Caudal y velocidad
El caudal Q es el volumen que pasa por segundo; la velocidad v es lo rápido que se mueve el fluido. Los une el área de la sección A de la tubería:
Q = A × v, con A = π × d² ÷ 4 para una tubería de diámetro interior d.
30 L/min (0,0005 m³/s) en una tubería de 25 mm: A = π × 0,025² ÷ 4 = 0,000491 m², así que v = 0,0005 ÷ 0,000491 = 1,02 m/s. Reducir el diámetro a la mitad cuadruplica la velocidad.
Laminar o turbulento
El número de Reynolds, Re = ρ × v × d ÷ µ, lo indica. Por debajo de unos 2.300 el flujo es laminar y suave; por encima de unos 4.000 es turbulento; entre medias, de transición. Agua (ρ = 1.000 kg/m³, µ = 1 mPa·s) a 1,02 m/s en 25 mm: Re = 1.000 × 1,02 × 0,025 ÷ 0,001 = 25.500, plenamente turbulento, como casi todo el flujo de agua en la práctica.
Pérdida de carga
La fricción contra la pared cuesta presión a lo largo de la tubería. La ecuación de Darcy-Weisbach da la pérdida:
Δp = f × (L ÷ d) × ρ × v² ÷ 2
f es el factor de fricción: 64 ÷ Re en flujo laminar y, en flujo turbulento, un valor de la ecuación de Colebrook que depende de Re y de la rugosidad de la pared (0,0015 mm en PVC y cobre, 0,045 mm en acero, 0,26 mm en fundición). Para el ejemplo anterior en 20 m de PVC, f ≈ 0,025 y Δp = 0,025 × (20 ÷ 0,025) × 1.000 × 1,02² ÷ 2 ≈ 10.400 Pa, unos 0,1 bar o 1,06 m de columna de agua. Codos, válvulas y accesorios añaden más, normalmente contados como longitud equivalente de tubería.
Elegir el tamaño de tubería
Las tuberías de suministro de agua suelen dimensionarse para 1 a 2 m/s: más lentas cuestan más, más rápidas hacen ruido, erosionan los accesorios y pierden demasiada presión. Las líneas de aspiración se mantienen por debajo de 1 m/s para evitar la cavitación. La pérdida de carga crece con el cuadrado de la velocidad, así que subir un tamaño de tubería suele reducir la pérdida en dos tercios.
Calculadoras
La Calculadora de flujo en tuberías da la velocidad, el número de Reynolds, el factor de fricción y la pérdida de carga a partir del caudal, el diámetro, la longitud y el material. La Calculadora del número de Reynolds determina el régimen de flujo por sí sola, para cualquier fluido.