Se describe cómo obtener, interpretar y comprender la operación del bombeo a tanques a varias alturas a través de su representación gráfica.
El autor de este post es Jorge Jiménez Mur.
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La necesidad de optimizar el sistema de bombeo
Frecuentemente, el diseñador de sistemas de bombeo, se encuentra con la situación que se describe a continuación. Por decirlo de forma coloquial, tiene que resolver el problema de los 3 tanques o depósitos.
Evidentemente, este es el caso más simple con depósitos múltiples, ya que podrían ser más de 3 tanques. Además, para no tener que introducir en el cálculo la tubería de succión o aspiración, se ha decido elegir una bomba centrífuga sumergida.
No obstante, los pasos a seguir son los mismos que se describirán aquí.
Habitualmente, los diseñadores experimentados proceden según se describe a continuación. Pero lamentablemente, no siempre se sigue esta metódica para encontrar la solución óptima, a la hora de seleccionar la bomba y diseñar el sistema de bombeo.
Puedo dar fe de que, en muchas ocasiones y apremiados por lo plazos de entrega, se sobredimensionan los equipos de bombeo sin necesidad alguna. Y todo viene de aplicar simplificaciones rápidas del cálculo, que provocan aumentos excesivos de los márgenes de caudal y TDH de la bomba a instalar.
Sin duda alguna, hay que evitar el sobredimensionamiento de la bomba y optimizar el sistema de bombeo. De lo contrario, el diseño y selección final de los equipos, componentes y sistema, tendrá un impacto negativo en el Coste del Ciclo de Vida (LCC) de la instalación. Te animo a que visites la lección El coste del ciclo de vida en bombas, para más detalles sobre el LCC.
A continuación, se detalla la solución óptima recomendada para este tipo de problemas.
Descripción del sistema de bombeo a tanques a varias alturas
Debajo aparece una representación gráfica del sistema de bombeo sujeto a análisis, incluyendo todos los parámetros a considerar.
En la figura se representa lo siguiente:
- Depósitos 1, 2 y 3 – Tanques con niveles de la superficie del líquido a diferentes elevaciones
- Presión atmosférica Patm que actúa sobre la superficie libre del líquido en cada uno de los depósitos
- Bomba centrífuga sumergida en el depósito de aspiración (tanque 1)
- Tramos de tuberías a y b que conectan la bomba con los depósitos de descarga 2 y 3
- 𝛥Z12 y 𝛥Z13 – diferencia de alturas de elevación entre las superficies del líquido del depósito (1) de aspiración o succión y las de los tanques de descarga (2 y 3)
- Qa y Qb – caudal volumétrico bombeado a cada depósito por los tramos a y b
- ha y hb – pérdidas de carga en los tramos a y b
Construcción gráfica de la curva del sistema
Seguidamente se describen los pasos para construir la curva del sistema de forma gráfica:
1 – Curva de pérdidas de carga de cada tramo de tubería
En primer lugar, para cada de tramo de tubería se determinan las pérdidas de carga para distintos caudales. Para más detalles, ver la lección Pérdidas de presión en tuberías y accesorios.
Luego, se representan en la gráfica, las curvas de pérdidas de carga frente al caudal (ha vs Q y hb vs Q). Tal y como se observa en la figura, todas ellas tienen origen 0.
Si tienes alguna duda de cómo se representan las curvas de pérdidas de carga h frente al caudal Q, puedes dar un vistazo a la lección Bomba vs curva del sistema.
2 – Representación gráfica de la curva de altura total de cada tramo de tubería
Ahora corresponde determinar para cada tramo de tubería, la curva del sistema (H vs Q).
Para ello, lo que hay que hacer es sumar gráficamente la pérdida de carga de cada tramo más la diferencia de alturas de elevación asociadas.
Es decir, para varios valores de caudal Q, aplicarían las siguientes ecuaciones en cada tramo:
Ha = 𝛥Z12 + ha
Hb = 𝛥Z13 + hb
3 – Obtención de la curva combinada del sistema Ht vs Qt
Seguidamente, hay que construir de forma gráfica la curva Ht vs Qt combinada para todo el sistema de tubería.
A continuación detallamos los pasos a seguir, estando el sistema formado por tuberías en paralelo:
- Para varios valores de altura Ht = constante , se suman los caudales de los tramos (a y b) y se obtiene el caudal total bombeado Qt (Qt =Qa + Qb)
- Se unen todos los puntos obtenidos y se dibuja la curva Ht vs Qt combinada de todo el sistema de tuberías.
En caso de que lo necesites… Te recomiendo que refresques un poco el cómo se construye de forma gráfica, la curva combinada de un sistema en paralelo en la lección Tuberías en serie y paralelo.
Puntos típicos de las curvas del sistema con tanques a varias alturas
Finalmente, hay que superponer la curva de nuestra bomba centrífuga sobre las curvas características del sistema de tuberías.
Los puntos característicos representados son los siguientes:
- El punto 1 se corresponde con el punto nominal (Qt , Ht) de la bomba, estando los tramos a y b en servicio
- Punto 2 es el relativo al caudal Qb que circula por el tramo b, con los tramos a y b en servicio
- En cuanto al punto 3 es el correspondiente al caudal Qa que circula por el tramo a, estando los tramos a y b en servicio
- El punto 4 se corresponde con la bomba operando solo con el tramo b en servicio
- Y el punto 5 es el correspondiente a la bomba operando solo con el tramo a en servicio
Video resumen de la construcción de las curvas del sistema y sus puntos característicos
Todo lo anterior, se resume en muy corto tiempo en el video que tienes debajo.
Resumen y conclusiones
En este tutorial, analizamos de forma gráfica y simple un sistema de bombeo a tanques a varias alturas.
A pesar de ser muy fácil la representación e interpretación gráfica del comportamiento de la bomba frente este tipo de sistemas, en muchas ocasiones se obvia este método. Como resultado de tanta simplificación se pueden obtener resultados negativos y contrarios a las buenas prácticas de ingeniería y la optimización de las instalaciones.
Y créanme que… en cuanto a tiempo cuesta lo mismo hacerlo así que con las simplificaciones derivadas del cumplimiento de plazos de entrega
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