Cómo calcular el caudal y la altura de elevación para una bomba sumergible de aguas residuales.

Elegir una bomba sumergible para aguas residuales resulta mucho más sencillo una vez que se conocen dos datos: el volumen de aguas residuales que se deben bombear y la altura de elevación total que la bomba debe superar . Estos valores suelen expresarse como caudal en m³/h y altura de elevación en metros. La dificultad radica en que ninguno de estos valores debe estimarse a partir de la potencia del motor, el diámetro de la tubería de descarga o las cifras máximas impresas en el catálogo.

Para un sistema de bombeo de aguas residuales, el caudal requerido depende de la rapidez con que las aguas residuales ingresan al pozo o estación de bombeo y del funcionamiento previsto del sistema. La altura de elevación requerida depende de la diferencia de nivel de líquido entre la succión y la descarga, junto con la resistencia creada por la tubería de descarga, las válvulas y los accesorios. Una vez calculados estos valores, se obtiene el punto de funcionamiento real de la bomba. Si aún no ha decidido qué tipo de bomba es la adecuada para las aguas residuales, lea nuestra Guía de compra de bombas sumergibles para aguas residuales En primer lugar, porque los sólidos, las fibras, la corrosión y el diseño del impulsor también influyen en la selección final.

1. Empiece por determinar el caudal de aguas residuales que realmente necesita bombear.

El caudal de bombeo requerido debe provenir del volumen de aguas residuales que ingresan al sistema, no del caudal máximo de un modelo de bomba que casualmente se ajuste a la tubería. En un sistema de alcantarillado residencial o comercial, el caudal de entrada puede variar a lo largo del día. Una planta industrial puede descargar aguas residuales según los turnos de producción, los ciclos de lavado o los procesos por lotes. Los sistemas de drenaje pluvial pueden presentar diferencias aún mayores entre las condiciones normales y las de máxima demanda. Por ello, el diseño debe considerar el caudal de entrada máximo realista que se espera que el sistema de bombeo pueda manejar , teniendo en cuenta también el volumen útil del pozo húmedo y la forma en que se controlan las bombas.

Por ejemplo, si un pozo de aguas residuales normalmente recibe 25 m³/h pero alcanza los 60 m³/h durante el período de operación de mayor caudal previsto, elegir una bomba con un caudal promedio cercano a los 25 m³/h permite que el nivel del líquido continúe subiendo cuando el caudal de entrada alcanza su máximo. Sin embargo, instalar una bomba de 150 m³/h no garantiza automáticamente una mejor solución. Una bomba innecesariamente grande puede vaciar un pozo pequeño muy rápidamente y reiniciarse en cuanto el nivel vuelve a subir, generando ciclos frecuentes de arranque y parada. En un sistema bien diseñado, se consideran conjuntamente la capacidad de la bomba, el almacenamiento en el pozo húmedo, los niveles de arranque y parada y el caudal de entrada previsto. Para instalaciones municipales o industriales de mayor tamaño, varias bombas pueden operar de forma alterna o en paralelo en lugar de depender de una sola unidad sobredimensionada.

2. Entienda qué significa realmente la altura de bombeo de aguas residuales.

Una vez conocido el caudal requerido, el siguiente paso es calcular la altura de elevación. En la mayoría de los sistemas de transferencia de aguas residuales, la altura total se compone principalmente de la altura estática y la altura de fricción . La altura estática se genera por la diferencia de elevación y presión entre el líquido en la fuente y el punto de descarga final. La altura de fricción es la energía que se pierde mientras las aguas residuales se desplazan a través de tuberías, codos, válvulas, válvulas de retención y otros componentes. El Instituto Hidráulico describe la altura de elevación del sistema para un caudal determinado como la combinación de las condiciones estáticas y las pérdidas por fricción, y esta altura varía con el caudal, ya que la fricción aumenta con la velocidad.

Una relación simplificada útil para muchos sistemas de bombeo de aguas residuales es:

Carga dinámica total = Carga estática + Pérdida por fricción en tuberías y accesorios + Presión de descarga requerida, si la hubiera.

Esto significa que la profundidad del pozo de aguas residuales no es automáticamente la altura de elevación de la bomba. Si una bomba se encuentra a 6 metros por debajo de la superficie del líquido, pero las aguas residuales solo necesitan elevarse 8 metros desde el nivel de operación del líquido hasta el punto de descarga, la altura de elevación estática se basa en esa diferencia de elevación del líquido en lugar de simplemente sumar la profundidad de instalación de la bomba. El mismo principio se aplica tanto si la bomba se utiliza en un pozo de recolección pequeño como si forma parte de un sistema más grande. sistema de bombeo sumergible de aguas residuales .

3. Calcular la carga estática a partir de los niveles reales de líquido.

En un sistema típico de bombeo de aguas residuales, la altura estática es la diferencia vertical entre el nivel del líquido en el lado de succión y el nivel o la presión del líquido en el punto de descarga. Imaginemos un pozo húmedo donde el nivel normal de bombeo se encuentra a 2 metros bajo tierra y la tubería de descarga finalmente entra en una cámara receptora abierta a 10 metros sobre el nivel del suelo. Por lo tanto, la altura estática aproximada es de 12 metros. El hecho de que la bomba se instale otros 2 o 3 metros por debajo del nivel de agua de operación no significa que esos metros deban añadirse automáticamente.

El cálculo también debe considerar cómo varían los niveles de líquido durante el funcionamiento. A medida que el nivel del pozo húmedo desciende entre los puntos de arranque y parada de la bomba, la altura estática aumenta ligeramente. Si el nivel del tanque receptor o del agua aguas abajo también varía, el sistema puede presentar más de una condición de funcionamiento. Para un proyecto importante, es preferible calcular tanto la condición de baja como la de alta altura, en lugar de seleccionar la bomba basándose en un único valor. Si la descarga se conecta a una tubería presurizada en lugar de a una cámara abierta, la presión ya presente en dicha tubería también debe convertirse a altura e incluirse en el cálculo.

4. Sume la presión perdida a través de la tubería de descarga.

La fricción en las tuberías suele ser el aspecto más subestimado en la selección de bombas para aguas residuales. Cada metro de tubería genera cierta resistencia al flujo, y se producen pérdidas adicionales a través de codos, tes, reductores, válvulas de retención, válvulas de aislamiento y otros accesorios. La pérdida por fricción aumenta con la velocidad del flujo, por lo que una misma tubería no presenta un valor de fricción fijo para todas las condiciones de funcionamiento. El Instituto Hidráulico identifica específicamente el diámetro de la tubería, los accesorios y las válvulas como factores clave que contribuyen a la carga de fricción, la cual varía según la velocidad del flujo en el sistema.

Esto es crucial al determinar el diámetro de la tubería de descarga. Una tubería más pequeña puede parecer atractiva debido a su menor costo de material, pero forzar el mismo caudal de aguas residuales a través de un diámetro interno menor aumenta la velocidad y puede incrementar considerablemente la fricción. La bomba entonces debe generar mayor presión para el mismo caudal útil, lo que puede aumentar el consumo de energía y modificar el punto de operación real. Por otro lado, las tuberías de alcantarillado no pueden dimensionarse únicamente para minimizar la fricción; el diseño también debe mantener condiciones de transporte adecuadas para los sólidos contenidos en las aguas residuales. En proyectos municipales e industriales de gran envergadura, el diámetro de la tubería y la bomba deben evaluarse como un sistema hidráulico integrado, en lugar de adquirirse por separado.

La pérdida por fricción se puede calcular utilizando ecuaciones hidráulicas establecidas, como la de Darcy-Weisbach, o con software de ingeniería y datos verificados de pérdidas en tuberías. Para obtener un resultado significativo, el cálculo requiere el caudal de diseño, el diámetro interno real de la tubería, la longitud de la tubería, el material de la tubería y la cantidad y el tipo de accesorios principales. Una afirmación como "la tubería tiene unos 100 metros de longitud" no es suficiente para una selección precisa de la bomba si se desconocen el diámetro de la tubería y el caudal de operación.

5. Combine el caudal y la altura de elevación para encontrar el punto de funcionamiento de la bomba.

Consideremos un ejemplo sencillo de transferencia de aguas residuales. El caudal de bombeo requerido es de 80 m³/h . En las condiciones de operación de diseño, la diferencia entre el nivel de aguas residuales en el pozo húmedo y el punto de recepción es de 14 metros . Tras calcular la tubería de descarga, la válvula de retención, los codos y demás accesorios a 80 m³/h, la pérdida total por fricción se estima en 6 metros . Las aguas residuales se descargan en un sistema receptor abierto, por lo que no se requiere presión adicional.

Por lo tanto, la altura dinámica total requerida es:

TDH = 14 m de carga estática + 6 m de pérdida por fricción

TDH = 20 m

El punto de diseño de la función es:

80 m³/h a 20 m de altura

Esto no significa que el comprador deba simplemente buscar una bomba con un caudal máximo superior a 80 m³/h y una altura máxima superior a 20 metros. Una bomba centrífuga produce diferentes alturas a diferentes caudales. La correcta Bomba sumergible para transferencia de aguas residuales Debe tener una curva de rendimiento que alcance aproximadamente 80 m³/h con una altura de elevación de aproximadamente 20 metros. El punto de operación real se determina por la relación entre la curva de la bomba y la curva del sistema; el Instituto Hidráulico lo define como el punto donde se cruzan las características de la bomba y del sistema.

6. No seleccione una bomba de aguas residuales basándose en el caudal máximo o la altura máxima de elevación.

Los catálogos de bombas suelen mostrar un rango de caudal y un rango de altura de elevación, pero el caudal máximo y la altura de elevación máxima normalmente no coinciden en el mismo punto de funcionamiento. Una bomba puede generar una altura de elevación elevada cerca del extremo de bajo caudal de su curva y un caudal mucho mayor cuando la altura de elevación del sistema es menor. Si se toma el caudal máximo de un extremo de la curva y la altura de elevación máxima del otro, y se consideran como un único punto de funcionamiento, se obtiene una especificación de bomba que la bomba podría no alcanzar nunca.

Por ello, la curva de rendimiento debe ser uno de los primeros documentos que se revisen al comparar bombas de aguas residuales. El punto seleccionado debe estar dentro del rango de funcionamiento recomendado por el fabricante, en lugar de ubicarse en un extremo de la curva. Operar lejos de la región prevista puede reducir la eficiencia y la fiabilidad, mientras que sobredimensionar una bomba centrífuga puede generar un caudal excesivo, una estrangulación innecesaria y una mayor carga mecánica. El Instituto Hidráulico señala que las bombas sobredimensionadas que operan fuera de su región adecuada pueden contribuir a mayores cargas y al desgaste prematuro de componentes como cojinetes y sellos.

La curva hidráulica es solo una parte de la selección de una bomba de aguas residuales. El agua residual debe poder pasar a través de la bomba sin obstrucciones ni desgaste excesivos. Una bomba que alcanza perfectamente los 80 m³/h a 20 metros, pero cuyo impulsor no es el adecuado para fibras largas, residuos o sólidos abrasivos, sigue siendo una bomba inadecuada. Por ello, antes de elegir el modelo final, es fundamental considerar el punto de funcionamiento y evaluar las características del agua residual.

7. El caudal y la altura de elevación pueden variar cuando funciona más de una bomba.

Muchas estaciones de bombeo de aguas residuales utilizan dos o más bombas para ajustar la capacidad según varíe el caudal de entrada o para disponer de una unidad de reserva cuando una bomba está fuera de servicio. Es importante comprender que dos bombas idénticas que operan en paralelo no necesariamente producen exactamente el doble de caudal que una sola bomba. Cuando el caudal combinado aumenta, la velocidad a través de la tubería de descarga común también aumenta, lo que incrementa la pérdida por fricción y modifica el punto de operación del sistema. El Instituto Hidráulico señala específicamente que aumentar el caudal de las bombas en paralelo puede incrementar la carga de fricción y provocar que el caudal resultante de cada bomba difiera de un simple cálculo de doble.

Para un sistema pequeño de servicio/reserva donde normalmente solo funciona una bomba, el punto de funcionamiento de una sola bomba puede ser relativamente sencillo de determinar. Para una estación donde se espera que dos o tres bombas funcionen simultáneamente, el proveedor debe verificar las curvas de rendimiento de cada bomba, la curva de rendimiento combinada de las bombas y la curva de rendimiento del sistema en conjunto. También se deben incluir los niveles mínimo y máximo del pozo húmedo, ya que modifican la altura estática. Esto es particularmente importante para el tratamiento de aguas residuales municipales, la transferencia de efluentes industriales y otras aplicaciones donde la estación de bombeo necesita funcionar de manera confiable en un amplio rango de caudales de entrada. soluciones de bombeo de aguas residuales Si bien cubren este tipo de aplicaciones, la selección hidráulica aún debe basarse en los datos reales del proyecto, en lugar de una combinación estándar de caudal y altura de elevación.

8. Recuerde que las propiedades de las aguas residuales pueden afectar la selección final.

El cálculo anterior funciona bien como punto de partida para aguas residuales comunes con propiedades hidráulicas razonablemente similares a las del agua, pero no todos los líquidos se comportan de la misma manera. Las aguas residuales con alta concentración de lodos, grasa u otros materiales viscosos pueden comportarse de forma diferente al agua limpia tanto en la tubería como en la bomba. El Instituto Hidráulico señala que la viscosidad del líquido puede modificar el rendimiento rotodinámico de la bomba y podría requerir correcciones en los datos de rendimiento de la bomba basados ​​en agua.

Los sólidos también afectan el tipo de bomba que se debe usar incluso cuando el caudal y la altura calculados permanecen sin cambios. Las aguas residuales domésticas que contienen fibras y toallitas pueden requerir un diseño hidráulico que no se obstruya, mientras que las aguas residuales con productos químicos corrosivos pueden requerir un Bomba sumergible para aguas residuales de acero inoxidable resistente a la corrosión Las aguas residuales que contienen grandes cantidades de arena gruesa o lodos abrasivos densos pueden ser más adecuadas para un diseño de bombeo de lodos o purines que para una bomba de aguas residuales convencional. La resistencia a la obstrucción tampoco debe juzgarse únicamente por el diámetro del paso de sólidos indicado; la guía publicada por Xylem sobre aguas residuales señala que el diseño hidráulico es una parte importante de la resistencia a la obstrucción y que el tamaño del paso por sí solo puede ser engañoso.

¿Qué información debe proporcionar para la selección de una bomba de aguas residuales?

Para obtener un presupuesto fiable, indique el caudal normal y máximo previsto, los niveles mínimo y máximo de líquido en el pozo húmedo, la elevación del punto de descarga final, el diámetro y la longitud de la tubería de descarga, el material de la tubería, las válvulas y accesorios principales y la presión presente en la salida. El proveedor también debe conocer la composición de las aguas residuales, incluyendo el tamaño aproximado de los sólidos, fibras, arena, lodos, temperatura y sustancias químicas corrosivas. Por último, incluya la tensión disponible, la frecuencia, el método de instalación y si se utilizará una o varias bombas simultáneamente.

Si aún se desconoce el caudal exacto, explique el origen de las aguas residuales y el funcionamiento actual del sistema, en lugar de inventar una cifra. Si no se ha calculado la pérdida por fricción, proporcione la información de la tubería para su verificación. Un presupuesto de bomba técnicamente útil debe identificar un punto de funcionamiento claro —como 80 m³/h a 20 m de altura— y mostrarlo en la curva de rendimiento de la bomba propuesta.

Conclusión

El cálculo de una bomba sumergible para aguas residuales comienza con dos preguntas clave: ¿cuánta agua residual debe bombearse y cuánta resistencia debe superar la bomba durante el proceso? La primera determina el caudal necesario; la segunda, la altura de elevación total.

Para muchos sistemas de transferencia de aguas residuales, la relación básica es:

Carga dinámica total = Carga estática + Pérdida por fricción + Presión de descarga adicional

Una vez conocidos el caudal y la altura de elevación requeridos, deben considerarse conjuntamente como un único punto de operación y compararse con la curva de rendimiento de la bomba. Posteriormente, la bomba debe ajustarse a las condiciones reales de las aguas residuales, incluyendo sólidos, fibras, abrasión y corrosión.

Seleccionar una bomba en este orden es mucho más fiable que comparar por separado la potencia del motor, el diámetro de salida, el caudal máximo o la altura máxima de elevación. Si está planificando un proyecto de bombeo de aguas residuales, proporcione el caudal o volumen de aguas residuales de entrada, los niveles de líquido, la altura de descarga, la información de la tubería y las características de las aguas residuales para que la bomba pueda seleccionarse en función de las condiciones reales de funcionamiento.