Cálculo de la altura de la bomba: cómo calcular la altura dinámica total paso a paso

Pida a tres ingenieros que calculen el cabezal de la misma instalación y, a menudo, obtendrá tres respuestas diferentes. No porque la física sea difícil (la fórmula es lo suficientemente corta como para caber en una nota adhesiva), sino porque cada persona dibuja los límites del sistema en un lugar diferente. Uno mide hasta la línea central de la bomba, otro hasta la salida del tanque y un tercero ignora silenciosamente los accesorios porque el dibujo no los muestra.

Hemos estado construyendo y dimensionando bombas desde 1957, y en casi todos los proyectos surgen las mismas preguntas. Esta guía los analiza en el orden que usamos normalmente: define el sistema, suma los componentes, compara el resultado con una curva de bomba y solo entonces elige la máquina.

Lo que realmente mide el cabezal de la bomba

La altura es energía por unidad de peso de líquido, expresada como altura de la columna: metros en sistema métrico, pies en sistema imperial. Debido a que está normalizada por el peso, la altura permanece igual ya sea que se mueva agua, soda cáustica o una mezcla ligera, mientras que la presión que realmente sienten las tuberías cambia con la densidad. Es por eso que se selecciona una bomba en función de la altura y el caudal, y luego se compara el diseño mecánico con la presión.

La relación entre los dos es simple: la presión es igual a la densidad multiplicada por la gravedad multiplicada por la cabeza. Para agua limpia, una barra corresponde a aproximadamente 10,2 metros de columna. Para una pulpa densa, la misma altura produce notablemente más presión en la carcasa, por lo que un manómetro nunca es un sustituto directo del cálculo de la altura.

La altura tampoco es la misma que la lectura en el medidor de descarga. Un manómetro indica la presión en un punto en un momento determinado; La altura dinámica total describe todo el trabajo, incluido lo que sucede en el lado de succión y lo que el fluido debe superar en el camino.

La fórmula de cabeza dinámica total

Para la mayoría de instalaciones el cálculo se reduce a cuatro términos sumados:

TDH = H _estático H _fricción H _velocidad H _presión

Dos de estos términos suelen desaparecer. En una transferencia abierta de tanque a tanque, ambas superficies están a presión atmosférica, por lo que la altura de presión es cero. En esas mismas superficies libres la velocidad del líquido es insignificante, por lo que la altura de velocidad generalmente se cuenta solo en el punto de descarga si la tubería termina en una boquilla o un cabezal rociador.

Cabeza estática: la parte sencilla

La altura estática es la distancia vertical que debe elevarse el líquido, medida entre las dos superficies del líquido en lugar de entre las líneas centrales de la tubería. En un sumidero de drenaje con una altura de succión de 3 m y un tanque de descarga a 25 m por encima de la bomba, la altura estática es de 28 m; la altura de succión es parte del total, no una bonificación separada.

Cuando la bomba succiona de un cabezal inundado, la superficie de succión se ubica sobre el impulsor y el término estático puede ser pequeño o incluso negativo. Esa situación es buena para el margen de cavitación, pero cambia el punto de trabajo, por lo que debe incluirse en el cálculo en lugar de asumirse.

En un circuito cerrado (un circuito de agua enfriada, por ejemplo), la carga estática es solo la diferencia de elevación entre las dos conexiones del medidor. Si el circuito está realmente equilibrado, esa diferencia es cercana a cero y la bomba funciona eficazmente únicamente contra la fricción. Muchas bombas de circuito cerrado sobreespecificadas provienen de olvidar este punto.

Pérdidas por fricción: dónde suelen vivir los errores

Cabeza de fricción es el término que decide si una selección es cómoda o marginal. La relación de Darcy-Weisbach sigue siendo el método de referencia: factor de fricción multiplicado por la longitud sobre el diámetro, multiplicado por la velocidad. Para las redes de agua, la forma Hazen-Williams es más rápida y es ampliamente aceptada para verificaciones de tamaño, siempre que el coeficiente de rugosidad refleje la tubería real; el acero viejo y el plástico nuevo no son intercambiables.

Los accesorios se manejan sumando una longitud equivalente de tubería recta o sumando los coeficientes de pérdida y multiplicando por la altura de velocidad. En una sala de máquinas con muchos codos, reductores y válvulas, las pérdidas menores pueden fácilmente agregar entre un 20 y un 40 por ciento a la cifra de tubería recta. Los filtros, válvulas antirretorno e intercambiadores de calor merecen su propia asignación según los datos del fabricante.

Tres ajustes prácticos mantienen el número honesto. Agregue un margen de contaminación del 10 al 15 por ciento para los servicios que incrustarán o transportarán sólidos. Corrija la viscosidad cuando el líquido es más espeso que el agua, porque tanto la fricción como el rendimiento de la bomba cambian. Y recuerde que un punto de servicio calculado para una tubería nueva aumentará el flujo a medida que la tubería envejece y aumenta la rugosidad.

Altura de presión y altura de velocidad

La altura de presión importa siempre que el sistema no esté abierto a la atmósfera: un recipiente presurizado, un circuito cerrado con tanque de expansión, una boquilla rociadora que necesita 3 bar en la punta o un filtro que se carga con el tiempo. Convierta la presión requerida en metros del líquido bombeado y agréguela directamente.

La altura de velocidad es pequeña en tuberías ordinarias. A 2 m/s en una línea de agua, se trata de aproximadamente 0,2 m, lo que es ruido en comparación con un ascensor estático de 30 m. A 5 m/s aumenta hasta aproximadamente 1,3 m y en tuberías de alto caudal o boquillas de descarga cortas deja de ser despreciable. El enfoque honesto es incluirlo cada vez y dejar que la aritmética muestre si es importante.

Un ejemplo resuelto

Tomemos como ejemplo un servicio de refuerzo municipal: 120 m³/h de agua limpia, extraída de un sumidero situado a 4 m por debajo de la bomba y entregada a un depósito cuya superficie de agua está a 28 m por encima, a través de 180 m de tubería de acero DN150 con un complemento normal de codos y válvulas. Niveles de sitio para esquemas de este tipo, como el Proyecto de bombeo de agua municipal de Weinan , generalmente se inspeccionan mucho antes de ordenar las bombas, lo que hace que el término estático sea la parte más fácil del cálculo.

La velocidad se deriva del flujo y el diámetro interior: 120 m³/h a través de DN150 dan aproximadamente 1,9 m/s, por lo que la altura de velocidad es de 0,18 m. La fricción, utilizando un coeficiente de rugosidad adecuado para acero moderadamente envejecido, llega a aproximadamente 4,4 m en los 180 m de longitud, y los accesorios añaden aproximadamente 1,1 m. Sumando todo junto:

La potencia del eje se deriva entonces del flujo, la altura, la densidad y la eficiencia. Con 37,7 m y una eficiencia de la bomba del 75 por ciento, el trabajo necesita alrededor de 16,4 kW en el eje, por lo que un motor de 18,5 kW es la opción natural y un bastidor de 22 kW proporciona espacio libre para el margen de suciedad. Verificar la aritmética de esta manera antes de abrir un catálogo ahorra una gran cantidad de correspondencia posterior.

De cabeza dinámica total a punto de servicio

La cabeza por sí sola es sólo la mitad de una selección. La curva del sistema (altura estática más un término de fricción que crece con el cuadrado del flujo) debe trazarse contra la curva de la bomba, y la intersección es el punto en el que la bomba realmente funcionará. Debido a que la relación entre la altura y el flujo es inversa, una bomba ajustada para una altura más alta entrega menos agua y una abierta para más flujo entrega menos presión. Vale la pena revisar la interacción entre la altura, el caudal y la potencia del motor antes de fijar la tasa, y nuestra nota sobre Cómo la cabeza de la bomba, el caudal y la potencia del motor determinan la selección cubre esa compensación con más detalle.

A esta etapa pertenecen dos controles. Confirme que la eficiencia en el punto de trabajo esté cerca del punto de mejor eficiencia, ya que correr muy hacia la izquierda o hacia la derecha acorta la vida útil del rodamiento y del sello. Y confirme que el NPSH disponible excede el NPSH requerido por un margen de trabajo (generalmente de 0,5 a 1 m) a la temperatura del líquido más alta esperada.

Emparejar el cálculo con la bomba correcta

Una vez conocido el punto de funcionamiento, normalmente se deriva del mismo el tipo de bomba. Las diferencias entre familias tienen que ver principalmente con la cantidad de carga que puede generar cada etapa y cómo maneja la carcasa el flujo.

Alturas bajas a moderadas con flujos modestos

Una bomba de succión axial de una sola etapa es el caballo de batalla para alturas de hasta aproximadamente 80 m en agua potable, suministro de agua y servicios industriales ligeros. Es sencillo de instalar, fácil de mantener y un valor predeterminado sensato cuando la altura calculada está dominada por la elevación estática.

Bomba centrífuga horizontal de succión final de una etapa serie SPE Caballo de batalla de agua limpia para alturas de hasta 125 m, entrada DN≤350 mm y caudales de hasta 1600 m³/h; Adecuado para abastecimiento, drenaje y tareas industriales ligeras. Ver producto →

Grandes caudales a altura moderada

Cuando el cálculo produce varios cientos de metros cúbicos por hora frente a 30 a 60 m, un diseño de caja dividida maneja el volumen con un impulsor de doble succión y un bajo requisito de NPSH. Los derechos municipales de transmisión y circulación de agua son típicos.

Bomba centrífuga de doble succión de voluta dividida serie HS(V) Maneja grandes caudales de hasta 30.000 m³/h y alturas de hasta 200 m con un impulsor de doble aspiración; Adecuado para obras hidráulicas, centrales eléctricas y tareas de circulación de agua. Ver producto →

Deberes de alto nivel

La alimentación de calderas, el drenaje de minas desde profundidad y las tuberías principales ascendentes a menudo empujan la altura dinámica total más allá de lo que una sola etapa puede alcanzar de manera eficiente. Una bomba multietapa agrega altura etapa por etapa, lo que mantiene una alta eficiencia mientras que la presión nominal de la carcasa hace el resto.

Bomba centrífuga multietapa horizontal serie MD(S) Agrega altura etapa a etapa para drenaje de mina, con caudal hasta 1250 m³/h, altura hasta 1000 my variantes MD/MDS resistentes al desgaste para 1,5% de sólidos. Ver producto →

Obtener el número correcto la primera vez

Antes de que un cálculo salga del escritorio, dibuje el sistema y marque cada superficie del líquido, cada punto de medición y cada elemento que agregue resistencia. Tenga en cuenta las propiedades del fluido, no solo el caudal. Escriba el margen como un número en lugar de dejarlo en la cabeza de alguien, y vuelva a visitar la cabeza una vez que la planta esté en funcionamiento, porque las lecturas de los medidores medidos en el sitio son la única prueba real de que las sumas eran correctas.

La mayoría de los problemas de selección que vemos no son causados ​​por problemas hidráulicos. Provienen de un margen de ajuste faltante, una altura estática medida con una referencia incorrecta o un circuito cerrado tratado como si tuviera que levantar agua que nunca levanta. Trabaje pacientemente con los cuatro componentes y el cálculo del cabezal de la bomba se convertirá en lo que debería ser: una pieza aritmética breve y confiable que le indica exactamente lo que tiene que hacer la máquina.