Última actualización: 30 de Oct. de 2024

Calculadora del caudal en una tubería

Q: ¿Cambia el caudal con el diámetro de la tubería?

Sí , esto se debe a que el caudal está directamente relacionado con el área de la sección transversal de la tubería. Cuando aumenta el área de la sección transversal (lo que ocurre cuando aumenta el diámetro de la tubería), también aumenta el caudal. Del mismo modo, al disminuir el diámetro, disminuye el caudal.

Q: ¿Cómo calcular el caudal en una tubería?

Se multiplica la velocidad del líquido que circula por la tubería por el área de sección transversal de la tubería.

Creada por Bogna Szyk

Revisada por Dominik Czernia, doctorado/a

Dominik Czernia

PhD, Institute of Nuclear Physics PAN

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Physicist at the Institute of Nuclear Physics in Kraków interested in magnetism and always ready to explain everything to everyone in simple terms. He is currently working on adding more scientific papers to his collection, accompanied by his son and another baby on its way. A perfectionist with an acute eye for detail, he has a unit converter in his brain and uses it to compare prices at the supermarket. Loves peace and quiet, especially during hiking. See full profile

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y Jack Bowater

Traducida por Luis Hoyos

Luis Hoyos

Luis Hoyos is a fresh graduate Mechanical Engineer with thermodynamics and fluids mechanics expertise. He's interested in learning new things and applying them to real-life problems. Luis also likes to build tools that make repetitive and boring tasks a breeze, like calculators (surprise?). When he's not creating calculators, he's in the process of building the size of the tissue attached to his bones, aka bodybuilding. He also loves being with his little cat and seeing her do crazy things. See full profile

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y Gabriela Diaz

Gabriela Diaz

A Mechanical Engineer with experience in oil and gas projects and as a mechanics professor. Pursuing a Master's degree where she's figuring out how to make the most of the resources and reduce waste in oil facilities. Passionate about science and arts, when she's not working on a science project, she's running a fashion business with her family. In her free time she loves running and singing (but not at the same time!). See full profile

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Índice general

¿Qué es el flujo por gravedad?Ecuación de Hazen-Williams Caudal de agua en una tubería: un ejemplo Preguntas frecuentes

Utiliza esta calculadora del caudal en una tubería para analizar las propiedades del agua que fluye en un sistema alimentado por gravedad. Solo necesitas conocer el diámetro de la tubería, el material del que está hecha, su longitud y el desnivel. Con esa información aplicamos por ti la ecuación de Hazen-Williams, que calcula el caudal y velocidad resultantes. ¿Te interesa? Sigue leyendo para descubrir las fórmulas que utilizamos y ver un ejemplo de cálculo fácil de seguir.

También te sugerimos que consultes la calculadora del flujo en placas de orificio 🇺🇸 para ver otro tipo de caudal.

¿Qué es el flujo por gravedad?

El flujo de agua por gravedad ocurre cuando el flujo de agua en una tubería está causado por la fuerza de la gravedad. El flujo se producirá siempre que haya una diferencia de altitud entre el agua de origen (fuente aguas arriba) y el punto de descarga. Tampoco debe utilizarse energía externa (por ejemplo, de una bomba) para hacer avanzar el agua. A los sistemas que funcionan bajo este fenómeno se les conoce como sistemas de abastecimiento de agua por gravedad.

Nuestra calculadora de flujo de agua considera el caudal por gravedad en el que el agua fluye por una tubería cerrada. Su velocidad se ve influida no solo por la inclinación y el tamaño de la tubería, sino también por el material de la misma. Su rugosidad provoca fricción entre las paredes de la tubería y el agua, disminuyendo la velocidad del agua. En la calculadora de coeficiente de descarga 🇺🇸 describimos la métrica relacionada con los caudales teórico y real. ¡No dejes de echarle un vistazo si te interesa!

Ecuación de Hazen-Williams

La ecuación de Hazen-Williams es una fórmula derivada empíricamente que describe la velocidad del agua en un flujo por gravedad. Recuerda que la ecuación de Hazen-Williams es válida solo para el agua: aplicarla para cualquier otro fluido te dará resultados inexactos. Tampoco tiene en cuenta la temperatura del agua, y solo es exacta para el intervalo de 4-25 °C (40-75 °F).

Puedes escribir esta fórmula así:

v = \mathrm{k} \times C \times R^{0.63} \times S^{0.54}

donde:

$v$ - velocidad del agua que fluye por la tubería (en m/s para el sistema métrico y en ft/s para el sistema imperial);
$\mathrm{k}$ - factor de conversión, dependiente del sistema de unidades ( $\mathrm{k} = 0.849$ para el sistema métrico y $\mathrm{k} = 1.318$ para el sistema imperial);
$C$ - coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams;
$R$ - radio hidráulico, en metros o pies, según el sistema de unidades (consulta la calculadora de radio hidráulico 🇺🇸 para saber más);y
$S$ - gradiente hidráulico, calculado como el cabezal de pérdidas por fricción dividido por la longitud de la tubería. No tiene unidades, pero a veces se expresa en m/m

No necesitas conocer los valores de $C$ , $R$ o $S$ para utilizar nuestra calculadora de caudal de tuberías: ¡nosotros los calculamos por ti!

El coeficiente de rugosidad $C$ depende del material de la tubería. Puedes elegir el material de una lista desplegable o introducir el valor de $C$ manualmente si conoces el coeficiente de rugosidad de la tubería que estés considerando. Nosotros utilizamos los valores siguientes:

Material	Coeficiente de rugosidad
Hierro fundido	100
Concreto	110
Cobre	140
Plástico	150
Acero	120

El radio hidráulico, $R$ , es el cociente entre el área y el perímetro de tu tubería. Si la tubería es circular, lo hallarás según la siguiente ecuación:

R = \frac{A}{P} = \frac{\pi r^2}{2 \pi r} = \frac{r}{2} = \frac{d}{4}

donde $r$ es el radio de la tubería, y $d$ es el diámetro de la tubería. Marcando la opción "Mostrar más variables calculadas" puedes ver y modificar todos estos parámetros (área, perímetro, radio hidráulico).

Para calcular el gradiente $S$ , debes dividir el desnivel (diferencia de altura entre los puntos inicial y final) por la longitud de la tubería. Recuerda que si el gradiente de la tubería no es constante, sino que cambia todo el tiempo, la velocidad real del flujo de agua diferirá del resultado obtenido.

Una vez conocida la velocidad del flujo por gravedad, podrás hallar el caudal, $Q$ , multiplicando el área de la sección transversal de la tubería por la velocidad del flujo de agua:

Q = A \times v

Asegúrate de utilizar nuestra calculadora de caudales para convertir entre caudal volumétrico y caudal másico.

Caudal de agua en una tubería: un ejemplo

Utilicemos nuestra calculadora de caudal en una tubería de plástico, de 0.15 metros de diámetro. La tubería tiene 4 metros de longitud, y la diferencia de altura entre los puntos inicial y final de la tubería (desnivel) es igual a 1.5 metros.

Divide el diámetro por 2 para hallar el radio de la tubería.

\small \quad r = \frac{d}{2} = \frac{0.15\ \text m}{2} = 0.075 \ \mathrm{ m}

Halla el área de la sección transversal de la tubería.

\small \quad A = \pi r^2 = \pi \times (0.075\ \text m)^2 \approx 0.01767\ \mathrm{m^2}

Determina el perímetro de la tubería.

\small \quad P = 2\pi r = 2 \pi \times 0.075\ \text m \approx 0.471 \ \mathrm{m}

Divide el área por el perímetro para hallar el radio hidráulico de la tubería.

\small \quad R = \frac{A}{P} = \frac{0.01767 \ \mathrm{m^2}}{0.471 \ \mathrm{m}} \approx 0.0375 \ \mathrm{m}

Elige “Plástico” en la lista desplegable y obtendrás su coeficiente de rugosidad.

\small \quad C = 150

Divide el desnivel por la longitud de la tubería para calcular la el gradiente $S$ .

\small \quad S = \frac{y}{L} = \frac{1.5}{4} = 0.375

Utiliza la ecuación de Hazen-Williams para finalmente hallar la velocidad de este flujo por gravedad.

\footnotesize \begin{align*} \quad v &= k \times C \times R^{0.63} \times S^{0.54} \\[8pt] &= 0.849 \times 150 \times 0.0375^{0.63} \times 0.375^{0.54} \\[8pt] & \approx 9.48\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \end{align*}

Multiplica este valor por el área de la sección transversal de la tubería para hallar el caudal:

\begin{align*} \quad Q &= A \times v = 0.01767\ \mathrm{m^2} \times 9.48\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \\[8pt] &= 0.1675\ \mathrm{\frac{m^3}{s}} \end{align*}

Ya está! Acabas de hallar la velocidad y el caudal de un flujo por gravedad. ¿Has visto ya la calculadora del volumen de tuberías? Es otra herramienta que tiene en cuenta los líquidos que fluyen por las tuberías.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula el flujo por gravedad a través de una tubería?

Utiliza primero la ecuación de Hazen-Williams para hallar la velocidad del fluido: v = k × C × R^0.63 × S^0.54. En esta ecuación:

k es 0.849 para el sistema métrico y 1.318 si se utilizan unidades imperiales;
C es el coeficiente de rugosidad del material de la tubería; y
R es el radio hidráulico (área de la sección transversal dividida por su perímetro) y S es el gradiente hidráulico.

A continuación, puedes calcular el caudal de la tubería multiplicando v por el área de la sección transversal de la tubería.

¿Cambia el caudal con el diámetro de la tubería?

Sí, esto se debe a que el caudal está directamente relacionado con el área de la sección transversal de la tubería. Cuando aumenta el área de la sección transversal (lo que ocurre cuando aumenta el diámetro de la tubería), también aumenta el caudal. Del mismo modo, al disminuir el diámetro, disminuye el caudal.

¿Cómo calcular el caudal en una tubería?

Se multiplica la velocidad del líquido que circula por la tubería por el área de sección transversal de la tubería.

¿Cuál es el coeficiente de rugosidad de una tubería de plástico?

Para una tubería de plástico típica, su coeficiente de rugosidad es de 150. Cuanto mayor sea este coeficiente, indicará que la superficie del tubo es más lisa y, por ende, el flujo por gravedad a través de la tubería será más rápido.