Cálculo de presión de succión y descarga en bombas: fundamentos y aplicaciones
El cálculo de presión de succión y descarga en bombas es esencial para garantizar su correcto funcionamiento. Este proceso determina las condiciones hidráulicas que afectan la eficiencia y seguridad del sistema.
En este artículo, se explican las fórmulas, variables y ejemplos prácticos para realizar estos cálculos con precisión. Además, se incluyen tablas con valores comunes y casos reales detallados.
- ¡Hola! ¿En qué cálculo, conversión o pregunta puedo ayudarte?
- Calcular presión de succión para una bomba centrífuga con altura de succión de 5 m.
- Determinar presión de descarga en una bomba con caudal de 50 L/s y altura de descarga de 20 m.
- Ejemplo de cálculo de NPSH requerido y disponible para evitar cavitación.
- Evaluar presión de succión y descarga en bomba sumergible para sistema de agua potable.
Tablas de valores comunes para cálculo de presión de succión y descarga en bombas
| Variable | Unidad | Valores comunes | Descripción |
|---|---|---|---|
| Presión atmosférica (Patm) | kPa | 101.3 (nivel del mar), 95 (1000 m altitud) | Presión ejercida por la atmósfera sobre la superficie del líquido |
| Presión de vapor del líquido (Pv) | kPa | 2.3 (agua a 20 °C), 4.6 (agua a 30 °C) | Presión a la cual el líquido comienza a evaporarse |
| Altura de succión estática (Hs) | m | 0 a 10 | Distancia vertical entre la superficie del líquido y el centro de la bomba |
| Altura de descarga estática (Hd) | m | 0 a 50 | Distancia vertical entre el centro de la bomba y el punto de descarga |
| Pérdidas por fricción en tuberías (hf) | m | 0.5 a 5 | Pérdidas de carga debido a la fricción en tuberías y accesorios |
| Velocidad del fluido (v) | m/s | 1 a 5 | Velocidad promedio del fluido en la tubería |
| Densidad del fluido (ρ) | kg/m³ | 1000 (agua), 850 (aceite) | Masa por unidad de volumen del fluido bombeado |
| Gravedad (g) | m/s² | 9.81 | Aceleración debido a la gravedad |
| Presión de succión neta positiva disponible (NPSHdisponible) | m | 1.5 a 5 | Presión absoluta en la entrada de la bomba para evitar cavitación |
| Presión de succión neta positiva requerida (NPSHrequerido) | m | 1.5 a 6 | Valor mínimo que la bomba necesita para operar sin cavitación |
Fórmulas para el cálculo de presión de succión y descarga en bombas
El cálculo de la presión en la succión y descarga de una bomba se basa en la aplicación de la ecuación de Bernoulli y la consideración de pérdidas hidráulicas. A continuación, se presentan las fórmulas fundamentales y la explicación detallada de cada variable.
Presión absoluta en la succión (Ps)
La presión absoluta en la succión se calcula con la siguiente fórmula:
- Ps: Presión absoluta en la succión (Pa o kPa)
- Patm: Presión atmosférica (Pa o kPa)
- ρ: Densidad del fluido (kg/m³)
- g: Aceleración debido a la gravedad (9.81 m/s²)
- Hs: Altura estática de succión (m)
- hf,s: Pérdidas por fricción en la línea de succión (m)
Esta fórmula indica que la presión en la succión disminuye con la altura del líquido y las pérdidas por fricción.
Presión absoluta en la descarga (Pd)
La presión absoluta en la descarga se determina con:
- Pd: Presión absoluta en la descarga (Pa o kPa)
- Hd: Altura estática de descarga (m)
- hf,d: Pérdidas por fricción en la línea de descarga (m)
La presión en la descarga aumenta con la altura y se reduce por las pérdidas por fricción.
Cálculo de la presión manométrica
La presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica:
Se utiliza para medir la presión relativa en la bomba, tanto en succión como en descarga.
Altura manométrica total (Ht)
La altura total que debe superar la bomba se calcula como:
Esta altura representa la suma de las alturas y pérdidas que la bomba debe vencer para transportar el fluido.
Cálculo del NPSH (Net Positive Suction Head)
El NPSH es fundamental para evitar la cavitación en la bomba. Se calcula como:
- NPSHdisponible: Altura neta positiva de succión disponible (m)
- Pv: Presión de vapor del líquido (Pa o kPa)
- v: Velocidad del fluido en la tubería de succión (m/s)
El NPSH disponible debe ser mayor que el NPSH requerido por la bomba para evitar daños por cavitación.
Variables comunes y sus valores típicos
- Presión atmosférica (Patm): 101.3 kPa a nivel del mar, disminuye con la altitud.
- Presión de vapor (Pv): Depende de la temperatura del fluido, por ejemplo, 2.3 kPa para agua a 20 °C.
- Densidad (ρ): 1000 kg/m³ para agua, varía con el fluido.
- Altura estática (Hs, Hd): Depende de la instalación, típicamente entre 0 y 50 m.
- Pérdidas por fricción (hf): Dependen de la longitud, diámetro y rugosidad de tuberías.
- Velocidad del fluido (v): Generalmente entre 1 y 5 m/s para sistemas hidráulicos comunes.
Ejemplos prácticos de cálculo de presión de succión y descarga en bombas
Ejemplo 1: Cálculo de presión de succión y descarga en bomba centrífuga para agua
Una bomba centrífuga se instala para bombear agua desde un tanque abierto a nivel del suelo hacia un depósito ubicado a 15 m de altura. La tubería de succión tiene una longitud de 10 m con pérdidas por fricción equivalentes a 1.2 m, y la tubería de descarga tiene una longitud de 20 m con pérdidas por fricción equivalentes a 2.5 m. La velocidad del agua en la tubería es de 3 m/s. Calcule la presión absoluta en la succión y descarga, así como el NPSH disponible.
Datos:
- Patm = 101.3 kPa
- ρ = 1000 kg/m³
- g = 9.81 m/s²
- Hs = 0 m (tanque abierto al nivel de la bomba)
- Hd = 15 m
- hf,s = 1.2 m
- hf,d = 2.5 m
- v = 3 m/s
- Pv = 2.3 kPa (agua a 20 °C)
Cálculos:
Presión en succión (Ps):
Ps = 101300 – 1000 × 9.81 × 0 – 1000 × 9.81 × 1.2
Ps = 101300 – 0 – 11772 = 89528 Pa = 89.5 kPa
Presión en descarga (Pd):
Pd = 101300 + 1000 × 9.81 × 15 – 1000 × 9.81 × 2.5
Pd = 101300 + 147150 – 24525 = 224925 Pa = 224.9 kPa
NPSH disponible:
= (89528 / (1000 × 9.81)) – (2300 / (1000 × 9.81)) + (3² / (2 × 9.81))
= 9.13 – 0.23 + 0.46 = 9.36 m
El NPSH disponible es 9.36 m, que debe compararse con el NPSH requerido por la bomba para evitar cavitación.
Ejemplo 2: Evaluación de presión en bomba sumergible para sistema de agua potable
Se utiliza una bomba sumergible para extraer agua de un pozo con una profundidad de 30 m. La bomba impulsa el agua a una altura de 10 m hacia un tanque de almacenamiento. Las pérdidas por fricción en la tubería de descarga son de 3 m. La presión atmosférica es de 95 kPa debido a la altitud. Calcule la presión en la succión y descarga, y determine si la bomba puede operar sin cavitación si el NPSH requerido es 4 m.
Datos:
- Patm = 95 kPa
- ρ = 1000 kg/m³
- g = 9.81 m/s²
- Hs = 30 m (profundidad del pozo)
- Hd = 10 m
- hf,s = 0.5 m (pérdidas en succión, típicas en bombas sumergibles)
- hf,d = 3 m
- v = 2 m/s
- Pv = 2.3 kPa (agua a 20 °C)
Cálculos:
Presión en succión (Ps):
Ps = 95000 – 1000 × 9.81 × 30 – 1000 × 9.81 × 0.5
Ps = 95000 – 294300 – 4905 = -243205 Pa
La presión en succión es negativa, lo que indica que la bomba está sumergida y la presión absoluta en la entrada es menor que la atmosférica, pero la presión hidrostática del agua debe considerarse.
Para bombas sumergibles, la presión absoluta en la succión se calcula considerando la presión hidrostática del agua sobre la bomba:
Ps = 95000 + 1000 × 9.81 × 30 – 1000 × 9.81 × 0.5
Ps = 95000 + 294300 – 4905 = 388395 Pa = 388.4 kPa
Presión en descarga (Pd):
Pd = 95000 + 1000 × 9.81 × 10 – 1000 × 9.81 × 3
Pd = 95000 + 98100 – 29430 = 163670 Pa = 163.7 kPa
NPSH disponible:
= (388395 / (1000 × 9.81)) – (2300 / (1000 × 9.81)) + (2² / (2 × 9.81))
= 39.58 – 0.23 + 0.20 = 39.55 m
El NPSH disponible es 39.55 m, muy superior al NPSH requerido de 4 m, por lo que la bomba puede operar sin riesgo de cavitación.
Consideraciones adicionales para el cálculo de presiones en bombas
- Altitud y presión atmosférica: La presión atmosférica disminuye con la altitud, afectando la presión de succión disponible. Es fundamental ajustar Patm según la ubicación.
- Temperatura del fluido: A mayor temperatura, la presión de vapor aumenta, reduciendo el NPSH disponible y aumentando el riesgo de cavitación.
- Pérdidas por fricción: Dependen de la rugosidad, diámetro, longitud y accesorios en las tuberías. Se recomienda usar la fórmula de Darcy-Weisbach o tablas de pérdidas para estimarlas con precisión.
- Velocidad del fluido: Influye en la presión dinámica y en el cálculo del NPSH.
- Tipo de bomba: Las bombas sumergibles tienen condiciones diferentes en la succión debido a la presión hidrostática del fluido.
Normativas y referencias para el cálculo de presión en bombas
Para garantizar la correcta aplicación de estos cálculos, es recomendable consultar normativas y estándares reconocidos internacionalmente, tales como:
- Hydraulic Institute Standards: Guías y estándares para diseño y operación de bombas.
- ASME (American Society of Mechanical Engineers): Normas para equipos mecánicos y sistemas de bombeo.
- ISO 5199: Requisitos para bombas centrífugas.
- Engineering Toolbox: Recursos para cálculo de pérdidas por fricción y propiedades de fluidos.
Resumen técnico para optimización y seguridad en sistemas de bombeo
El cálculo preciso de la presión de succión y descarga es vital para:
- Evitar la cavitación y daños en la bomba.
- Garantizar la eficiencia energética del sistema.
- Dimensionar correctamente tuberías y accesorios.
- Prever condiciones operativas seguras y confiables.
La integración de tablas, fórmulas y ejemplos prácticos facilita la comprensión y aplicación en proyectos reales, asegurando un diseño hidráulico óptimo.