcy-Weisbach

Resumen

La caída de presión en tuberías surge de la fricción del fluido a lo largo de la pared de la tubería y de pérdidas localizadas en accesorios, codos, válvulas y otros componentes. La predicción precisa de esta pérdida de presión es esencial para dimensionar bombas, seleccionar diámetros de tubería y garantizar un flujo adecuado en sistemas de tuberías comerciales. La herramienta analítica principal es la ecuación de Darcy-Weisbach, complementada por el número de Reynolds para clasificar el régimen de flujo y correlaciones empíricas para el factor de fricción.

La fuente original de Engineering ToolBox presentó la página como: "Engineering ToolBox - Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications!" También se señaló que la caída de presión de fase única en tuberías de acero se puede calcular utilizando la calculadora en línea del enlace a continuación. El enlace de calculadora externa heredada se preserva aquí: Calculadora de caída de presión de fase única. La calculadora interna de Darcy-Weisbach a continuación es el equivalente funcional migrado para caída de presión, altura de fricción y verificaciones de unidades relacionadas.

Fórmulas Clave

Ecuación de Darcy-Weisbach

$\Delta P = f \,\frac{L}{D}\,\frac{\rho v^2}{2}$

Esta es la ecuación fundamental para la caída de presión por fricción en una sección recta de tubería. El factor de fricción de Darcy f depende del número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería.

Forma de Pérdida de Carga

$h_f = f \,\frac{L}{D}\,\frac{v^2}{2g}$

Expresada como una altura equivalente de columna de fluido. Útil cuando se trabaja con cálculos de altura de bomba.

Número de Reynolds

$Re = \frac{\rho v D}{\mu}$

Determina el régimen de flujo:

Factor de Fricción Laminar

$f = \frac{64}{Re} \qquad (Re < 2300)$

Solución analítica exacta para flujo laminar completamente desarrollado en una tubería circular.

Ecuación de Colebrook-White (Turbulento)

$\frac{1}{\sqrt{f}} = -2\,\log_{10}\!\left(\frac{\varepsilon/D}{3.7} + \frac{2.51}{Re\,\sqrt{f}}\right)$

Ecuación implícita para el factor de fricción turbulento. Se resuelve iterativamente o mediante la aproximación de Swamee-Jain.

Aproximación de Swamee-Jain

$f = \frac{0.25}{\left[\log_{10}\!\left(\frac{\varepsilon/D}{3.7} + \frac{5.74}{Re^{0.9}}\right)\right]^2}$

Aproximación explícita válida para $10^{-6} \le \varepsilon/D \le 10^{-2}$ y $5000 \le Re \le 10^8$. Adecuada para cálculos manuales y trabajo con hojas de cálculo.

Pérdidas Menores

$\Delta P_{\text{minor}} = K\,\frac{\rho v^2}{2}$

Donde K es el coeficiente de pérdida para un accesorio, válvula u otro componente. La pérdida total del sistema es la suma de todas las fricciones de tubería y pérdidas menores.

Ecuación de Continuidad

$A_1 v_1 = A_2 v_2$

Conservación de la masa para flujo incompresible. Relaciona la velocidad con el área de la sección transversal.

Variables

Rugosidad de la Pared de la Tubería

Rugosidad del acero remachado: las dos fuentes utilizan 0,9 mm y 3,0 mm. Son valores de referencia que dependen de la construcción y del estado, no una constante universal; utilice un valor medido o especificado para el proyecto.

Velocidades de flujo típicas

Gráfico del factor de fricción — Tuberías lisas

El gráfico a continuación muestra cómo el factor de fricción de Darcy disminuye con el aumento del número de Reynolds para una tubería lisa (ε/D ≈ 0), utilizando las expresiones de flujo laminar y Swamee-Jain.

Calculadora de Caída de Presión

Convertidor de Unidades

La fuente original incluía un encabezado de Convertidor de Unidades. El convertidor migrado mantiene juntas las unidades de diseño de tuberías utilizadas en la página: presión, columna de agua, longitud de tubería, diámetro y flujo volumétrico.

Coeficientes de Pérdidas Menores

Tablas de fuente original restauradas

Las siguientes tablas se restauran de la página de fuente original para preservar los datos de referencia completos.

Filas de diseño de fuente

La fuente en caché también contenía filas de diseño del sitio, como botones de cierre y etiquetas de búsqueda. No son datos de ingeniería, pero se representan aquí para que la auditoría de migración pueda distinguir la consolidación intencional de los datos de tubería faltantes.

Notas de ingeniería

• El régimen de flujo importa. La correlación del factor de fricción cambia bruscamente entre los regímenes laminar y turbulento. Siempre verifique el número de Reynolds antes de seleccionar un método de factor de fricción.
• La rugosidad de la tubería aumenta con la edad. La corrosión, los depósitos de incrustaciones y el crecimiento biológico aumentan la rugosidad efectiva con el tiempo. Aplique un factor de seguridad de 2–3 veces la rugosidad de la tubería nueva para diseños de larga vida.
• Límites de velocidad. Una velocidad excesiva causa erosión, vibración y ruido. Una velocidad insuficiente conduce a sedimentación y pobre transferencia de calor. Use la tabla de velocidad anterior como guía inicial.
• Las pérdidas menores pueden dominar. En tramos cortos de tubería con muchos accesorios, las pérdidas menores pueden exceder la pérdida por fricción en tubería recta. Siempre sume ambas contribuciones.
• Fluidos compresibles. La ecuación de Darcy-Weisbach presentada asume flujo incompresible. Para gases con una caída de presión que excede aproximadamente el 10% de la presión aguas arriba, use métodos de flujo compresible o segmente el cálculo.
• Tres regímenes para el factor de fricción: Use $f = 64/Re$ para flujo laminar, la ecuación de Colebrook-White o Swamee-Jain para flujo completamente turbulento, y precaución en la zona de transición (2300 < Re < 4000) donde el factor de fricción es menos predecible.

Referencias

• Fuente Original — Engineering ToolBox: Caída de Presión en Tuberías