El uso de tuberías de CPVC en instalaciones hidráulicas comerciales y residenciales tiene numerosas ventajas en costos y tiempos de trabajo, pero también existen propiedades físicas del material que otorgan beneficios para el rendimiento de los sistemas hidráulicos.
En este artículo nos referiremos específicamente al factor Hazen-Williams, un valor constante para diferentes materiales que se identifica con la letra C y determina la porosidad y rugosidad inherente e influye en el roce de los fluidos que entran en contacto con las superficies internas de una tubería. Su nombre se desprende de los nombres de Allen Hazen y Gardner Stewart Williams, quienes la presentaron como una fórmula empírica de aplicación más sencilla que otras ecuaciones.
La fórmula de Hazen-Williams es utilizada de forma específica para el cálculo de la velocidad del agua en tuberías circulares llenas o conductos que trabajan bajo presión. Un factor de Hazen-Williams más alto indica una mayor velocidad del agua y, por tanto, un mayor caudal del líquido. La ecuación se expresa en la forma:
V = 0.3549 * C * (D)0.63 * J0.54
Donde:
V es la velocidad media del agua en el tubo (m/s)
C es el coeficiente que depende de la rugosidad del material
D es el diámetro en metros de la tubería (cuando trabaja a capacidad total)
J es la pérdida de carga
Coeficientes de Hazen-Williams para tuberías de diferentes materiales
| Material | C mínimo | C máximo |
| Asbesto-cemento | 140 | 140 |
| Hierro fundido nuevo | 130 | 130 |
| Hierro fundido 10 años | 107 | 113 |
| Hierro fundido 20 años | 89 | 100 |
| Hierro fundido 30 años | 75 | 90 |
| Hierro fundido 40 años | 64 | 83 |
| Concreto | 100 | 140 |
| Cobre | 130 | 140 |
| Acero | 90 | 110 |
| Hierro galvanizado | 120 | 120 |
| Polietileno | 140 | 140 |
| Polipropileno | 140 | 140 |
| PVC | 140 | 140 |
| CPVC | 150 | 150 |
¿Cómo se calcula el factor de Hazen-Williams?
Existe una fórmula que permite determinar el valor con base en el radio hidráulico de las tuberías. Sin embargo, la ecuación de Hazen-Williams tiene la limitación de que está formulada solamente para agua como fluido de estudio, pero tiene el beneficio de que sólo está asociada al coeficiente de rugosidad de la tubería, es decir, el material.
¿Por qué ofrece ventajas el uso de CPVC en sistemas hidráulicos?
Como mostramos antes en este artículo, el CPVC tiene un coeficiente de Hazen-Williams más alto que el de las tuberías de acero, cobre y metales en general, que además se reduce con el paso del tiempo mientras en el CPVC se mantiene.
Un coeficiente más alto conlleva menor fricción y mayor flujo de agua en las tuberías, lo que reduce el riesgo de diferentes problemas:
- La velocidad del agua dentro de la tubería impide que bacterias y microorganismos se fijen a la superficie y se acumulen formando una capa de biopelículas que puede conllevar riesgos para la salud.
- El flujo a mayor velocidad del agua reduce la posibilidad de que haya incrustaciones que reduzcan el diámetro de la tubería y la cantidad de líquido transportado.
- El flujo de agua es mejor por la velocidad que alcanza el líquido, provocando que el diámetro de las tuberías requeridas sea menor.
Validez del coeficiente de Hazen-Williams
Aunque el uso de la ecuación es generalizado y común entre los ingenieros que trabajan en el diseño de sistemas hidráulicos desde la aparición de la fórmula en 1905, debido a que se utiliza para calcular las pérdidas por fricción hidráulica, es una ecuación concebida para tuberías con características específicas y que ha sido estudiada por diferentes investigadores con el paso del tiempo.
- La limitación más importante es que se toma como referencia para el caso del agua, excluyendo otros fluidos.
- Originalmente, fue concebida para la aplicación en conductos de más de 2 pulgadas (50,8 mm) y menos de 6 pies (1,828,8 mm) de diámetro.
- De manera ideal, la fórmula fue desarrollada para su uso en condiciones de temperatura del agua entre 5°C y 25°C.
La ecuación de Hazen-Williams es de uso amplio debido a que no se considera que haya sido formulada en función de la velocidad y el diámetro. Sin embargo, hay otras ecuaciones que los ingenieros utilizan para complementar y hacer más precisos sus cálculos de pérdida de carga por fricción (pérdida de energía del flujo hidráulico por efecto del roce), como:
- Fórmula de Darcy-Weisbach (1875): utilizada en tuberías de fundición
- Ecuaciones de Manning (1890): utilizada en el cálculo de canales
- Ecuación de Scimeni (1925): utilizada para tuberías de fibrocemento
- Ecuación de Scobey (1931): se emplea para cálculos en tuberías de aluminio
- Fórmula de Veronesse-Datel: empleada para tuberías de PVC
El uso de CPVC en instalaciones hidráulicas comerciales y residenciales está cada vez más extendido por la evolución de los materiales y las capacidades del termoplástico. Si tienes dudas o piensas en utilizar CPVC en un proyecto hidráulico, contáctanos y nuestros expertos en FlowGuard® aclararán tus dudas.
