Estaciones de bombeo: volumen del pozo húmedo, ciclos por hora y sumergencia mínima

Una estación de bombeo mal dimensionada no se delata en la puesta en marcha: se delata seis meses después, cuando los motores empiezan a fallar. La causa casi siempre es la misma y no tiene que ver con la bomba, sino con el pozo húmedo: el volumen entre el nivel de partida y el de parada es tan pequeño que la bomba arranca y para decenas de veces por hora.

Por qué los arranques destruyen motores

En el arranque directo, un motor de inducción demanda entre 6 y 8 veces su corriente nominal durante algunos segundos. Esa corriente calienta los devanados con una potencia proporcional a $I^2$, es decir, del orden de 40 veces la disipación nominal. El motor está diseñado para disipar ese calor un número limitado de veces por hora. Superarlo degrada el aislamiento de forma acumulativa e irreversible.

Los límites habituales de arranques por hora según potencia:

El volumen útil del pozo

Un ciclo completo dura lo que tarda en llenarse el volumen útil más lo que tarda en vaciarse:

donde $V$ es el volumen entre los niveles de partida y parada, $Q_e$ el caudal de entrada y $Q_b$ el de la bomba. Imponiendo un número máximo de arranques por hora $Z$, con $t_{\text{ciclo}} = 3600/Z$:

Y aquí está el detalle que hay que saber: esa expresión, vista como función de $Q_e$, es una parábola invertida que alcanza su máximo cuando $Q_e = Q_b/2$. Es decir, la condición crítica no es el caudal máximo de entrada ni el mínimo: es exactamente la mitad del caudal de la bomba. Sustituyendo:

Esta es la fórmula que conviene memorizar. Es simple, es conservadora y evita el error clásico de dimensionar el pozo con el caudal medio de entrada, que puede dar un volumen varias veces menor que el necesario.

Ejemplo

Bomba de $Q_b = 40$ l/s $= 0{,}040$ m³/s, motor de 15 kW ($Z = 10$ arranques/hora):

Con un pozo de sección circular de 2,0 m de diámetro ($A = 3{,}14$ m²), la diferencia entre el nivel de partida y el de parada debe ser al menos $3{,}60/3{,}14 = 1{,}15$ m. Si el proyectista deja 0,40 m —que es lo que suele salir de "poner los flotadores donde caben"—, el volumen útil es 1,26 m³ y en la condición crítica el motor arrancaría 29 veces por hora: casi el triple del límite.

Con dos bombas alternadas el número de arranques por bomba se reparte y $V$ puede reducirse a la mitad, lo que suele ser la salida cuando la geometría no da para más profundidad.

Sumergencia mínima: evitar el vórtice

El otro criterio que define el nivel de parada es la sumergencia: la altura de agua sobre la boca de aspiración. Si es insuficiente, se forma un vórtice superficial que arrastra aire hacia la bomba. Con más de un 2 % de aire en volumen, la curva de la bomba se desploma; con más de un 10 %, la bomba deja de bombear ("descebado"). Además el vórtice induce vibración y cavitación.

La expresión de uso corriente (Hydraulic Institute):

con $D$ el diámetro de la boca de aspiración y $V$ la velocidad en ella. Regla práctica: mantener $V$ entre 1,0 y 1,5 m/s en la aspiración; con velocidades mayores la sumergencia requerida crece rápido y obliga a profundizar el pozo.

Y el NPSH, que es un criterio distinto

Conviene no confundir sumergencia con NPSH. La sumergencia evita que entre aire desde la superficie; el NPSH evita que el agua hierva dentro de la bomba. Son dos fenómenos independientes y hay que verificar los dos.

Se exige $NPSH_d \ge NPSH_r + 0{,}5$ m, con el $NPSH_r$ leído de la curva del fabricante en el punto de operación real, no en el nominal. Dos recordatorios que se olvidan:

• La altitud importa mucho. A 2.500 m s.n.m. la presión atmosférica cae a unos 7,5 m de columna de agua frente a los 10,3 del nivel del mar: se pierden casi 3 m de NPSH disponible antes de empezar.
• La temperatura del agua también. A 40 °C la presión de vapor consume 0,75 m frente a 0,24 m a 20 °C.

Lista de verificación

• Volumen útil $\ge 900\,Q_b/Z$, evaluado en la condición crítica $Q_e = Q_b/2$.
• Nivel de parada sobre la sumergencia mínima y sobre el NPSH requerido: manda el más restrictivo.
• Fondo del pozo con pendiente hacia la aspiración, para que el sedimento no se acumule bajo la bomba.
• Sin escalones ni cambios bruscos aguas arriba de la aspiración: generan vórtices sumergidos, que son peores que los superficiales porque no se ven.
• Verificar el punto de operación real intersectando la curva de la bomba con la del sistema, no confiar en el punto de catálogo.

Para el punto de operación y el NPSH, ver la calculadora de bombas centrífugas y la guía de curva del sistema y NPSH. Para las pérdidas en la impulsión, la calculadora de pérdida de carga.