Fricción Smiction….. Presión de agua y pérdida por fricción, una gran pérdida de dinero…..

Durante el último año, más o menos, nos hemos centrado tanto en productos específicos como en insumos para los sistemas. Nuestra esperanza es sacar a relucir algunos de los detalles menos conocidos sobre cómo funcionan las cosas. Un detalle importante que a menudo se ignora es el tamaño de la tubería. En muchos casos, el usuario final optará por utilizar una tubería del mismo tamaño que la entrada o la salida de la bomba o el soplador que está instalando. El proceso de pensamiento a menudo va en la línea de "bueno, si necesitara una tubería más grande, ¿no haría el fabricante la entrada o la salida más grande?" La respuesta es generalmente no.

El fabricante elige el tamaño de entrada y salida en función de su aplicación más común para el equipo. Baste decir que la acuicultura no es lo primero en la lista de aplicaciones comunes para la mayoría de los fabricantes. Hay excepciones, como cuando el equipo se fabrica específicamente para nuestra industria.

¿Por qué importa el tamaño de la tubería? Si el tamaño de la tubería es demasiado pequeño, aumenta la presión para empujar el aire o el agua a través de la tubería. Una presión más alta requiere más energía, más energía requiere más trabajo; lo que equivale a más consumo de energía. Si la tubería está sobredimensionada, puede haber costos de material innecesarios, así como acumulación de desechos. Al diseñar un sistema de acuicultura, hay varios puntos en el camino donde se deben tomar decisiones para evitar causar gastos a largo plazo.

Desglosaremos esto por aire y agua para que sea más fácil. Desglosaremos aún más el componente de agua por entrada y salida, presión y gravedad. Todos ellos tienen factores que necesitan ser entendidos.

Aire

Los dos equipos de suministro de aire más comunes son los compresores y los sopladores regenerativos. Los compresores suministran pequeños volúmenes de aire a altas presiones, mientras que los sopladores regenerativos suministran grandes volúmenes de aire a bajas presiones. Todos los equipos de aire deben tener al menos un filtro de partículas en el lado de entrada para evitar la contaminación de su sistema. Si la entrada está ubicada de forma remota, como se hace a veces para el cultivo de algas y otras aplicaciones sensibles a la temperatura, será necesario utilizar los cálculos de vacío para evitar que el equipo se quede sin energía.

Compresores

En los sistemas de compresores, es importante evitar el sobredimensionamiento de las líneas de suministro, ya que esto puede sobrecargar el compresor y provocar una falla prematura.

Las líneas de compresores, si es posible, no deben estar hechas de tubería de PVC, ya que pueden explotar bajo demasiada presión y muchos compresores pueden exceder los valores nominales de PVC. Lo mejor es usar tubería de cobre, galvanizada o incluso tubería de vinilo de paredes gruesas. Si se debe usar PVC, solo se puede usar si la presión máxima del compresor no excede la clasificación en la tubería. Por ejemplo, los compresores de paletas rotativas que vemos en la industria alcanzan un máximo de 15-20 psi, que está muy por debajo de la clasificación de la tubería. Los compresores necesitan algo de contrapresión para funcionar correctamente.

Sopladores Regenerativos

Estos son los sistemas de suministro de aire más comunes en la acuicultura. Los sopladores a menudo se construyen con una salida de menor tamaño, ya que en la mayoría de las aplicaciones industriales, el soplador se conecta directamente al equipo donde se requiere. A menos que el recorrido total de la tubería sea realmente corto, será necesario aumentar el tamaño de la tubería. Una de mis demostraciones fáciles y favoritas que Bob Heideman usó en su día; fue comparar soplar a través de un agitador de café y una pajita para beber. Esta demostración nos mostró cuánto más fácil es soplar a través de la pajilla debido a que hay menos fricción. Los sopladores regenerativos deben funcionar con la menor cantidad de contrapresión posible, ½ psi-2,5 psi. Los sopladores regenerativos de alta presión pueden operar hasta 5-6 psi.

Otra cosa a tener en cuenta es que la tubería de suministro de tamaño insuficiente puede sobrecalentar el PVC y provocar que se deforme y se separen los accesorios, así como fallas en los cojinetes del motor.

Agua

Al dimensionar los sistemas de tuberías de agua, es necesario tener en cuenta la velocidad del agua. Esto es cierto tanto en el lado de entrada de la bomba como en el de salida. Una tubería de entrada de gran tamaño puede hacer que la bomba cavite durante el cebado y es más fácil perder el cebado. Una tubería de entrada de tamaño insuficiente puede privar a la bomba y hacer que la bomba cree un vacío y cavitación, lo que puede provocar una falla prematura.

En el lado de salida de la bomba, un sistema de tuberías de tamaño insuficiente puede provocar una presión y velocidades excesivas. Recuerde que se suma al presupuesto operativo sin ningún reembolso. Las velocidades de más de 8 pies por segundo durante largos períodos de tiempo pueden causar desgaste en el interior del equipo, piezas de plomería, juntas y válvulas. Todo esto genera una tensión indebida en el sistema que es difícil de ver hasta que se produce una falla catastrófica.

El único gran peligro real de sobredimensionar el lado de presión de la plomería es desperdiciar la inversión de capital en los suministros reales necesarios para completar el proyecto. Esta ocurrencia es muy rara ya que la mayoría de las empresas trabajan con presupuestos ajustados y tratan de utilizar el diámetro de tubería más pequeño posible.

Cálculos

Hemos cubierto algunos de los peligros del tamaño incorrecto de la tubería, y ahora es el momento de revisar los cálculos de pérdida por fricción de la tubería. Hay dos ecuaciones comunes que se utilizan para calcular la pérdida por fricción. Son la ecuación de presión de Darcy-Weisbach y pérdida de carga mayor o la ecuación de Hazen-Williams. Ambos requieren coeficientes y algunos cálculos relativamente complejos. Otra opción es usar tablas y gráficos para estimar la pérdida por fricción. Por supuesto, la opción más precisa es contratar a un ingeniero para que haga los cálculos que no siempre son posibles.

Para calcular la pérdida por fricción para agua o aire, se debe dibujar un esquema general, esto ayudará a determinar el posible diseño de la tubería y permitirá el número total de accesorios y tramos lineales de tubería. Esto puede ser tan simple como un boceto de servilleta o tan detallado como dibujos de ingeniería de nivel de construcción. Es importante tener en cuenta que cuando se construyen sistemas grandes, siempre vale la pena el dinero para pagar a un buen ingeniero con experiencia "en nuestra aplicación". No se recomiendan en absoluto tramos de tubería de 1000 gpm.

Una vez compilada la lista del número total de accesorios y el total de tramos lineales de tubería, comienzan los cálculos. Para comenzar, el número total de accesorios debe convertirse en la tubería lineal. El gráfico de la Tabla 1 muestra las longitudes equivalentes para algunos de los accesorios roscados típicos de hasta 4” de PVC. Tenga en cuenta que hay varias versiones de este tipo de gráfico disponibles para todo tipo de tuberías y accesorios. La mayoría de los fabricantes también los tienen disponibles.

Tabla 1: Longitudes equivalentes para accesorios de PVC

Ahora que tenemos la longitud equivalente total de la tubería y los pies lineales totales de la tubería recta, podemos usar la suma de esos dos para determinar la pérdida por fricción en tuberías de diferentes tamaños usando la Tabla 2.

Tabla 2: Flujo de agua: gráfico de pérdida de presión

Como puede ver, estos cálculos son un poco engorrosos, pero vale la pena tomarse el tiempo para hacerlos. Ahorrar en electricidad, gastos operativos, gastos de capital y mantener la bomba y el equipo seguros siempre vale la pena hacer un poco de tarea.

Drenajes por gravedad

Una última cosa a mencionar es el tamaño de la tubería para drenajes por gravedad, básicamente la tubería entre el tanque y cualquier depósito o sumidero de recolección. En esta aplicación, el tamaño de la tubería debe determinarse utilizando dos factores. Uno es minimizar la pérdida por fricción que se suma al francobordo general que se requiere en el tanque de cultivo y la velocidad de sedimentación de la corriente de desechos. Esto es diferente para cada especie y debe tenerse en cuenta o se acumularán desechos en el sistema de tuberías que pueden causar todo tipo de problemas. Lo último que queremos es que los desechos se descompongan en el sistema y agreguen el potencial para la producción de patógenos.

Tabla 3: Presión y flujo en varios tamaños de tubería

La Tabla 4 es una buena manera de ver cuánta presión se necesita para superar un sistema de tuberías de tamaño insuficiente. Las presiones excesivas son un sumidero de energía que solo reduce la rentabilidad de la producción del sistema.

Al final del día, equilibrar las soluciones económicas y la eficiencia es el quid de los problemas de la mayoría de las instalaciones. Las bombas de plástico de alta presión son económicas y comunes, pero tienden a calzarse en la aplicación para ahorrar capital. Mientras tanto, los costos operativos continuarán robando el sistema de ganancias. Encontrar el equilibrio es clave.