En este artículo se comparan las diferencias en el uso de los conceptos TDH, carga o cabezal de la bomba a partir de su significado físico.
El autor de este post es Jorge Jiménez Mur.
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La bomba entrega energía al sistema
Cuando se habla de bombas y sistemas de bombeo, se suelen escuchar términos como: caudal, TDH, H, presión diferencial de la bomba, altura total de bombeo, carga de la bomba, etc…Dependiendo de la zona geográfica y sobre todo en algunos países de Latinoamérica, se podrán oír también otras expresiones como cabeza o cabezal de la bomba o de bombeo.
Hay que recordar que todos estos conceptos están relacionados con la energía que la bomba le suministra al sistema. Es decir, la bomba transmite al líquido determinada cantidad de energía cinética y energía potencial, para posibilitar el trasiego de cierta cantidad del mismo desde a un punto a otro del sistema de bombeo.
Conviene tener presente que la bomba le proporciona al sistema solamente la energía que este le demanda en cada momento. Esto es mucho más perceptible en las bombas centrífugas que en las de desplazamiento positivo, ya que estas últimas entregan un caudal casi constante que disminuye ligeramente con la presión.
Por tanto, este artículo estará enfocado al comportamiento de las bombas centrífugas. Debajo se representa el punto de operación de una bomba centrífuga frente al sistema de bombeo en una curva de (H vs Q)… Si quieres más detalles sobre la combinación bomba vs sistema visita la lección Curva del Sistema de Tuberías del curso Selección de Bombas Centrífugas.
Poco hay que decir sobre el caudal o gasto Q … que es el volumen de fluido bombeado en la unidad de tiempo (m3/h, m3/s, l/s, gpm, etc.).
De manera que, centraremos toda la atención en el no siempre bien comprendido término H.
Relación entre presión, altura de la columna de líquido y energía por unidad de peso
Sin duda alguna, el parámetro presión hidrostática o simplemente la presión (p), nos resultará familiar y comprensible a todos los que merodeamos por este mundillo de las bombas y los sistemas de bombeo. También nos serán muy cercanas las unidades de medida de presión en los diferentes sistemas de unidades: bar, kPa, MPa, kg/cm2, lb/pulg2, etc.
Probablemente nos vendrá a la mente, el típico manómetro de Bourdon instalado en la pared de una tubería. Con menor frecuencia pensaremos en el tubo piezométrico de vidrio abierto a la atmósfera… donde se mide la presión hidrostática en función de la altura de elevación de la columna de líquido (siendo 𝜌 la densidad del fluido y g la aceleración local de la gravedad). Se pueden apreciar ambos casos en las figuras a continuación, que son autodescriptivas.
Pero demos un paso más… Ahora se añadirá al piezómetro un tubo abierto enfrentado al flujo en el eje de la tubería (tubo para medir presión total de estancamiento). Y con el se consigue determinar la suma correspondiente a la altura de presión hidrostática (p/𝜌.g) más la altura del líquido correspondiente a la energía cinética (V2/2.g). La combinación de ambos tubos constituye el principio de funcionamiento del tubo de Pitot, usado para medir velocidad de flujo y caudal.
Ya llevamos un rato hablando de alturas de elevación mezcladas con energía. Y es que precisamente, las alturas de elevación del líquido representadas, expresadas en unidades de longitud (m, mm, pies, etc.), significan energía por unidad de peso del líquido.
¿Cuál es el significado de H, TDH, carga o cabezal de la bomba?
Definición de Pump Total Head (H) del Hydraulic Institute
Cómo punto de partida, se toma la definición en Inglés que da el Hydraulic Institute (HI), sobre la energía que una bomba centrífuga le transmite al líquido bombeado.
Pump Total Head (H) – This is the measure of energy increase, per unit weight of the liquid, imparted to the liquid by the pump, and is the difference between the total discharge head and the total suction head.
¿Cuál es la traducción de Pump Total Head (H) o de Total Differential Head (TDH) como también se le suele llamar? La traducción literal directa sería cabeza o cabezal total de bombeo, de uso común en algunas zonas geográficas. No obstante, pensemos si de verdad esta traducción tiene alguna relación con el sentido físico de una altura o diferencia de alturas de elevación del líquido, y que tiene el significado de energía total por unidad de peso del fluido bombeado. Sinceramente …. no.
No se pretende aquí dar lecciones de cómo usar el lenguaje técnico en Español, ni mucho menos. Es comprensible que por costumbre se sigan usando estas denominaciones en muchas regiones. Pero no por ello deja de ser poco afortunado el uso de esos términos, como traducción de la energía total que la bomba le transfiere al fluido bombeado.
Se ajustan mucho más al concepto físico las siguientes denominaciones: altura diferencial de bombeo, altura total de bombeo, altura total de la bomba, carga de la bomba o simplemente los acrónimos TDH o H.
En definitiva,la traducción aproximada de la definición del HI sería… La altura total de bombeo (H) – es la magnitud en la que se incrementa la energía por unidad de peso del fluido y que le es transferida por la bomba, y es igual a la diferencia entre las alturas totales en la succión y en la descarga de la bomba.
Representación Gráfica Simplificada de la Altura Total de Bombeo (H ó TDH)
Si se quisiera determinar en un banco de ensayos, la curva H vs Q de una bomba centrífuga, la instalación de pruebas sería como la de la figura a continuación. Las presiones de medirían con manómetros del tipo Bourdon, transmisores u otros tipos de medidores de presión. La velocidad se determinaría a partir de la medición directa o indirecta del caudal, usando medidores de flujo, de velocidad o con el método volumétrico.
Habría que hacer las oportunas correcciones por altura de los manómetros y por pérdidas de carga desde las bridas de la bomba al punto de conexión de los manómetros. De este modo, se podrían determinar los valores de presión en las secciones s y d (bridas de succión y descarga de la bomba). Conocidos los valores de presión (ps y pd), las velocidades en cada sección (Vs y Vd), y la diferencia de alturas de elevación entre las bridas de succión y descarga (𝚫Zsd), se calcularían las alturas o cargas totales en la succión y descarga de la bomba.
Con el ánimo de facilitar la comprensión del concepto, se va a hacer una representación gráfica simplificada del mismo. Se va a partir de la suposición de que es posible colocar un tubo para medir presión total en las bridas de succión y descarga de la bomba, tal y como se muestra a continuación.
Consiguientemente, las alturas totales de elevación del líquido en succión (Hs) y descarga (Hd) sobre el plano de referencia (plano de NPSH o datum de la bomba), serían las indicadas en los recuadros en blanco de la Figura 6.
En cuanto a la carga de la bomba, altura total de bombeo, H ó THD, que es igual a la diferencia (Hd -Hs), sería la representada en el recuadro en amarillo de la Figura 6 a continuación.
Efecto de los Cambios de Densidad del Líquido Bombeado en H, 𝚫p y Pbomba
Para una bomba centrífuga dada, que gira a determinada velocidad bombeando cierto volumen de fluido, la energía total transferida al líquido expresada como diferencia de altura total, H, TDH, o energía total por unidad de peso, es la misma para cualquier líquido independientemente de su densidad. No entraremos a considerar aquí los efectos de la viscosidad en el comportamiento de la bomba centrífuga.
Tal y como se puede observar en la tabla de la Figura 7, los valores de (H vs Q) se mantienen constantes, a pesar de que los 3 fluidos indicados tienen densidades diferentes.
Lo que sí que cambia son los valores de la diferencia de presiones entre succión y descarga (𝚫p), y de la potencia demanda por la bomba (Pbomba). Ambos parámetros serán mayores en la medida que se incrementa la densidad del fluido.
De ahí la conveniencia de representar el comportamiento de las bombas centrífugas en una curva de (H vs Q), que no se modificará aunque cambie la densidad del fluido bombeado. En contraste con lo que ocurrirá con la diferencia de presiones (𝚫p), que sí se verá afectada por los cambios de densidad.
Es por ello que la representación de las curvas de funcionamiento como (Q vs 𝚫p), se reserva para las bombas de desplazamiento positivo, que tienen un principio de funcionamiento diferente al de las centrífugas.
Resumen y conclusiones
En este tutorial, se analizan los conceptos de H, TDH, carga o cabezal de la bomba, entre otros. Todos ellos están destinados a representar la energía total por unidad que peso que la bomba le transmite al fluido bombeado.
¿TDH, carga o cabezal de la bomba? Más allá de la forma en la que se denominen o se usen los diferentes términos, que puede ser más o menos adecuada… lo importante aquí es entender de manera integral este concepto, tan crucial para las bombas centrífugas.
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