Cálculo de la presión de impulsión de una bomba a partir de la altura manométrica y la presión de aspiración

El cálculo de la presión de impulsión de una bomba consiste en establecer un balance energético entre la entrada y la salida. Al convertir la altura manométrica de la bomba se obtiene el aumento de presión, que después se suma a la presión de aspiración. Este análisis se centra en el flujo estacionario de líquidos por bombas centrífugas industriales y se ilustra con numerosos ejemplos y los datos que el proveedor necesita para realizar una evaluación.

Diferencias entre altura manométrica y presión de impulsión

La presión de impulsión es la presión a la salida. La presión diferencial es la diferencia entre las presiones de salida y de entrada. La altura manométrica es el aumento de energía por unidad de peso del líquido al atravesar la bomba e incluye componentes de presión, cota y velocidad. Confundir cualquiera de estas magnitudes puede dar lugar a una respuesta incorrecta aunque la conversión de unidades se haya hecho bien.

¿Qué es la altura manométrica de una bomba?

La altura manométrica de una bomba, expresada en metros o pies, es el aumento de energía por unidad de peso del líquido. En una curva de una bomba centrífuga, corresponde a un caudal y una configuración determinados. No equivale automáticamente a la altura vertical de la tubería de impulsión ni a la presión que indica un único manómetro de salida.

La guía del Hydraulic Institute sobre curvas de bombas utiliza las condiciones de aspiración e impulsión para definir la altura manométrica de la bomba. Para un flujo estacionario e incompresible, la relación energética en los límites de la bomba es:

Use esta relación para secciones de entrada y salida de la bomba definidas con precisión. En un punto de impulsión más alejado a lo largo de la tubería, las pérdidas por fricción y los accesorios intermedios pueden afectar a la lectura; corríjala antes de compararla con una curva de la bomba. El procedimiento basado en curvas no establece los límites de presión de las bombas de desplazamiento positivo; consulte la explicación del Hydraulic Institute sobre tipos de bombas.

La altura total a la salida es la altura de impulsión; réstele la altura total de aspiración para obtener la altura diferencial de la bomba. Esta diferencia se denomina altura dinámica total. Mantenga la definición junto al valor, ya que una ficha técnica también puede indicar la altura del sistema necesaria entre puntos más alejados.

Calcular la presión de impulsión en bar o psi

Cuando se compensan las alturas de velocidad y las cotas de entrada y salida, el aumento de presión de la bomba es el producto de la densidad, la aceleración de la gravedad y la altura manométrica. Súmelo a la presión de aspiración usando la misma referencia. Si estas condiciones no se cumplen, mantenga los términos de corrección en la ecuación completa antes de convertir los pascales a otra unidad de presión.

¿Cómo se calcula la presión de impulsión de una bomba a partir de la presión de aspiración?

Introduzca la presión de aspiración con su signo y obtenga la altura manométrica de la curva correspondiente al caudal de funcionamiento. Convierta esa altura en una diferencia de presión usando la densidad del líquido y súmela al valor de aspiración. Ambas presiones deben expresarse en las mismas unidades y con la misma referencia; no mezcle bar absolutos con bar manométricos.

El coeficiente métrico utiliza la gravedad estándar, 9,80665 m/s², y una densidad de referencia de 1.000 kg/m³. Las tablas de conversión de unidades del NIST indican que un bar equivale a 100.000 Pa y que un psi equivale aproximadamente a 6,894.757 Pa. Para obtener resultados precisos, utilice directamente la densidad del líquido suministrado; la convención de densidad del agua de referencia debe coincidir con el valor de gravedad específica.

El factor de conversión redondeado es 0,0981 bar por metro con SG 1.0. Mantenga más cifras durante el cálculo y redondee el resultado final. Esta fórmula sirve para calcular la presión de impulsión de una bomba a partir de una altura manométrica conocida; no permite determinar el tamaño de la bomba basándose únicamente en la presión.

Supongamos que la curva del proveedor indica 60 m al caudal y la velocidad de funcionamiento. El líquido tiene SG 1.2 según la referencia indicada y la presión de entrada es de 1,5 bar manométricos. Si las cotas y velocidades en las tomas coinciden, la densidad es de 1.200 kg/m³. El aumento de presión es 1.200 × 9,80665 × 60 ÷ 100.000 = 7,060788 bar. Al sumar la presión de entrada, se obtienen 8,561 bar manométricos, redondeados. Indicar 7,061 bar como presión de salida omitiría la presión de alimentación. Si facilita al proveedor tanto las condiciones de entrada como la presión de salida calculada, podrá evaluar el mismo caso de funcionamiento.

Estos valores son diferencias de presión calculadas, no lecturas manométricas a la salida. Las cifras mostradas sirven para comprobar la aritmética; no indican que un instrumento de campo mida con esa precisión. Multiplique por el valor de SG correspondiente y sume la presión de aspiración.

Si mide el caudal en gpm, compruebe si la unidad corresponde a galones estadounidenses por minuto antes de convertirlo a unidades SI. Para interpretar correctamente la altura manométrica, las unidades del eje horizontal y la conversión de presión deben ser adecuadas.

Comparar tres condiciones de aspiración

Con una altura manométrica constante, las diferencias de presión de entrada producen distintas lecturas a la salida. En cada fila, la presión de salida se calcula con la misma altura manométrica y densidad; comparar las distintas presiones de entrada ayuda a detectar errores. Estos ejemplos ilustran el principio, pero no predicen que el caudal de funcionamiento se mantenga sin cambios al variar el nivel del depósito.

Registro de presión de aspiración en 3 casos

El registro de presión de aspiración en 3 casos muestra cómo varía la presión de salida al cambiar la presión manométrica de entrada, manteniendo constantes la altura manométrica y la densidad.

Haga una comprobación rápida de una bomba alimentada desde un depósito situado por debajo de su entrada. Si el manómetro de entrada indica −0,30 bar y la bomba desarrolla realmente 60 m de altura manométrica con el líquido de referencia, el cálculo es −0.30 + 5.88399 = 5,58399 bar manométricos. Invertir el signo aumentaría la presión de salida calculada en 0,60 bar. Que un depósito esté abierto a la atmósfera no garantiza que la presión en la entrada de la bomba sea cero. El nivel del líquido, las pérdidas en la tubería de aspiración y el caudal total afectan a la lectura. Es importante definir el punto de entrada y tomar allí la lectura, en lugar de medir la presión por encima de la superficie del líquido.

Este cálculo no demuestra que las condiciones de aspiración sean adecuadas. La presión atmosférica local, la temperatura del líquido y su presión de vapor afectan a la altura neta positiva de aspiración disponible. La guía del Hydraulic Institute sobre aspiración y rendimiento explica por qué es necesario evaluar por separado el margen adecuado para cada aplicación. En sistemas con alimentación presurizada, las aplicaciones de bombas de refuerzo requieren conocer el intervalo de presión de entrada, además del aumento de presión necesario.

Corregir la densidad y el punto de medición

La densidad del líquido afecta a la presión correspondiente a una altura manométrica determinada. El punto de medición cambia la proporción de energía que se manifiesta como presión estática en un manómetro. Son dos efectos distintos que se producen por separado. Compruebe ambos antes de concluir que la bomba no rinde lo esperado.

Una toma en la pared de una boquilla de la bomba mide la presión estática. La presión total incluye el efecto de la velocidad, por lo que una boquilla de impulsión de menor diámetro puede ser significativa aunque ambos instrumentos estén a la misma altura que el eje de la bomba. La distancia vertical entre las tomas determina la corrección de presión por cota. La densidad del fluido sirve tanto para convertir la presión como para calcular la corrección.

A 60 m de altura manométrica, SG 1.2 produce un aumento de presión de 7,061 bar, frente a 5,884 bar con SG 1. Un líquido más denso también aumenta la demanda de potencia hidráulica, por lo que debe comprobar el requisito de potencia del motor. La viscosidad y la densidad son propiedades distintas; la densidad por sí sola no describe la viscosidad. Para las bombas para servicio químico, obtenga las propiedades a la temperatura de funcionamiento en lugar de tratar todos los líquidos como si fueran agua.

La explicación de Peter Gaydon, del Hydraulic Institute, sobre bombeo de líquidos viscosos ofrece correcciones para el rendimiento comprobado con agua. Una conversión de altura manométrica a presión no aplica esas correcciones. Si la viscosidad difiere de forma significativa de la del líquido de ensayo, solicite al proveedor la curva correspondiente.

Para otra comprobación hipotética, considere agua a 1.000 kg/m³, una altura manométrica de la bomba de 60 m y una presión manométrica de entrada nula. Supongamos que la toma de salida está 2 m por encima de la toma de entrada, con velocidades de 4 m/s en la impulsión y 2 m/s en la aspiración. La diferencia de altura de velocidad es (16 − 4)/(2 × 9.80665), es decir, aproximadamente 0,612 m. Por tanto, la altura de presión es 60 − 2 − 0.612 = 57,388 m, lo que da aproximadamente 5,628 bar manométricos. El cálculo simplificado daría 5,884 bar. Este caso supone que no hay pérdidas adicionales entre las tomas y los límites de la bomba; los manómetros remotos deben tener en cuenta las pérdidas adicionales.

Usar la curva de la bomba al caudal real

Un valor de altura manométrica solo sirve para la condición de funcionamiento que se está calculando. En una instalación existente, mida el caudal y la velocidad de giro. Para un sistema pasivo propuesto, determine el punto de funcionamiento a partir de las curvas de la bomba y del sistema. Que exista un objetivo de compra o una consigna de control no significa necesariamente que la bomba instalada alcance esas condiciones de servicio.

1. Identifique la configuración. Haga coincidir el modelo, el diámetro del rodete, la velocidad de giro y el líquido con la curva suministrada.
2. Determine el caudal. Use datos medidos o resuelva la relación entre el sistema propuesto y la bomba.
3. Consulte la altura manométrica correspondiente. Use ese valor en el cálculo de presión y compruebe el intervalo de funcionamiento.

La explicación del Hydraulic Institute sobre curvas de sistema muestra cómo se combinan las demandas estáticas y las pérdidas por fricción dependientes del caudal. Nuestra guía sobre la intersección de las curvas de la bomba y del sistema completa el método de dimensionamiento. Una válvula de control activa puede variar sus pérdidas para mantener una consigna, mientras que un variador de velocidad modifica la curva de la bomba; registre el estado del control junto con los datos.

Al interpretar las curvas, distinga entre la altura estática y las pérdidas que varían con el caudal. La fórmula adecuada para calcular las pérdidas por fricción debe incluirse en el cálculo del sistema, no como una resta adicional después de haber tenido en cuenta esas pérdidas. Si una mayor restricción reduce el caudal y desplaza el punto de funcionamiento, cambiar las unidades no soluciona el problema de una bomba infradimensionada.

Las leyes de afinidad permiten estimar el efecto de los cambios de velocidad dentro de sus supuestos, pero para la evaluación final utilice las curvas aplicables del fabricante del equipo. Pida al operador de la bomba que registre la velocidad y los ajustes de control junto con las lecturas; si un acoplamiento o una transmisión modifica la velocidad de giro del eje, el ajuste del motor por sí solo no basta.

«Debe consultarse al fabricante de la bomba para definir esta zona».

Comprobar el intervalo de funcionamiento y los límites de presión

El cálculo normal de funcionamiento corresponde a un único caso. Revise con el proveedor otras presiones de entrada, velocidades y condiciones de caudal plausibles; después, compare las presiones previstas con los límites admisibles para el conjunto y la temperatura específicos. Los límites de la carcasa de la bomba, el cierre, la brida y las tuberías conectadas deben documentarse por separado; una curva hidráulica no basta para aprobarlos.

No dé por sentado que el punto a caudal cero siempre es el máximo de la curva. En el análisis de Lev Nelik sobre curvas inestables de bombas, una bomba en marcha puede generar una altura manométrica superior a la altura a caudal cero de una bomba idéntica. Es un contraejemplo específico de una curva, no una afirmación sobre el comportamiento de todas las bombas centrífugas. Solicite la curva completa correspondiente en lugar de extrapolar a partir de un único punto nominal.

No cierre una válvula de impulsión para obtener un dato de cálculo. Distinga también entre la predicción de presión estacionaria y la evaluación de transitorios. Esta ecuación de estado estacionario puede no contemplar ciertos requisitos del proceso, como el movimiento rápido de una válvula o los cambios en las condiciones aguas arriba.

Enviar al proveedor de la bomba un cálculo útil

Facilite al proveedor los datos necesarios para reproducir el cálculo de presión e identificar sus límites. La descripción pública de la norma ANSI/HI 14.6 distingue las pruebas de rendimiento hidráulico de las pruebas de presión hidrostática. Compruebe qué métodos de ensayo y condiciones de aceptación se aplican a su pedido. No utilice una altura manométrica representada en una curva como presión nominal.

El equipo de planta puede facilitar las condiciones de funcionamiento, el equipo de calidad puede evaluar la documentación de aceptación y el departamento de compras puede comparar las ofertas en igualdad de condiciones. Si no se define el intervalo de presión de entrada, puede cambiar el tipo de bomba necesario; resuélvalo antes de comparar precios. Consulte las opciones de bombas centrífugas de BBP o analice la selección de una bomba multietapa con esta hoja de datos adjunta.

Preguntas frecuentes

Base de cálculo: los ejemplos ilustran un flujo estacionario sencillo mediante relaciones hidráulicas publicadas. No son resultados de ensayo de BBP ni valores nominales de productos. Para seleccionar equipos para un proyecto se necesitan la curva de bomba aplicable, las propiedades del líquido, una evaluación de la aspiración y límites de funcionamiento aprobados por el proveedor.