Nadie puede elegir la bomba adecuada hasta que el trabajo se defina en cifras. «Trasvasar un poco de disolvente al depósito diario» no es una especificación; una curva de bombeo sí lo es. Antes de poder seleccionar una bomba centrífuga o de vórtice, hay que calcular tres magnitudes: qué caudal necesita el proceso, qué altura manométrica debe generar la bomba para suministrar ese caudal y cuánta presión de succión hay disponible para que la bomba no sufra cavitación. Si se aciertan estas tres magnitudes, la selección es sencilla. Si se calcula mal la altura de bombeo o se omite la comprobación de la succión, se acabará con una bomba que se sobrecalienta, cavita o nunca alcanza el caudal necesario.
En este artículo se explica el proceso de cálculo tal y como lo llevamos a cabo cuando un cliente nos envía una consulta —primero el caudal, luego la altura dinámica total, después el NPSH y, por último, la potencia necesaria para el motor—, con las fórmulas, un ejemplo completo paso a paso que puedes copiar y los errores de dimensionamiento que causan la mayoría de los problemas. El método aquí descrito es para bombas rotodinámicas (centrífugas y de vórtice); las bombas de desplazamiento positivo se dimensionan según criterios diferentes, tal y como se indica al final.
Las tres cifras que definen el punto de servicio
El punto de funcionamiento de una bomba es aquel en el que debe funcionar, y se necesitan tres datos para determinarlo:
● Caudal (Q) — el volumen que requiere el proceso por unidad de tiempo, en m³/h o L/min (o GPM).
● Altura dinámica total (TDH o H) — la energía total que debe aportar la bomba para mover ese caudal, expresada como altura de líquido, en metros (o pies).
● Altura de succión positiva neta disponible (NPSHa) — cuánta presión absoluta hay disponible en la entrada de la bomba por encima de la presión de vapor del fluido, lo que determina si la bomba cavita.
El caudal y la altura de elevación determinan conjuntamente el punto en la curva de la bomba. Se compara el valor de NPSHa con el NPSH requerido por la bomba para asegurarse de que la bomba elegida funcionará realmente en ese punto sin cavitar. La potencia se calcula a partir del caudal y la altura de elevación, y determina el motor. Calcula estos parámetros en ese orden.
Caudal: Empezar por el proceso
El caudal suele venir determinado por el proceso, no por la bomba. Un circuito de intercambiador de calor necesita un caudal de circulación determinado para transportar el calor; una línea de llenado debe llenar un recipiente en un tiempo establecido; una operación de trasvase debe vaciar un camión cisterna en el transcurso de un turno. Calcula el caudal que el proceso requiere realmente y utiliza la demanda máxima, no la media, si ambas difieren. Una advertencia: no aumentes el caudal «por si acaso». Un caudal sobredimensionado aumenta la altura manométrica, la potencia y el tamaño de la bomba, y hace que esta funcione en la parte incorrecta de su curva de rendimiento. Dimensiona la bomba según las necesidades reales y utiliza un variador de velocidad si la demanda varía.
Altura dinámica total: la cifra que la gente suele confundir
La altura dinámica total es el aspecto en el que más a menudo se cometen errores al dimensionar una bomba, ya que se suele tener en cuenta únicamente la altura estática y se olvida el resto. El panorama completo incluye cuatro elementos:
TDH = altura estática + altura de fricción + altura de presión + altura de velocidad
● Altura estática — la diferencia de altura vertical entre la superficie del líquido de aspiración y la superficie del líquido de descarga. Esta es la parte que la mayoría de la gente recuerda.
● Altura de fricción — la energía que se pierde por fricción en las tuberías de aspiración y descarga, las válvulas y los accesorios. Aumenta con el cuadrado del caudal, por lo que crece rápidamente en tuberías largas o de sección insuficiente, y se consulta en tablas de pérdidas por fricción o se calcula mediante los métodos de Darcy-Weisbach o Hazen-Williams, teniendo en cuenta el diámetro, la longitud y los accesorios de la tubería.
● Altura manométrica — solo si el depósito de aspiración o de descarga está presurizado o en vacío. Convierte la diferencia de presión en una altura de líquido: altura manométrica en metros = presión (kPa) ÷ (ρ × 9,81). En el caso de depósitos abiertos por ambos extremos, este término es cero.
● Cabezal de velocidad — la energía cinética del fluido en movimiento, V²/2g. A velocidades normales en las tuberías, es pequeña y, en la mayoría de los cálculos de dimensionamiento, se omite.
Si sumas estas partes, obtendrás la altura manométrica que debe generar la bomba con el caudal requerido. El mayor error a la hora de dimensionar una bomba es basarse únicamente en la altura manométrica estática: una bomba dimensionada en función de los 16 m de altura de elevación del ejemplo siguiente, sin tener en cuenta los 5 m de fricción, se quedaría unos 5 m por debajo de la altura manométrica necesaria y nunca alcanzaría su caudal de diseño.
Un ejemplo resuelto, de principio a fin
Consideremos un caso real: se deben transferir 20 m³/h de un disolvente orgánico, con una densidad de 0,87 y una presión de vapor de aproximadamente 12 kPa a 30 °C, en una instalación situada cerca del nivel del mar (presión atmosférica de 101 kPa). La superficie del depósito de aspiración se encuentra a 2 m por encima de la bomba (aspiración inundada); la superficie del depósito de descarga está a 18 m por encima de la bomba; ambos depósitos están abiertos a la atmósfera. La fricción en la tubería de aspiración es de 0,6 m y la de la tubería de descarga es de 4,5 m con este caudal. A continuación se muestra el cálculo completo:
| Cantidad | Valor | ¿Cómo? |
| Caudal requerido (Q) | 20 m³/h | Demanda de procesos |
| Altura estática | 16 m | Superficie de descarga: 18 m – superficie de succión: 2 m |
| Altura de fricción (succión + descarga) | 5,1 metros | 0,6 + 4,5, según las tablas de coeficientes de fricción |
| Altura manométrica | cero metros | Ambos depósitos son atmosféricos |
| Altura dinámica total (TDH) | Veintiún punto uno metros | 16 + 5,1 |
| Altura de columna de vapor (Ha) | 11,8 metros | 101 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| Presión estática de aspiración (Hz) | Dos metros | Succión inundada, superficie por encima de la bomba |
| Fricción por succión (Hf) | 0,6 metros | Solo línea de aspiración |
| Altura de presión de vapor (Hvp) | un punto cuatro metros | 12 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| NPSH disponible | 11,8 metros | 11,8 + 2 − 0,6 − 1,4 |
| NPSH requerido (según la curva) | 3,0 m | Fabricante, a 20 m³/h |
| Margen NPSH | 8,8 metros | 11,8 − 3,0 → seguro |
| Energía hidráulica | 1,0 kW | 20 × 21,1 × 0,87 ÷ 367 |
| Potencia en el eje (55 % de rendimiento) | Un punto ocho kilovatios | 1,0 ÷ 0,55 |
| Motor (talla superior) | 2,2 kW | Potencia en el eje más margen |
El punto de funcionamiento es de 20 m³/h a 21,1 m; la aspiración es segura, con un margen de NPSH de casi 9 m, y el motor tiene una potencia de 2,2 kW. En los apartados siguientes se explican con más detalle las líneas de aspiración y de alimentación.
NPSH: ¿Se producirá cavitación en la bomba?
La cavitación se produce cuando la presión en la entrada de la bomba desciende por debajo de la presión de vapor del fluido: se forman burbujas de vapor que luego se colapsan violentamente en el interior de la bomba, lo que provoca la erosión del impulsor y los cojinetes y hace vibrar toda la máquina. La válvula de retención de succión sirve precisamente para evitarlo. El NPSH disponible es el valor que ofrece el sistema en la entrada, calculado en términos absolutos:
NPSHa = Ha + Hz − Hf − Hvp
Ha es la presión absoluta en la superficie del líquido expresada como altura manométrica (presión atmosférica a la altitud del emplazamiento); Hz es la altura estática de succión, positiva en caso de succión inundada y negativa en caso de succión por elevación; Hf es la fricción en la tubería de succión; y Hvp es la presión de vapor del fluido expresada como altura manométrica. Hay dos aspectos que suelen confundir a la gente. El NPSH siempre se calcula en presión absoluta, ya que la presión de vapor es una propiedad absoluta, y no se incluye la altura de velocidad. El NPSH requerido (NPSHr) es la otra mitad: es una propiedad de la bomba, que se lee en la curva del fabricante para el caudal de funcionamiento, y aumenta con el caudal, por lo que siempre hay que comprobarlo al caudal máximo, no al medio.
La regla es que el NPSHa debe superar al NPSHr con un margen. El Instituto Hidráulico recomienda un NPSHa de al menos 1,5 veces el NPSHr, o bien el NPSHr más aproximadamente entre 0,6 y 1 m, lo que sea mayor. Los fluidos calientes cercanos a su punto de ebullición y las ubicaciones a gran altitud reducen rápidamente el NPSHa, y la altura de succión agrava la situación: la altura de succión práctica rara vez supera los 4 a 5 m, aunque la presión atmosférica podría, en teoría, soportar unos 10 m de agua fría. Si el margen es escaso, eleve el nivel de la fuente, acorte y ensanche la tubería de succión o enfríe el fluido. Profundizamos en el lado de succión y las soluciones en nuestro prevención de la cavitación en las bombas página.
Potencia y tamaño del motor
La potencia se deriva del caudal y la altura manométrica. La potencia hidráulica —el trabajo útil transmitido al fluido— es:
Potencia hidráulica (kW) = Q × H × SG ÷ 367, donde Q se expresa en m³/h y H en metros.
Esa es la cifra teórica. La potencia en el eje (o absorbida) que el motor tiene que suministrar realmente es mayor, ya que ninguna bomba tiene una eficiencia del 100 %: potencia en el eje = potencia hidráulica ÷ eficiencia de la bomba. En el ejemplo, 1,0 kW de potencia hidráulica con una eficiencia de la bomba del 55 % equivalen a unos 1,8 kW en el eje, por lo que el siguiente tamaño de motor —2,2 kW— ofrece un margen razonable. Hay dos reglas que garantizan la precisión de este cálculo. Dimensiona el motor para el peor caso de la curva, ya que la potencia absorbida aumenta con el caudal; por lo tanto, compruébala con el caudal máximo que pueda alcanzar la bomba, no solo en el punto de funcionamiento. Y no se exceda en el margen de seguridad: un motor sobredimensionado desperdicia energía cada hora que funciona y es un clásico ejemplo de falso ahorro. La propia eficiencia de la bomba es máxima cerca del punto de máxima eficiencia (BEP), que es el siguiente aspecto que hay que acertar; consulte nuestro rendimiento de las bombas centrífugas industriales guía.
Errores habituales a la hora de elegir la talla
La mayoría de los problemas de dimensionamiento se deben a unos pocos atajos:
● Utilizando únicamente la altura estática. Olvidarse de la altura de fricción es el error clásico y hace que la bomba no alcance el caudal nominal.
● Aumentar el caudal o la altura de impulsión «por si acaso». Los coeficientes de seguridad arbitrarios alejan a la bomba de su punto de máxima eficiencia, desperdician energía y aceleran el desgaste. El sobredimensionamiento es la opción menos segura, no la más segura.
● Omisión de la comprobación del NPSH. Una bomba que parezca adecuada en cuanto a caudal y altura de elevación seguirá cavitando si nunca se ha comprobado la succión.
● Comprobación del NPSH y la potencia únicamente en el punto de funcionamiento. Tanto el NPSHr como la potencia absorbida aumentan con el caudal, por lo que hay que comprobarlos al caudal máximo.
● Dimensionamiento insuficiente de la tubería de aspiración. Una tubería de aspiración de poco diámetro aumenta la fricción precisamente donde el NPSH es justo.
● Funciona muy lejos del punto de equilibrio. Intenta elegir una bomba que funcione aproximadamente entre el 80 y el 110 % de su punto de máxima eficiencia al caudal de trabajo.
● Sin tener en cuenta la densidad y la viscosidad. Un fluido más denso requiere más potencia para alcanzar la misma altura de bombeo, y un fluido viscoso influye tanto en la fricción como en el rendimiento de la bomba.
Del punto de servicio a la bomba
Una vez que se conocen el caudal, la altura de bombeo y el NPSHa, se puede seleccionar la bomba. La curva de rendimiento indica el tipo adecuado: un caudal elevado con una altura de bombeo moderada se adapta a una bomba centrífuga; una altura de bombeo elevada con un caudal bajo se adapta a una bomba de vórtice (de turbina regenerativa), tal y como se explica en nuestro Guía de selección de bombas de vórtice industriales; las aplicaciones en las que se requiere una estanqueidad total o en entornos corrosivos apuntan a un diseño sin juntas, tal y como se explica en nuestro Guía de selección de bombas de accionamiento magnético. Las cifras anteriores corresponden a bombas rotodinámicas. Una bomba de desplazamiento positivo —una bomba de engranajes o de paletas para aplicaciones con fluidos viscosos o que requieran una dosificación precisa— se dimensiona de forma diferente: su caudal viene determinado por el desplazamiento y la velocidad, en lugar de por una curva de caudal-altura de bombeo, y la presión del sistema es la que la bomba tiene que superar. Nuestra Serie de bombas de desplazamiento positivo y el Serie de bombas para productos químicos abordar esas opciones y el conjunto completo gama de bombas industriales abarca todo el rango.
Envíanos el punto de trabajo y nosotros nos encargaremos de calcular las dimensiones
Si prefiere que revisemos el cálculo en lugar de realizarlo desde cero, envíenos el caudal, el esquema de succión y descarga (alturas, diámetros y longitudes de las tuberías, accesorios), el fluido con su densidad, presión de vapor y temperatura, así como las presiones de los depósitos. Nuestro equipo de ingeniería le facilitará la altura dinámica total, la comprobación del NPSH, la potencia y una bomba adecuada —de accionamiento magnético sin juntas, de vórtice, centrífuga o de desplazamiento positivo— para la aplicación.
Habla con nuestro equipo: Contactar con Aulank | WhatsApp: +86 13773157367 | Correo electrónico: info@aulankpump.com
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