Guía de dimensionamiento de la bomba de pozo profundo: Cómo calcular el caudal y la cabeza dinámica total

Una bomba de pozo profundo no debe seleccionarse solo por la profundidad del pozo, el tamaño de la tubería de descarga o la potencia del motor.Juntos, estos dos valores forman el punto de trabajo de la bomba: caudal en una cabeza especificada.

Si se subestima el requerimiento de caudal, el sistema puede no satisfacer la demanda de riego, suministro de agua o proceso.Operar lejos de su rango eficientePor lo tanto, el dimensionamiento fiable comienza con los datos del sitio, no con un número de modelo.

Esta guía explica cómo calcular el caudal y la TDH requeridos para una bomba de pozo profundo o de pozo,cómo evitar errores comunes y cómo utilizar el punto de trabajo resultante en la curva de rendimiento del fabricante.

Para medir una bomba sumergible de pozo profundo, determinar el caudal requerido por la aplicación y calcular TDH bajo las condiciones de funcionamiento esperadas.

Para una descarga abierta en un tanque ventilado, la cabeza de presión requerida en la salida puede ser cero.la presión residual requerida se convertirá en metros o pies de agua y se añadirá a la TDH.

La bomba final se seleccionará a partir de su curva de rendimiento Q-H en el punto de trabajo calculado. No se elija una bomba sólo porque su cabeza máxima o su caudal máximo parezcan exceder el requisito.estos dos valores máximos se producen en puntos de funcionamiento diferentes.

La velocidad de flujo es el volumen de agua que debe entregarse por unidad de tiempo. Se expresa comúnmente en m3/h, L/s o US GPM. El flujo de diseño correcto proviene de la aplicación,no desde el diámetro de la salida de la bomba.

Los puntos de partida típicos incluyen:

• Riego agrícola: demanda de agua para cultivos, superficie regada, tamaño de la zona de riego, tasa de aplicación y horas de bombeo disponibles.
• Suministro municipal o comunitario: demanda media, demanda en horas pico, volumen de almacenamiento y rendimiento permitido del pozo.
• Transferencia de agua industrial: consumo del proceso, volumen del lote, horario de operación y requisitos de redundancia.
• Ganadería y acuicultura: consumo diario, consumo máximo, circulación o necesidad de intercambio de agua.
• Relleno del depósito: volumen del depósito utilizable dividido por el tiempo de llenado permitido.

Ejemplo: un depósito de almacenamiento de 400 m3 debe llenarse en cinco horas.

El flujo de diseño también debe ser compatible con el rendimiento sostenible del pozo. Una bomba que elimina el agua más rápido que el acuífero y puede recuperarse puede causar una extracción excesiva, arrastre de aire,flujo inestableCuando la demanda excede el rendimiento seguro del pozo, aumentar el almacenamiento o extender el tiempo de bombeo es a menudo más seguro que instalar una bomba más grande.

A menudo se confunden tres profundidades durante la selección de la bomba de pozo profundo:

• Nivel de agua estático: la distancia desde el punto de referencia en la cabecera del pozo hasta la superficie del agua cuando el pozo se haya recuperado y la bomba no esté funcionando.
• Nivel de agua de bombeo, también llamado nivel de agua dinámico: el nivel de agua mientras se bombea el pozo en o cerca del flujo de diseño.
• Profundidad de ajuste de la bomba: la profundidad física a la que se instala la toma de la bomba o el conjunto de la bomba.

Para el componente de elevación vertical del TDH, utilizar el nivel de agua de bombeo esperado en el caudal de diseño.La bomba puede instalarse por debajo del nivel del agua de bombeo para mantener la inmersión y el enfriamiento del motor., pero el agua por debajo del nivel de bombeo ya está presurizada en ambos lados de la bomba y no crea una elevación estática adicional igual.

El diseño práctico debe tener en cuenta el nivel de agua de bombeo más bajo esperado, incluida la disminución estacional de las aguas subterráneas, la retirada a largo plazo y la interferencia de los pozos cercanos.El ajuste de la bomba debe permanecer lo suficientemente profundo para una inmersión segura, pero respetando la construcción del pozo, las zonas de sedimentos, los requisitos de refrigeración del motor y las limitaciones de los cables.

La elevación vertical es la diferencia de elevación entre el nivel del agua de bombeo y la elevación de descarga final.

Si el nivel del agua de bombeo está a 60 m bajo tierra y el agua entra en un depósito ventilado a 12 m sobre el suelo:

Si el punto de descarga se encuentra por debajo de la cabecera del pozo, utilizar la diferencia de elevación real en lugar de sumar distancias mecánicamente.El cálculo debe describir el cambio de energía entre la superficie de la fuente de agua en condiciones de bombeo y el punto de entrega..

La pérdida de fricción es la cabeza consumida a medida que el agua se mueve a través de la tubería principal, horizontal y los accesorios ascendentes.edad y número de válvulas y accesoriosUna tubería pequeña puede costar menos inicialmente, pero puede añadir un consumo sustancial de cabeza y energía durante la vida del sistema.

Para los sistemas de agua, los ingenieros suelen calcular la pérdida de tubería recta con la ecuación de Hazen-Williams o la ecuación de Darcy-Weisbach.y calcular la pérdida en el flujo de diseñoLuego se incluyen las pérdidas menores de componentes como codos, tees, reductores, válvulas de retención, válvulas de aislamiento, medidores de caudal, filtros y condiciones de entrada o salida.

Un flujo de trabajo práctico es:

1. Enumere cada sección de tubería por material, diámetro interno y longitud.
2. Calcular la velocidad y la pérdida de fricción en cada sección en el flujo de diseño.
3. Añadir los coeficientes de longitud o pérdida equivalentes para los accesorios y las válvulas.
4. Incluir las pérdidas por filtros, intercambiadores de calor u otros equipos a partir de los datos del proveedor.
5. Se suman las pérdidas para obtener la cabeza de fricción del sistema en el flujo de trabajo.

La pérdida de fricción aumenta rápidamente a medida que aumenta el caudal. Si la demanda del proyecto cambia, vuelva a calcular la pérdida en lugar de escalarla linealmente. También compruebe la velocidad del agua: una tubería de bajo tamaño puede crear una alta fricción.martillo de agua y un coste de operación excesivo, mientras que una tubería innecesariamente grande aumenta el coste de capital.

Si el punto de entrega debe mantener la presión, convierta esa presión en cabeza de agua y añada a TDH.

• 1 bar es aproximadamente 10,2 m de cabeza de agua.
• 1 psi es aproximadamente 2,31 pies de cabeza de agua.
• 1 m de cabeza de agua es aproximadamente 9,81 kPa.

Por ejemplo, una presión de salida requerida de 3 bar es:

No agregue presión atmosférica a un sistema abierto. Si el líquido bombeado tiene una densidad significativamente diferente a la del agua,La conversión de presión a cabeza debe utilizar la gravedad específica del líquido..

Algunos cálculos de dimensionamiento simplificados combinan todas las pérdidas dinámicas en una asignación de fricción.válvulas de control, los contadores de agua y los equipos de tratamiento pueden causar pérdidas significativas de cabeza, especialmente en grandes caudales o cuando están contaminados.

Utilice los datos de caída de presión del fabricante cuando estén disponibles.una línea de agua limpia de gran diámetro y una línea larga con varios accesorios no deben recibir la misma asignaciónUn modesto margen de diseño puede ser apropiado para la incertidumbre, pero el sobredimensionamiento de la cabeza en un gran porcentaje puede alejar el punto de operación de la región de mejor eficiencia.

Supongamos que un proyecto de suministro de agua de pozo profundo tiene las siguientes condiciones de funcionamiento:

• Flujo requerido: 80 m3/h.
• Nivel del agua de bombeo: 60 m por debajo del nivel de referencia de la cabeza del pozo.
• Entrada del tanque: 12 m por encima del nivel de referencia de la cabeza del pozo.
• Pérdida calculada de tubería y piezas a 80 m3/h: 8 m.
• Presión residual requerida en la conexión del tanque: 3 bar, equivalente a 30,6 m de cabecera de agua.
• Pérdida de equipo adicional: 2 m.

Primero calcule la elevación vertical:

Luego calcule el TDH:

El punto de trabajo requerido es, por tanto, de aproximadamente 80 m3/h a 113 m TDH. Este es el punto que debe ubicarse en la curva de rendimiento de la bomba.El cálculo no significa que una bomba etiquetada con una cabeza máxima de 113 m dé 80 m3/hEl modelo debe producir ambos valores en el mismo punto de funcionamiento.

Una curva de la bomba muestra cómo cambia la cabeza con el flujo para un modelo específico, velocidad, configuración del impulsor y número de etapas.El punto de funcionamiento real se produce cuando la curva de la bomba se cruza con la curva del sistema.

Cuando se revise un modelo candidato:

• En el eje de flujo horizontal se situarán 80 m3/h y en el eje de cabeza vertical unos 113 m.
• Confirmar que la curva del modelo pasa a través de este punto o se acerca a él dentro del rango de funcionamiento recomendado por el fabricante.
• Se prefiere operar cerca de la región eficiente y estable del modelo, no en la cabeza de cierre o en el extremo derecho de la curva.
• Compruebe la potencia absorbida en el punto de trabajo y seleccione un motor con el margen de servicio requerido en las condiciones estándar y de sitio aplicables.
• Verificar la eficiencia, el caudal mínimo, el caudal máximo admisible, el número de etapas, el tamaño de descarga y, en su caso, el rendimiento de no sobrecarga.
• Revisar el sistema a niveles mínimos y máximos de agua esperados.un nivel de agua más alto puede mover la bomba a un punto de funcionamiento de mayor caudal y puede aumentar la carga del motor.

El funcionamiento de frecuencia variable puede proporcionar flexibilidad de control, pero el motor, el cable, la refrigeración, la velocidad mínima, la protección armónica y el rango de funcionamiento de la bomba deben comprobarse.El VFD no corrige una selección hidráulica fundamentalmente inadecuada..

La profundidad de ajuste de la bomba es una decisión de instalación, no un sustituto de la TDH. Establezca la bomba por debajo del nivel de agua de bombeo más bajo esperado con una inmersión adecuada para evitar el vórtice.entrada de aire y pérdida de refrigeraciónAl mismo tiempo, evitar colocar la bomba en una zona de producción de sedimentos o demasiado cerca del fondo del pozo.

La sumersión requerida depende del diseño de la bomba, el caudal, el diámetro del pozo, la velocidad de entrada y los requisitos del fabricante.en un pozo de gran diámetroConfirme la velocidad de enfriamiento y las instrucciones de instalación para el motor seleccionado.

El punto de trabajo hidráulico reduce los modelos disponibles, pero la familia de productos final también depende del diámetro del pozo, la calidad del agua, el material, el voltaje y las condiciones de instalación.

• Serie QJ: destinada a la elevación de aguas de pozos profundos o de pozos y disponible en configuraciones para diferentes fuentes y materiales de agua.incluidos los proyectos de mayor flujo y mayor gasto.
• Serie SP: las gamas de bombas sumergibles de pozo de 4 pulgadas, 6 pulgadas, 8 pulgadas y 10 pulgadas permiten la selección por diámetro de pozo y punto de trabajo.por lo que el caudal y la cabeza deben comprobarse en la curva del modelo individual en lugar de inferirse del diámetro de la bomba.
• Serie QS: adecuada para tareas de transferencia de agua sumergibles más pequeñas o diferentes en las que el requisito hidráulico y la disposición de la instalación coinciden con la serie.la condición de enfriamiento y la geometría del pozo son adecuadas antes de utilizarlo como selección de pozo.

Para el agua corrosiva o mineralizada, la selección del material es parte del tamaño de la bomba porque la corrosión y el desgaste afectan a la fiabilidad.de acero inoxidable o de otras aleaciones, según la serie y el medioAntes de elegir los materiales mojados se debe revisar el análisis del agua.

La profundidad del pozo no es igual a la cabeza de elevación. Utilice el nivel del agua de bombeo, la altura de descarga, la fricción y la presión requerida.La profundidad de ajuste de la bomba se comprueba por separado para determinar la seguridad de la inmersión y de la instalación..

El uso del nivel estático recuperado puede subestimar la elevación y causar un flujo insuficiente cuando la bomba está funcionando.

Las tuberías largas, los pequeños diámetros internos, las válvulas y los filtros pueden añadir una cabeza significativa.

La potencia del motor por sí sola no determina la carga hidráulica. Siempre se utiliza la curva Q-H.

Un gran margen no verificado puede sobredimensionar la bomba, aumentar la velocidad y el consumo de energía, y mover la operación fuera del rango preferido.Abordar la incertidumbre mediante escenarios operativos realistas y revisión de la curva.

Para obtener una recomendación y una cotización de la bomba técnicamente útiles, proporcione:

• El caudal requerido y si es continuo, máximo o variable.
• Nivel de agua estática y nivel de agua de bombeo a un caudal de ensayo indicado.
• Profundidad del pozo, diámetro interno de la carcasa y limitaciones de ajuste de la bomba.
• Elevación de descarga y presión residual requerida en el punto de entrega.
• Material de las líneas de conducción, diámetro interno, longitud y accesorios.
• Temperatura del agua, pH, contenido de cloruro, contenido de arena y otros datos disponibles de análisis del agua.
• Fuente de alimentación: voltaje, frecuencia, fase y método de arranque o control.
• Orientación de la instalación, condiciones de refrigeración, longitud del cable y condiciones ambientales o de altitud locales.

Con estos parámetros, el fabricante puede calcular o verificar la TDH, identificar curvas candidatas, verificar la carga del motor y recomendar materiales y accesorios.

No. La cabeza requerida se basa en el nivel del agua de bombeo, la altura de entrega, la fricción y la presión de salida requerida.componentes no automáticos de elevación vertical.

Utilice el nivel de bombeo o de agua dinámica esperado en el flujo de diseño. También evalúe el nivel de funcionamiento estacional más bajo.pero normalmente subestima la elevación mientras bombea.

Para el agua limpia cerca de la temperatura ambiente, multiplique aproximadamente 10 por bar.2Por lo tanto, 3 bar es aproximadamente 30,6 m de cabeza de agua. Para otra densidad de líquido, ajuste la conversión utilizando la gravedad específica.

La instalación de la bomba más abajo de la superficie del agua de bombeo aumenta la inmersión, pero no añade automáticamente esa profundidad completa a la elevación estática.Calcular la elevación desde el nivel del agua de bombeo hasta la altura de descarga.

No. La cabeza máxima y el caudal máximo son puntos finales de una curva y no se producen juntos. El modelo seleccionado debe satisfacer el caudal y TDH requeridos en un punto de trabajo dentro de su rango de funcionamiento recomendado.

No existe un porcentaje universal que se adapte a todos los proyectos. Primero calcule las pérdidas conocidas y la variación creíble del nivel del agua.Luego comprobar los puntos de funcionamiento normales y peores en la curva.

El tamaño correcto de la bomba de pozo profundo comienza con un punto de trabajo, no con una profundidad del pozo o la clasificación del motor.pérdidas de instalaciones y equipos, convertir la presión de salida requerida a la cabeza, y luego ajustar el caudal combinado y TDH a la curva de rendimiento del fabricante.

Para el ejemplo de esta guía, la carga requerida es de aproximadamente 80 m3/h a 113 m TDH. Una selección final aún requiere la confirmación del diámetro del pozo, los niveles de agua, la tubería, la fuente de alimentación,calidad del agua, el enfriamiento del motor y la curva del modelo seleccionado.

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