Hydraulic

Caudal Potencial de un Ramal Nuevo a Partir de las Presiones Medidas en la Red

Antes de conectar un consumidor nuevo a una red presurizada que ya existe, la pregunta es cuánto podrá tomar el ramal. La respuesta sale de las presiones registradas en el punto de toma, del desnivel hasta el consumidor y de las pérdidas del propio ramal.

Cuándo usar

Úsela cuando un consumidor nuevo se conectará a una red presurizada existente (agua industrial, agua de enfriamiento, agua de servicio, red contra incendio) y necesita saber, antes del proyecto detallado, si el ramal entrega el caudal necesario. Los datos de entrada son de campo: un registro de presión en el punto de toma durante un período representativo de la operación (24 h o más), con la máxima en el valle de demanda y la mínima en el pico. El cálculo muestra el caudal para cada presión posible en la toma y destaca el escenario de proyecto, con un margen para la caída de presión que provoca el propio consumidor nuevo.

El problema

Una red presurizada existente ya atiende a varios consumidores, y se conectará uno nuevo. Antes de detallar el ramal, el proyectista necesita saber cuánto podrá tomar ese ramal de la red. No hay bomba nueva ni tanque elevado que dimensionar: la fuente es la propia red, y lo que se conoce de ella es la presión en el punto de toma.

De dónde vienen los datos

La entrada principal es un registro de presión en el punto de toma durante un período que represente la operación: al menos 24 horas, cubriendo arranques de equipos y cambios de turno. Del registro salen dos números:

la presión máxima, que ocurre en el valle de demanda de la red;
la presión mínima, que ocurre en el pico.

La máxima no es la presión de red parada. La red sigue circulando en el valle, solo que menos. Esa diferencia importa en la curva de la fuente, descrita abajo.

El balance del ramal

Entre la toma y el consumidor, la presión disponible se divide en cuatro partes: la presión que el consumidor exige en la entrada, el desnivel, la pérdida en equipos en serie y las pérdidas del propio ramal. Las tres primeras no dependen del caudal; la última crece con su cuadrado. El caudal del ramal es el que cierra ese balance, encontrado por bisección con precisión de 10⁻¹⁰ m³/h.

Las pérdidas usan el mismo motor de las demás calculadoras de LOGOS: Darcy-Weisbach con factor de fricción de Colebrook-White y coeficientes K por pieza, con el método 3-K de Darby para fluidos viscosos.

La caída que provoca el propio consumidor

La presión mínima registrada es la de antes de la conexión. Cuando el consumidor nuevo abre, el caudal total de la red aumenta y la presión en la toma cae más. Hay dos formas de tratarlo:

Margen: el usuario estima la caída en porcentaje sobre la mínima registrada. La tabla de escenarios muestra el caudal en la máxima, en la mínima y en la mínima reducida de 5 % a 30 %, para ver cuánto depende el resultado del margen.
Curva de la fuente: si se conoce el caudal de la red en el pico y en el valle, la alimentación se representa con una curva ajustada en esos dos puntos, y la presión de proyecto sale de la intersección de esa curva con la curva del ramal. Los consumidores existentes se suponen a caudal constante, lo que es conservador.

Sin el caudal del valle, la curva se ajusta como si la máxima fuera con la red parada. Sale más plana que la real y la caída calculada queda menor: el resultado queda del lado optimista, y la calculadora lo advierte.

Caudal potencial no es caudal de operación

El cálculo supone la válvula del ramal totalmente abierta. El resultado es el techo del caudal en cada presión. Si el ramal pasa más de lo que el consumidor necesita, la válvula estrangula la diferencia; si pasa menos, el ramal no atiende. La verificación de velocidad en la presión máxima muestra el peor caso de erosión y ruido, con la válvula abierta en el valle de demanda.

Fórmulas y fundamentos

Carga disponible para el ramal H_disp = P_toma − P_req − Δz − h_eq

P_toma es la presión en el punto de derivación (mca); P_req la presión exigida en la entrada del consumidor (0 para descarga libre); Δz el desnivel de la toma al consumidor (positivo con el consumidor por encima); h_eq la pérdida en equipos en serie (filtro, medidor, intercambiador).

Pérdida de carga distribuida (Darcy-Weisbach) h_dist = f · (L/D) · v²/(2g)

f es el factor de fricción de Darcy; L la longitud del ramal (m); D el diámetro interno (m); v la velocidad media (m/s). La pérdida crece con v², por eso el caudal sale de una solución iterativa.

Factor de fricción (Colebrook-White) 1/√f = −2·log₁₀( ε/(3,7·D) + 2,51/(Re·√f) )

Para Re ≥ 4000, resuelto de forma explícita (estimador de Serghides con refinamiento de Newton). Por debajo de 2000, f = 64/Re; entre 2000 y 4000, interpolación de Dunlop.

Pérdida localizada h_loc = ΣK · v²/(2g)

ΣK es la suma de los coeficientes de los accesorios del ramal, incluida la te de derivación del cabezal. Para fluidos por encima de 20 cSt, el coeficiente de cada pieza sube por el método 3-K de Darby.

Presión de proyecto con margen P_proyecto = P_mín · (1 − margen)

La presión mínima registrada caerá cuando entre el consumidor nuevo. El margen es la estimación del usuario para esa caída; la tabla de escenarios muestra el caudal para varios márgenes.

Curva de la fuente en los dos puntos registrados P(Q) = P_mín − k·[(Q_pico + Q)^n − Q_pico^n], k = (P_máx − P_mín)/(Q_pico^n − Q_valle^n)

Cuando se conoce el caudal de la red en los momentos de presión máxima (Q_valle) y mínima (Q_pico), la alimentación de la red se vuelve una curva y la caída en la toma sale de la intersección con el ramal. n = 2 corresponde al flujo turbulento rugoso; n = 1,85 es el exponente usado en la extrapolación de la prueba de caudal de hidrante.

Normas y métodos

Ecuación de Darcy-Weisbach (pérdida de carga distribuida)
Colebrook, C. F. (1939) — factor de fricción en tubos comerciales
Darby, R. — Chemical Engineering Fluid Mechanics, 2ª ed. (método 3-K)
Azevedo Netto — Manual de Hidráulica (coeficientes K por pieza)
NFPA 291 (extrapolación de la prueba de caudal de hidrante, exponente 1,85)

Valores típicos de referencia

Magnitud	Rango típico	Observación
Velocidad usual en ramales de agua	1,0 a 3,0 m/s	Por encima de 3 m/s crecen la pérdida y el ruido; por encima de 5 m/s hay riesgo de erosión y golpe.
Período mínimo del registro de presión	24 h	Debe cubrir el valle y el pico de demanda de la red, incluidos arranques y cambios de turno.
Rugosidad absoluta — acero al carbono nuevo	0,045 mm	Acero con costura: ~0,06 mm; inoxidable: ~0,025 mm; PEAD: ~0,007 mm.
K de la te de salida lateral (derivación)	1,3	Te bilateral: 1,8; te de paso directo: 0,6.
Conversión de presión (agua)	10 mca ≈ 0,98 bar	Para otros fluidos, P[bar] = P[mca] · 0,0980665 · ρ[t/m³].

Ejemplo resuelto

Consumidor presurizado derivado de una red de agua industrial

Datos de entrada

Presión máxima registrada (valle): 62 mca
Presión mínima registrada (pico): 45 mca
Margen de caída en la toma: 10 %
Presión requerida en el consumidor: 15 mca
Desnivel toma → consumidor: 4 m
Pérdida en equipos: 2 mca
Ramal 1.1/2" Sch 40 (Di 40,9 mm): 120 m
Accesorios (ΣK): 10,0 —

Resultados

Caudal estimado (proyecto): 10,57 m³/h
Velocidad (proyecto): 2,23 m/s
Factor de fricción: 0,0227 —
Caudal en la presión máxima: 15,54 m³/h
Velocidad en la presión máxima: 3,29 m/s

Con la mínima registrada reducida en 10 % (40,5 mca en la toma), quedan 19,5 m de carga para el ramal, que pasa 10,57 m³/h: atiende a un consumidor de 10 m³/h con poca holgura. En el valle de demanda, con la válvula totalmente abierta, el mismo ramal pasaría 15,54 m³/h a 3,29 m/s, por encima de lo usual: la válvula del ramal debe limitar el caudal. Si se conoce el caudal de la red en el pico (80 m³/h) y en el valle (30 m³/h), la curva de la fuente indica una caída de 12,1 % en la toma y un caudal de 10,31 m³/h, algo por debajo del resultado con el margen de 10 %.

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Errores comunes

Usar una sola lectura de manómetro: sin el registro continuo no se sabe si la presión leída era del pico o del valle de demanda.
Tomar la presión máxima como la de red parada: en un registro de campo es el valle de demanda, con la red todavía circulando.
Dejar la presión requerida en cero para un consumidor presurizado: el cálculo supone descarga libre y sobrestima el caudal.
Olvidar la te de derivación: la pérdida en la salida lateral del cabezal forma parte del ramal.
Leer el caudal potencial como caudal de operación: el cálculo supone la válvula del ramal totalmente abierta, y el caudal real lo definirá la válvula o el consumidor.
Ignorar la caída que provoca el propio consumidor nuevo: la presión mínima registrada es la de antes de la conexión.

Preguntas frecuentes

¿Por qué registrar la presión durante 24 horas en vez de leer el manómetro una vez?

Porque la presión en una red existente varía con la demanda de los otros consumidores. El registro muestra el valle de demanda (presión máxima) y el pico (presión mínima). El pico define si el ramal nuevo atiende en el peor momento, y el valle define la mayor velocidad que verá.

¿La presión máxima es la presión con la red parada?

No. En un registro de campo la máxima es el valle de demanda: la red sigue circulando, solo que menos. La presión con caudal cero en la red es mayor. Por eso, en la curva de la fuente, el caudal del valle entra como dato y no como cero.

¿Para qué sirve el margen de caída?

Cuando el consumidor nuevo abre, el caudal total de la red aumenta y la presión en la toma cae por debajo de la mínima registrada. El margen es la estimación de esa caída. La tabla de escenarios muestra el caudal para márgenes de 5 % a 30 %, para ver cuánto depende el resultado de él.

¿Cuándo usar la curva de la fuente en vez del margen?

Cuando se conoce el caudal de la red en los dos momentos del registro, por un medidor en el cabezal o por el balance de los consumidores. Con los dos puntos, la alimentación se vuelve una curva y la caída en la toma pasa a calcularse. Si el caudal del valle es desconocido y queda en cero, la curva sale más plana que la real y subestima la caída.

¿El resultado es el caudal que recibirá el consumidor?

Es el caudal potencial: lo máximo que el ramal pasa a esa presión con la válvula totalmente abierta. El caudal de operación lo definirá la válvula del ramal o el propio consumidor. Si el potencial es menor que el deseado, el ramal no atiende.

¿Cómo tratar un consumidor que descarga a la atmósfera?

Informe una presión requerida igual a cero e incluya la salida de tubería (K = 1) en los accesorios, para contar la energía cinética descargada.

Glosario

Punto de toma: El punto del cabezal existente de donde sale el ramal nuevo, donde se registran las presiones.
Caudal potencial: El caudal que pasa el ramal con la válvula totalmente abierta a una presión dada en la toma. Es el techo; el caudal de operación lo define la válvula o el consumidor.
Valle y pico de demanda: Los momentos de menor y mayor consumo de la red en el período registrado. En el valle la presión en la toma es máxima; en el pico, mínima.
Curva de la fuente: La relación entre la presión en la toma y el caudal total tomado de la red, ajustada en los dos puntos registrados.
Carga disponible (H_disp): La parte de la presión en la toma que queda para vencer las pérdidas del ramal, después de descontar la presión requerida, el desnivel y la pérdida en equipos.

Entienda el concepto

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