Cómo calcular la altura dinámica total para una bomba sumergible de pozo profundo.

Al elegir una bomba sumergible para pozos profundos, una de las preguntas más frecuentes es: ¿Cuánta altura de elevación necesita realmente la bomba? Muchos compradores simplemente utilizan la profundidad total del pozo como la altura de elevación requerida. Por ejemplo, si el pozo tiene 150 metros de profundidad, buscan una bomba con una altura de elevación de 150 metros. En la mayoría de las instalaciones, este no es el método correcto de cálculo.

La bomba normalmente no necesita elevar agua desde su propia profundidad de instalación. Lo que importa es el nivel del agua mientras la bomba está funcionando, hacia dónde debe ir el agua, cuánta presión se requiere en el destino y cuánta presión se pierde a través de la tubería. Una vez que se comprenden estos valores, calcular la altura de elevación requerida resulta mucho más sencillo. Si aún está determinando las especificaciones completas de la bomba, nuestra Guía de compra de bombas sumergibles para pozos profundos Explica los demás factores que deben comprobarse junto con el caudal y la altura de la columna de agua.

1. ¿Qué significa realmente “cabezal de bomba”?

La altura de elevación de la bomba describe cuánta energía transfiere una bomba al agua y normalmente se expresa en metros o pies de líquido. No debe confundirse con la profundidad física de la bomba. Una bomba de pozo profundo puede instalarse a 120 metros bajo tierra, pero si el nivel del agua de bombeo está solo a 50 metros bajo tierra, la bomba no necesariamente está superando una elevación vertical de 120 metros. El agua que rodea la bomba sumergida ya proporciona presión en la entrada de la bomba, por lo que para un sistema típico de pozo abierto, el cálculo de la elevación comienza desde el nivel del agua de bombeo en lugar de desde la bomba misma. Esta distinción es importante al seleccionar una Bomba sumergible para pozos QJ , porque seleccionar la bomba en función de la profundidad de instalación puede dar como resultado una presión sustancialmente mayor de la que el sistema realmente requiere.

Para la mayoría de las aplicaciones de suministro de agua en pozos profundos, la carga dinámica total (TDH) requerida se puede entender con una relación simple:

Carga dinámica total = Elevación vertical + Presión de salida requerida + Pérdida por fricción en la tubería

Cada componente representa una resistencia real que la bomba debe superar para suministrar el caudal necesario.

2. Empiece con el nivel de agua de bombeo, no con la profundidad total del pozo.

Antes de calcular la altura de elevación, es importante conocer la diferencia entre la profundidad total del pozo, el nivel estático del agua, el nivel de bombeo y la profundidad de instalación de la bomba. La profundidad total del pozo indica la profundidad máxima del mismo. El nivel estático del agua es el nivel que alcanza la bomba cuando esta se detiene y el pozo se ha recuperado. El nivel de bombeo es el nivel mínimo que se alcanza mientras la bomba funciona a un caudal determinado. La profundidad de instalación de la bomba indica la posición física de la bomba dentro del pozo.

Para el cálculo de la altura de elevación, el nivel del agua de bombeo suele ser el punto de partida importante. Imaginemos un pozo de 150 metros de profundidad donde el nivel estático del agua se encuentra a 35 metros bajo tierra, el nivel desciende a 55 metros durante el bombeo y la bomba está instalada a 90 metros. Si el agua se suministra a un punto a nivel del suelo, la altura de elevación vertical básica es de aproximadamente 55 metros, no de 90 ni de 150 metros. La profundidad adicional por debajo del nivel del agua de bombeo principalmente mantiene la bomba sumergida y no se convierte simplemente en una altura de elevación adicional. Por lo tanto, la información de las pruebas de bombeo es mucho más útil para la selección de la bomba que la profundidad total del pozo por sí sola.

3. Sume la elevación entre el pozo y el punto de entrega final.

El siguiente paso es analizar el recorrido del agua tras salir del pozo. Si el nivel de bombeo se encuentra a 55 metros de profundidad y el agua se descarga en un depósito abierto situado a 15 metros por encima de la boca del pozo, la altura vertical estática total es de aproximadamente 70 metros. Si el depósito final se encuentra por debajo de la boca del pozo, esta diferencia de elevación reduce la altura estática. Por ello, un emplazamiento con la misma profundidad de pozo puede requerir una bomba muy diferente según el terreno y la ubicación del depósito receptor o del sistema de distribución.

Este punto cobra especial importancia en el riego agrícola, el suministro de agua en laderas y los proyectos de transferencia de agua a larga distancia. Un pozo puede no ser particularmente profundo, pero si el agua debe ser transportada a un embalse elevado, la altura de elevación requerida aún puede ser alta. Por el contrario, un pozo muy profundo no requiere automáticamente una bomba de muy alta presión si el nivel dinámico del agua permanece relativamente cerca de la superficie. Por esta razón, Bombas sumergibles para pozos destinadas al riego y al suministro de agua. Siempre debe seleccionarse utilizando la elevación operativa real en lugar de solo la profundidad del pozo.

4. Sume la presión requerida en la salida.

No todos los sistemas simplemente descargan agua en un tanque abierto. Los aspersores de riego, los depósitos a presión, los equipos industriales, los sistemas de filtración y las redes de suministro directo de agua a menudo requieren que la presión se mantenga después de que el agua llegue a la superficie. Dicha presión también debe ser generada por la bomba y, por lo tanto, debe incluirse en la altura total de elevación.

Para agua limpia, 1 bar equivale aproximadamente a 10,2 metros de columna de agua. Esto significa que un sistema que requiere 2 bar en la salida final necesita aproximadamente 20,4 metros de columna adicional, mientras que 3 bar requieren aproximadamente 30,6 metros. Si una bomba suministra agua a un tanque atmosférico abierto, es posible que no se requiera prácticamente ninguna columna de agua adicional en la entrada del tanque. Sin embargo, si la misma bomba alimenta un sistema de riego por aspersión que requiere 3 bar, esos 30,6 metros adicionales no pueden ignorarse. Esta es una de las razones por las que dos proyectos con pozos idénticos pueden requerir bombas diferentes, incluso cuando sus requisitos de caudal son los mismos.

5. No olvide la pérdida por fricción en las tuberías.

El agua pierde presión al circular por una tubería. La cantidad de presión perdida depende principalmente del caudal, el diámetro interno de la tubería, la longitud total, la rugosidad de la superficie y las válvulas y accesorios instalados en el sistema. Las tuberías largas, los diámetros pequeños y las altas velocidades de flujo generalmente aumentan la pérdida por fricción. Los codos, las válvulas de retención, los filtros, los caudalímetros y las válvulas de control también generan resistencia.

La pérdida por fricción a veces se subestima porque la elevación vertical es más fácil de visualizar en un plano de obra. En una tubería corta, la diferencia puede ser pequeña, pero en un proyecto de riego o suministro de agua a larga distancia, puede convertirse en una parte significativa de la altura total de bombeo. Una tubería de descarga más pequeña puede reducir el costo inicial de la tubería, pero la mayor fricción puede obligar a la bomba a operar a una altura mayor y consumir más energía durante su vida útil. La pérdida en la tubería se puede calcular utilizando métodos hidráulicos establecidos, como el de Darcy-Weisbach, o con tablas de fricción de tuberías y software de ingeniería, utilizando el caudal real, el material de la tubería y el diámetro interno. Lo importante es que la pérdida debe calcularse al caudal de diseño , ya que la fricción varía con el caudal. La guía de dimensionamiento de bombas de Grundfos también considera las pérdidas por fricción a través de tuberías y accesorios como parte de la altura dinámica total.

6. Ejemplo sencillo de cálculo de la altura de elevación de una bomba de pozo profundo

Consideremos un proyecto de aguas subterráneas donde el nivel de bombeo se encuentra a 55 metros de profundidad y el agua debe suministrarse a un sistema de almacenamiento y riego ubicado a 15 metros por encima del pozo. El equipo de riego requiere una presión de 2,5 bares, y la pérdida de presión calculada a través de la tubería principal de impulsión, la tubería horizontal, las válvulas y los accesorios es de 9 metros.

El cálculo es:

Elevación vertical = 55 + 15 = 70 m

Presión requerida = 2,5 × 10,2 ≈ 25,5 m

Pérdida por fricción en la tubería = 9 m

Por lo tanto:

Altura dinámica total = 70 + 25,5 + 9 = 104,5 m

Si el sistema requiere 100 m³/h, el punto de operación requerido es, por lo tanto, aproximadamente 100 m³/h a 105 m de altura de elevación. El siguiente paso no es buscar en el catálogo una bomba con una "altura máxima de 105 m". En cambio, la curva de rendimiento debe mostrar que la bomba puede suministrar aproximadamente 100 m³/h con una altura de elevación de alrededor de 105 metros. La selección de la bomba siempre se basa en una combinación de caudal y altura de elevación, no solo en la altura de elevación. Tanto Grundfos como Xylem describen la selección de bombas en función de la altura de elevación requerida por el sistema y el punto de operación resultante, en lugar de basarse únicamente en las cifras de altura máxima de elevación.

7. Por qué Maximum Head no es la cabeza que deberías comprar

Un catálogo de bombas puede mostrar un rango de altura de elevación o una altura máxima, pero este valor no debe considerarse como la altura de trabajo normal de la bomba. La altura de elevación de una bomba centrífuga varía con el caudal. Cerca del punto de cierre, la bomba puede alcanzar su altura máxima sin proporcionar prácticamente ningún caudal útil. A medida que aumenta el caudal, la altura de elevación disponible suele variar según la curva de rendimiento de la bomba. Un comprador que necesita 100 m³/h a 105 metros no puede simplemente elegir cualquier bomba cuyo catálogo indique "altura máxima de 105 m", ya que a ese caudal la bomba podría alcanzar una altura muy inferior a 105 metros.

Por eso, un presupuesto completo debe incluir una curva de rendimiento con el punto de operación propuesto claramente marcado. La curva permite al comprador confirmar si el caudal y la altura requeridos se encuentran dentro de un rango operativo adecuado. Gama de bombas sumergibles incluye bombas diseñadas para diferentes combinaciones de caudal y altura, mientras que Bombas de pozo profundo QJH de acero inoxidable Están disponibles para aplicaciones donde las condiciones del agua o las especificaciones del proyecto requieren una construcción en acero inoxidable. El material o el tamaño del motor deben considerarse después de haber establecido el punto de funcionamiento hidráulico, y no deben utilizarse como sustituto de su cálculo.

8. Calcular las condiciones de funcionamiento normales y difíciles.

Un buen cálculo de altura de elevación no siempre debe basarse en un nivel de agua fijo. Los niveles de agua subterránea pueden variar durante el bombeo y también según la estación del año. Las condiciones de las tuberías pueden cambiar al abrirse o cerrarse las válvulas, y un filtro puede generar mayor resistencia al ensuciarse. Por lo tanto, para un sistema de suministro de agua importante, es útil comprender tanto las condiciones normales de funcionamiento como las condiciones más exigentes a las que puede estar sometida la bomba.

Por ejemplo, si el nivel de agua de bombeo normalmente está a 50 metros bajo tierra, pero puede descender a 65 metros durante la estación seca, el sistema requerirá aproximadamente 15 metros más de altura estática durante ese período. Esto no significa que se deba añadir un margen de seguridad arbitrario a cada selección de bomba. El sobredimensionamiento también genera problemas. En su lugar, se debe discutir el rango de operación previsto con el proveedor de la bomba y compararlo con la curva de rendimiento. Para proyectos que impliquen cambios en la demanda o la presión, también se puede considerar un sistema de control de velocidad variable como parte del sistema general. solución de bombeo para suministro de agua y riego .

¿Qué información debe enviar al proveedor de la bomba?

Si desea que un proveedor calcule la altura de elevación con precisión, la información más útil es el caudal requerido, los niveles de agua estática y de bombeo, la elevación del punto de entrega final, la presión de salida requerida, la longitud de la tubería, el diámetro interno de la tubería, el material de la tubería y las válvulas o accesorios principales en la línea. Un croquis sencillo del sitio suele ser muy útil. Si se desconoce el nivel de agua de bombeo, es mejor indicar que aún no se ha medido que utilizar la profundidad total del pozo como sustituto.

Una vez que se dispone de estos valores, el proveedor puede calcular o verificar la altura de elevación del sistema y seleccionar una curva de rendimiento de la bomba en torno al punto de funcionamiento requerido. Esto reduce considerablemente el riesgo de adquirir una bomba que produzca poca agua, una presión excesiva o un consumo energético innecesario.

Conclusión

Calcular la altura de elevación de una bomba sumergible para pozos profundos es mucho más sencillo una vez que se han separado correctamente las diferentes profundidades. La profundidad total del pozo y la profundidad de instalación de la bomba son importantes para la instalación, pero no constituyen automáticamente la altura de elevación. Para la mayoría de los sistemas convencionales de suministro de agua en pozos profundos, el cálculo debe comenzar con el nivel del agua de bombeo y luego incluir la elevación hasta el punto de entrega, la presión requerida por el sistema y la pérdida por fricción en la tubería.

En términos prácticos:

Carga dinámica total = Elevación vertical + Carga de presión requerida + Pérdida por fricción en la tubería

Una vez calculada la altura total de elevación, debe combinarse con el caudal requerido y compararse con la curva de rendimiento de la bomba. Ese punto de funcionamiento —y no la altura máxima de elevación, la potencia del motor ni la profundidad del pozo— es lo que debe guiar la selección final de la bomba.

Si está seleccionando una bomba para pozo profundo y no está seguro de la altura de elevación requerida, proporcione el nivel del agua de bombeo, el caudal necesario, la altura de descarga, la presión de salida y la información de la tubería. Con estos valores, se puede calcular el punto de operación antes de elegir el modelo de bomba.