Cálculo del dimensionamiento de bombas: hoja de cálculo paso a paso del punto de funcionamiento

El cálculo del dimensionamiento de bombas se basa en el agua que necesita un proceso y en la resistencia del recorrido. Para dimensionar una bomba, introduzca esos datos y después seleccione la potencia en caballos. La hoja de cálculo siguiente construye un punto de funcionamiento para agua limpia, muestra todas las pérdidas supuestas y separa la demanda calculada de las evaluaciones del proveedor antes de la compra.

Paso 1: Defina qué debe proporcionar su cálculo de dimensionamiento de bombas

El servicio de la bomba combina un caudal específico con la altura manométrica diferencial a ese caudal. Para empezar, indique el líquido, la demanda del proceso y los dos puntos en los que se añade energía. Describa la condición de cálculo con los requisitos de funcionamiento anotados junto a los datos de entrada.

Para una operación de trasiego, identifique el depósito de origen, el depósito receptor, el volumen de llenado y el tiempo de llenado. Para un proceso alimentado continuamente, utilice el patrón de demanda real. Una bomba que alimenta varias unidades necesita un escenario creíble de demanda simultánea; sumar todas las salidas conectadas a plena demanda puede describir una condición que la planta nunca experimenta.

Las recomendaciones sobre selección de bombas del Departamento de Energía de Estados Unidos separan las propiedades de los fluidos del uso final. Respételo. Antes de utilizar datos del agua, anote la temperatura, densidad, viscosidad y cualquier sólido. Defina el tipo de instalación y el control previsto, las horas de servicio y la persona responsable de verificar cada dato de entrada.

Mantenga el alcance visible: Las instrucciones siguientes se aplican al trasiego de agua limpia con una bomba centrífuga en condiciones estacionarias. Las aplicaciones con lodos, líquidos muy viscosos, servicio contra incendios y presión transitoria requieren sus revisiones correspondientes. Dos bombas que funcionan en tándem también necesitan curvas; el resultado de una sola bomba siguiente no puede determinar su rendimiento combinado.

La descripción del trasiego de 30 m³/h indica que el resultado será un análisis de caudal y altura manométrica con supuestos trazables. Las placas de características de los motores no pueden aportar el trazado de tuberías, los niveles de los depósitos ni los datos de aspiración que faltan. Compras solo puede solicitar curvas equivalentes después de que ingeniería defina ese servicio común y operaciones confirme que realmente se produce.

Paso 2: Calcule el caudal requerido

Mover 15 m³ en 30 minutos sin otra demanda simultánea requiere un caudal volumétrico de 30 m³/h. Divida el volumen requerido entre el intervalo de tiempo disponible utilizando unidades coherentes. Después determine si las demandas mínima, normal y máxima difieren lo suficiente para justificar escenarios de funcionamiento separados.

Q = volumen ÷ tiempo = 15 m³ ÷ 0,5 h = 30 m³/h. Para las ecuaciones de altura manométrica y potencia, convierta el resultado a 30 ÷ 3.600 = 0,008333 m³/s. Mantenga la precisión completa en el cálculo y redondee solo el resultado.

Al considerar el volumen, el periodo de tiempo es igual de importante. Media hora no equivale a media hora de bombeo si durante ese tiempo se realiza una actividad documentada de limpieza o secuenciación. Para el tiempo útil de bombeo, pida a operaciones que determine el tiempo y calcule a partir del tiempo confirmado por operaciones. No incluya un porcentaje de caudal sin explicar.

Debe registrarse la demanda mínima. Las bombas que deben abastecer a un usuario durante la noche y a varios usuarios durante la producción pueden necesitar disposiciones de control distintas de las bombas fijas de trasiego por lotes. En lugar de estimar el servicio normal de cada turno, registre las posiciones previstas de las válvulas o los puntos de ajuste del control de velocidad.

Para mover 15 m³ en 0,5 h, la ventana de bombeo requiere un caudal medio de 30 m³/h. Esta operación aritmética establece el objetivo; no anticipa el caudal real de la bomba instalada. En la condición de funcionamiento, el caudal final puede diferir debido a la resistencia del sistema, la curva de prestaciones y los controles activos.

Paso 3: Elabore el cálculo de la altura manométrica total

La altura manométrica diferencial total considera los cambios de elevación, presión, velocidad y pérdidas de altura de velocidad a lo largo del recorrido del fluido. Defina los extremos antes de utilizar la ecuación. En las superficies libres de grandes depósitos abiertos, las presiones se anulan por la presión atmosférica y las velocidades superficiales suelen ser despreciables; sin embargo, la velocidad en los extremos de una tubería con flujo requiere un tratamiento distinto.

H = (z₂ − z₁) + (p₂ − p₁)/(ρg) + (V₂² − V₁²)/(2g) + h_loss. Aquí, H y la elevación z se expresan en metros, la presión p en pascales, la densidad ρ en kg/m³, la gravedad g en m/s² y la velocidad V en los extremos en m/s. El término de velocidad utiliza la aproximación habitual de corrección de energía cinética; sin embargo, debe realizarse un balance energético detallado para considerar el perfil de flujo real si es relevante.

Utilice la misma referencia de presión en ambos extremos. Dos lecturas manométricas corregidas a la misma atmósfera pueden constituir una diferencia de presión. Para cálculos de aspiración que impliquen presión de vapor, se requiere presión absoluta. Presurizar el depósito receptor modifica el término de presión aunque su elevación no cambie.

Para las pérdidas en tubería recta y locales, puede utilizarse el método de curva del sistema del Hydraulic Institute: h_major = f(L/D)v²/(2g), y h_minor = ΣK·v²/(2g). La v minúscula se refiere a la velocidad en la tubería utilizada para el término de pérdidas. Recalcule las velocidades para distintos diámetros interiores de tubería; no suponga que la velocidad de un tramo es aplicable a todos los accesorios.

El factor de fricción de Darcy, f, depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa. Los factores de Darcy y Fanning son convenciones distintas, por lo que debe asegurarse de que su hoja de cálculo indique cuál utiliza. Para el ejemplo de diámetro constante, se supone que los coeficientes f y de accesorios son fijos para simplificar el proceso. Un sistema instalado necesitaría rugosidad justificada, propiedades del fluido y diámetros interiores reales.

Un circuito de circulación cerrado y completamente estanco no requeriría que la bomba cubriera toda la altura del edificio en cada pasada. Las pérdidas por flujo y cualquier presión diferencial se mantienen. Las condiciones de arranque, llenado y venteo tendrían que tratarse por separado. Para la parte de pérdidas en tuberías, hay una referencia independiente disponible en la guía de la fórmula de pérdidas por fricción.

Con una diferencia de 18 m entre superficies libres abiertas, el ejemplo comienza con 18 m de altura estática y añade pérdidas en tuberías al caudal seleccionado. Añadir una segunda tolerancia arbitraria de altura de velocidad modificaría el resultado sin cambiar los extremos. Sitúe físicamente cada término y después considere si debe incluirse en el balance.

Paso 4: Siga la hoja de evidencias del punto de funcionamiento

El punto de funcionamiento desarrollado es 30 m³/h a 22,97 m de altura manométrica total para los supuestos de la tabla siguiente. Todos los valores son ilustrativos, incluido el diámetro interior de la tubería y los coeficientes de pérdida. Sustituya todos los supuestos por datos verificados de la instalación antes de utilizar esta hoja para solicitar una selección de bombas o evaluar ofertas de proveedores. El tutorial sobre curvas del sistema del Hydraulic Institute explica el método de pérdidas; los datos numéricos siguientes siguen siendo supuestos para este ejemplo.

El inventario supuesto de K es explícito: entrada 0.5, salida 1.0, tres codos de 0.5 cada uno, válvula de retención 4.0 y válvula de aislamiento 1.0, con un total de 8.0. Son datos didácticos y no valores de consulta recomendados para un accesorio concreto. Deben sustituirse por datos específicos de la geometría y la posición. La pérdida de salida incluye la impulsión al depósito receptor.

El análisis a caudal fijo indica qué modifica el factor de fricción supuesto. Con el caudal establecido en 30 m³/h y todos los demás datos fijos, f = 0.018 da una altura manométrica total de 22,27 m y f = 0.028 da 24,02 m. No es una banda de incertidumbre validada, pero indica un valor que requiere evidencia.

El resultado de 22,97 m puede calcularse a partir de los 18 m de elevación indicados, 3,85 m de pérdida en tubería recta y 1,12 m de pérdida local. La coincidencia entre las hojas de cálculo solo confirma la aritmética. Cuando la hoja de evidencias refleje dimensiones, coeficientes y niveles de funcionamiento reales, podrá respaldar una selección real.

Paso 5: Haga corresponder la curva de la bomba con la curva del sistema

El punto de funcionamiento de una bomba centrífuga típica se sitúa donde su curva de prestaciones satisface el requisito completo del sistema. Represente la curva real del proveedor a la velocidad y el diámetro del impulsor propuestos frente a los requisitos del sistema. Un punto de funcionamiento calculado por sí solo no puede indicar si la bomba alcanza este punto o se encuentra dentro de la región de funcionamiento permitida.

Para este caso concreto, mantener f y K constantes da H(Q) = 18 + 4,97310 × (Q/30)², con Q en m³/h y H en metros. Los puntos de requisito del sistema son 20,21 m a 20 m³/h, 22,97 m a 30 m³/h y 26,84 m a 40 m³/h. Estos tres puntos forman una curva del sistema en un gráfico de altura manométrica frente a caudal; no son tres rendimientos ciertos de la bomba.

Junto con la curva de altura manométrica, solicite el rendimiento de la bomba y las regiones de funcionamiento preferidas y permitidas por el fabricante. La guía de curvas de bomba del Hydraulic Institute indica que funcionar alejado del punto de mejor rendimiento puede causar problemas hidráulicos y mecánicos. En lugar de utilizar un porcentaje universal, aplique los límites específicos de esa bomba.

Las válvulas de control activas requieren una planificación cuidadosa. Una curva básica del sistema normalmente no incluirá la pérdida de la válvula de control. El servicio controlado se sitúa entonces por encima de la curva básica en función de la pérdida de presión requerida por la válvula. Muestre el requisito de control o asegúrese de mostrar esta discrepancia basándose en la curva combinada de la bomba y el sistema. Nunca considere la intersección de la curva básica como el servicio controlado sin tener en cuenta la pérdida de la válvula de control.

Modos de fallo habituales: cuándo no realizar un pedido basándose en un punto

No realice un pedido cuando el proveedor solo envíe un caudal y una altura manométrica nominales sin una curva aplicable. Un punto puede coincidir con la hoja de cálculo, mientras que el caso de baja resistencia puede llevar el funcionamiento hacia un límite excesivo de caudal elevado. Solicite la altura a válvula cerrada, el límite de caudal máximo, las presiones máximas admisibles de aspiración e impulsión y los límites de presión de la carcasa. La presión transitoria requiere una consideración independiente; la aritmética de altura manométrica estacionaria no puede calcularla.

El otro límite también es importante. Un caudal nulo o muy bajo puede dañar la bomba, y esta hoja de cálculo no definirá un periodo seguro de funcionamiento con impulsión cerrada. Solicite al fabricante las especificaciones de caudal mínimo y protección para la bomba y el régimen de funcionamiento propuestos. Explique cómo limitará la instalación el funcionamiento a esos caudales especificados.

Cuando dos bombas funcionan en paralelo, exija una única curva para el sistema compuesto y comprobaciones individuales de funcionamiento para cada bomba en cada etapa de funcionamiento deseada. Dos bombas idénticas conectadas en paralelo no proporcionarán automáticamente el doble del caudal de una sola bomba en el mismo sistema resistente. Las disposiciones en serie deben examinarse respecto a la altura manométrica y la presión combinadas. Indique si la segunda unidad es solo de reserva o está funcionando; son escenarios distintos para ingeniería y compras.

Antes de cambiar la velocidad para alcanzar otro punto, consulte la guía de las leyes de afinidad de las bombas para modificar la velocidad y alcanzar otro punto, y determine los límites establecidos por el proveedor.

Paso 6: Verifique las condiciones de aspiración antes de la selección

La aceptación de aspiración implica que la altura neta positiva de aspiración disponible, en las peores condiciones plausibles, satisfaga el requisito de la bomba con un margen adecuado específico de la aplicación. Calcule la altura de aspiración disponible a partir de las condiciones absolutas de aspiración y de la altura de presión de vapor. Obtenga del fabricante la altura de aspiración requerida para el caudal, la velocidad de giro y el estado del líquido pertinentes.

Anote el nivel mínimo de la fuente, la presión atmosférica del emplazamiento, la temperatura del líquido, las pérdidas por fricción y presión en la línea de aspiración y el nivel de referencia de la bomba. La altura neta positiva de aspiración disponible, NPSHA, representa la altura total absoluta de aspiración en el nivel de referencia de la bomba menos la altura de presión de vapor. La altura neta positiva de aspiración requerida, NPSHR, es una característica de la bomba. No son datos intercambiables, y la altura manométrica calculada entre dos depósitos no aporta por sí misma ninguno de los dos valores.

En su justificación de marzo de 2025 de la revisión de 2024 de ANSI/HI 9.6.1, Hydraulic Institute indica un cambio hacia el NPSHR proporcionado por el fabricante como referencia de margen. NPSHR debe ser igual o superior al valor ensayado de NPSH3. No sustituya una revisión de la aplicación por un porcentaje genérico y antiguo de una hoja de consejos.

“La directriz revisada ofrece a los usuarios recomendaciones de margen NPSH específicas para cada aplicación.”

Hydraulic Institute, explicación de Alex Moser, 18 de marzo de 2025

La geometría de la toma de aspiración es una consideración independiente. Un NPSHA adecuado no garantiza que la entrada de un depósito abierto tenga suficiente sumergencia para impedir la formación de un vórtice con núcleo de aire. Este requisito se trata en las recomendaciones de sumergencia del Hydraulic Institute. Para la revisión, facilite las dimensiones de la toma de aspiración y el nivel mínimo de líquido; no se supone ninguna holgura genérica.

Respecto al ejemplo de 30 m³/h, no existe una fuente verificada sobre el nivel relativo de la bomba, los detalles de la línea de aspiración ni el rango de temperaturas del líquido. Por tanto, el NPSHA y el margen no están definidos. Por ello, mantenga los valores que faltan junto con el ejemplo, en lugar de aceptar la aspiración como indicada, porque se ha realizado la aritmética completa de altura manométrica de los demás datos. Compras debe anotarlo y mantenerlo como una condición abierta para la revisión de la oferta.

Paso 7: Calcule la potencia en el límite correcto

La potencia hidráulica es la tasa de energía transferida al líquido, mientras que la potencia de entrada al eje y la potencia eléctrica de entrada incluyen pérdidas distintas. En el servicio ilustrativo, la potencia del líquido es 1,87 kW. Suponiendo un rendimiento de bomba del 70 % y un rendimiento de motor del 90 %, se obtienen 2,68 kW en el eje y 2,98 kW de potencia eléctrica de entrada, antes de cualquier pérdida del accionamiento.

En SI, P_hydraulic = ρgQH/1,000 = 998 × 9,81 × 0,008333333 × 22.97309948 ÷ 1.000 = 1,8743 kW. Divida por el rendimiento supuesto de la bomba: P eje = 1.8743/0.70 = 2,6776 kW. Divida de nuevo por el rendimiento supuesto del motor: P eléctrica = 2.6776/0.90 = 2,9751 kW.

Estos rendimientos corresponden a límites distintos, no son dos aproximaciones de la misma pérdida. La hoja de prestaciones de bombas centrífugas del Departamento de Energía diferencia entre la potencia de entrada de la bomba y el consumo eléctrico. Para más detalles sobre las ecuaciones, consulte las guías de la fórmula de potencia de la bomba y de la fórmula de rendimiento de la bomba.

El resultado de 2,68 kW del punto de funcionamiento por sí solo no puede seleccionar un motor. La potencia máxima absorbida debe evaluarse en los límites de todos los estados de funcionamiento creíbles permitidos, en las condiciones de velocidad de giro, densidad del líquido y caudal elevado. La evaluación del motor y del accionamiento requiere la reducción de prestaciones nominales aplicable, los requisitos de arranque y los límites del fabricante. Una placa de características mayor no corrige un rango de funcionamiento inaceptable desde el punto de vista hidráulico.

Finanzas puede utilizar el límite eléctrico para obtener una cifra de coste de funcionamiento claramente identificada. Con unas 4.000 h/year supuestas y $0.12/kWh, la entrada sin redondear de 2,9751 kW produce aproximadamente 11.900 kWh/year, o $1,428/year. Una instalación con servicio variable requiere horas y potencia eléctrica de entrada para cada estado. Aquí no se ofrece ninguna comparación de precio de compra ni de mantenimiento, por lo que no es una afirmación de amortización.

Un cálculo de eje de 2,68 kW indica un servicio supuesto, no la carga máxima que impondrá una bomba seleccionada. El coste anual ilustrativo de electricidad de $1.428 también depende de las horas, la tarifa y los rendimientos indicados. Pida a cada proveedor que presente una oferta con el mismo programa de funcionamiento antes de que finanzas compare los costes energéticos entre ofertas.

Paso 8: Entregue la hoja de cálculo a una herramienta de dimensionamiento de bombas y al proveedor

Una entrega útil para el dimensionamiento identifica el punto de funcionamiento normal, los extremos plausibles y las pruebas aún necesarias para la selección. Facilite a operaciones, ingeniería y compras el mismo conjunto de datos y pida después a cada proveedor que devuelva curvas y límites comparables. Una herramienta de correspondencia por modelo puede acotar los candidatos una vez establecidos el caudal y la altura manométrica; no puede verificar datos de campo que faltan.

Copie la siguiente matriz en la consulta y complete sus valores de condiciones de la instalación. El ejemplo solo proporciona el objetivo numérico estándar. No transforme los tres puntos de una única curva del sistema en tres escenarios de funcionamiento confirmados de la planta.

Mapa de cuellos de botella de la selección

Resuelva el dato que puede cambiar la selección antes de negociar en torno al resultado nominal. La columna de responsable evita que una consulta de ingeniería abierta se convierta en una concesión automática de compra.

Las herramientas digitales ayudan a hacer visibles esos supuestos. El anuncio de la herramienta de datos de diciembre de 2024 del Hydraulic Institute describe algunas demostraciones y recursos sobre curvas y cálculos. Esto no significa que el software pueda validar una solicitud. Guarde la versión de los datos de entrada y la curva devuelta por el proveedor.

Una vez añadidos a la calculadora de dimensionamiento de bombas de BBP los datos de las familias de productos agrícolas pertinentes, utilice la correspondencia basada en modelos. Incluya la hoja de pruebas y los escenarios de funcionamiento en la consulta para que puedan abordarse en la oferta devuelta los límites de aplicación pertinentes.

Preguntas frecuentes: preguntas sobre dimensionamiento de bombas