Curvas de bombas de riego: punto de funcionamiento al cambiar sectores

Una bomba de riego entrega el caudal y la altura correspondientes a la intersección entre su curva y la curva del sistema activo. Abrir otro sector cambia la resistencia de la red; no ordena a una bomba de velocidad fija suministrar la suma de los antiguos caudales individuales de los sectores. Esta guía calcula ese desplazamiento en una red hipotética original y comprueba sus consecuencias para el suministro, la eficiencia y el control. El resultado es una ficha para evaluar combinaciones de sectores con el proyectista y el proveedor de la bomba.

Instalación de bombeo de riego junto a un estanque de recuperación de agua en Arkansas. Foto: Jeff Vanuga, USDA NRCS. Dominio público.

Empezar por la curva de la configuración instalada

Una curva de rendimiento de bomba relaciona altura total y caudal a una velocidad de giro y configuración determinadas. Obtenga el modelo, diámetro de impulsor o disposición de etapas, velocidad y condiciones de ensayo correspondientes al equipo instalado. Una curva de otro impulsor o velocidad puede producir un punto de funcionamiento aparentemente razonable pero incorrecto. Conserve las curvas de eficiencia, potencia al eje y altura neta positiva de aspiración requerida junto con la gráfica de altura y caudal.

La guía de bombas de riego de NDSU Extension explica cómo leer conjuntamente caudal, altura y eficiencia y recomienda conservar la curva correcta. Las indicaciones de caudal máximo y altura máxima describen posiciones diferentes de esa curva. No garantizan un servicio simultáneo. La ficha de dimensionamiento de bombas de riego establece el servicio objetivo; este artículo comprueba dónde funciona realmente una bomba seleccionada cuando cambia la red.

Para el ejemplo, utilice la relación inventada H_p = 50 − 0.01Q², con H_p en metros y Q en m³/h. Considérela únicamente una aproximación didáctica en el intervalo de caudales calculados a continuación. No es una curva de producto IrriNex, un informe de ensayo completo ni permiso para extrapolar hasta la impulsión cerrada o el extremo de caudal máximo. Su coeficiente numérico depende de las unidades elegidas.

Definir qué incluye la curva del sistema

La curva del sistema indica la altura necesaria para mover un caudal concreto por una configuración definida. Especifique la fuente, las elevaciones de destino, las ramas activas, las posiciones de válvulas y el estado de componentes. En este ejemplo, una fuente abierta alimenta ramas de aspersión idénticas, sin regulación y a igual elevación. El desnivel estático es 10 m. El modelo simplificado no incluye presión de la fuente, diferencias adicionales de elevación ni dispositivos reguladores de presión.

Sea Q el caudal total de la bomba y q el caudal de una rama, ambos en m³/h. El recorrido compartido de aspiración e impulsión requiere 0.003Q² metros de altura. Cada rama, incluida su tubería y la necesidad de sus salidas dependiente de la presión, requiere 0.012q² metros sobre su elevación. Son relaciones de resistencia conjunta inventadas; el término de la rama ya incluye la necesidad de las salidas, que no debe sumarse otra vez. Utilice la guía del balance de presión para definir los límites reales de medición y evitar contabilizar un componente dos veces.

Con una sola rama abierta, q = Q y H_s = 10 + 0.015Q². Con ambas ramas idénticas abiertas, la simetría da q = Q ÷ 2, de modo que H_s = 10 + 0.003Q² + 0.012(Q ÷ 2)² = 10 + 0.006Q². La tubería común sigue transportando el caudal total. No divida todas las pérdidas por dos simplemente porque abra otra rama. Si las elevaciones o resistencias difieren, hace falta un cálculo de red en lugar de repartir el caudal por igual.

Resolver la intersección para cada combinación de sectores

Iguale la altura de la bomba a la del sistema. Para una rama, 50 − 0.01Q² = 10 + 0.015Q² produce 40 = 0.025Q². La solución positiva es Q = 40 m³/h y H = 34 m. La sustitución comprueba ambos lados: la bomba aporta 50 − 16 = 34 m y la red requiere 10 + 24 = 34 m. El caudal es un resultado calculado, no una demanda de sector preseleccionada.

Para dos ramas, 50 − 0.01Q² = 10 + 0.006Q² produce 40 = 0.016Q². El resultado es Q = 50 m³/h y H = 25 m, con 25 m³/h por rama. Aumenta el caudal total, pero cada rama recibe menos que los 40 m³/h que recibía sola. El nuevo total no es 80 m³/h. El punto de funcionamiento se ha desplazado por la curva inalterada de la bomba de velocidad fija hasta encontrar otra curva del sistema.

Compare ahora los resultados con el diseño de suministro al cultivo. Si cada rama de aspersión necesita su caudal individual para lograr el patrón de aplicación previsto, el resultado con dos ramas no es aceptable solo porque la bomba siga funcionando. Compruebe la presión en los aspersores y la distribución resultante. Los emisores autocompensantes y las válvulas reguladoras tienen sus propios intervalos operativos; no les aplique este modelo cuadrático de ramas sin regulación sin un modelo hidráulico apropiado.

Distinguir una intersección matemática de un servicio aceptable

El cruce de curvas establece un posible equilibrio hidráulico estacionario bajo las hipótesis del modelo. No certifica el servicio. Compare cada punto propuesto con el intervalo de caudal permitido por el fabricante, la región de funcionamiento preferida, la presión máxima, la potencia requerida al eje y la capacidad del motor. No existe un porcentaje universal aceptable alrededor del punto de máxima eficiencia que sustituya los límites del equipo seleccionado.

Compruebe también la aspiración en cada servicio. La altura neta positiva de aspiración disponible debe satisfacer el valor requerido por la bomba más el margen especificado para la aplicación. El nivel durante el bombeo, la sumergencia de la toma, las pérdidas de aspiración, la temperatura y las condiciones atmosféricas locales afectan a esta revisión. Un punto de impulsión presente en la curva puede seguir siendo inadecuado si la fuente o la toma no lo sostiene. No deduzca el margen frente a cavitación únicamente de un manómetro de impulsión.

Las curvas estacionarias tampoco describen los transitorios de presión mientras se mueven las válvulas. El plan operativo necesita una vía aprobada durante arranque, cambios de sector y parada, con las protecciones independientes activas. La ficha de enclavamientos de bomba y válvulas define esos permisos y respuestas a fallos. Una intersección final satisfactoria no convierte toda posición intermedia de válvula en admisible.

Recalcular cuando cambie el nivel de fuente o la resistencia

La última fila de la tabla supone que la superficie de la fuente durante el bombeo baja 6 m y que las demás propiedades del modelo permanecen iguales. El desnivel estático pasa a 16 m. Para una rama, 50 − 0.01Q² = 16 + 0.015Q² da Q² = 1360; por tanto, Q es aproximadamente 36.88 m³/h y la altura de bomba es 36.40 m. La bomba desarrolla más altura en el nuevo punto mientras entrega menos agua.

Esto difiere de añadir 6 m a la altura anterior conservando el caudal anterior. Ese cálculo describiría un nuevo servicio requerido a caudal impuesto, no la intersección real de esta bomba y red sin otros cambios. El abatimiento real de un pozo puede depender a su vez del caudal y del tiempo. Si ocurre así, sustituya la hipótesis de nivel fijo por la respuesta medida o diseñada de la fuente, en vez de tratarla como constante.

La carga del filtro, la estrangulación y los cambios de tubería también modifican la resistencia. Use la relación real del componente y recalcule la intersección; no añada simplemente una pérdida constante medida a un caudal a todos los puntos de la curva. Un regulador que cambia de posición para mantener presión aguas abajo puede producir una relación diferente o definida por tramos. Registre el modo de control de la válvula y su diferencial mínimo antes de interpretar un desplazamiento medido.

Leer la eficiencia y la potencia en el nuevo punto

La eficiencia se lee en una curva independiente. Como ilustración aritmética, suponga eficiencias exclusivas de bomba de 72% en el punto de una rama y 70% en el de dos ramas. Estos valores inventados no proceden de la ecuación altura-caudal ni representan rendimiento de producto. En una revisión real, lea la eficiencia a la velocidad y configuración de impulsor correspondientes y considere después cuánto tiempo se utiliza cada servicio.

Para agua con densidad de 1000 kg/m³ y gravedad de 9.81 m/s², la potencia al eje en kW es 0.002725QH ÷ η, donde Q está en m³/h y η es la eficiencia de bomba expresada como fracción. Con una rama resulta 0.002725 × 40 × 34 ÷ 0.72 = 5.15 kW tras redondear. Con dos ramas resulta 0.002725 × 50 × 25 ÷ 0.70 = 4.87 kW. El segundo caso tiene menor eficiencia supuesta de bomba, pero también menor necesidad de potencia hidráulica.

Son estimaciones de potencia al eje, no tamaños nominales de motor ni potencia eléctrica de entrada medida. Las pérdidas del motor y del variador requieren datos separados, y el motor debe cubrir el intervalo operativo aprobado. Además, ambos casos entregan caudales y presiones de rama diferentes, por lo que su comparación de potencia no demuestra ahorro energético a servicio equivalente. Para comparar programas, preserve el resultado de riego requerido y utilice energía de entrada medida, volumen suministrado y duración de cada servicio admisible.

Desplazar la curva de bomba cuando cambia la velocidad

Con geometría del impulsor constante, las leyes de afinidad permiten estimar puntos correspondientes de la curva bajo hipótesis de semejanza apropiadas. No garantizan que el caudal instalado varíe proporcionalmente a la velocidad cuando el sistema incluye altura estática. El manual de sistemas de bombeo del Departamento de Energía de Estados Unidos explica por qué la velocidad variable requiere especial cuidado en sistemas con altura estática importante.

Como otro cálculo didáctico, reduzca la relación de velocidades a r = 0.90 y aproxime la nueva curva mediante H_p,r(Q) = r²H_p(Q ÷ r) = 40.5 − 0.01Q². Busque su intersección con el sistema de una rama sin cambios: 40.5 − 0.01Q² = 10 + 0.015Q². Esto da Q² = 1220, Q aproximadamente 34.93 m³/h y H = 28.30 m. Multiplicar simplemente los antiguos 40 m³/h por 0.90 daría 36 m³/h, que no es esta nueva intersección.

El cálculo cambia la curva de bomba manteniendo el desnivel estático de 10 m de la red. No prescribe un ajuste aprobado del variador ni supone eficiencia constante. Confirme con el proveedor las curvas reales a velocidad reducida, la velocidad mínima permitida, la refrigeración del motor, las condiciones de aspiración y la estabilidad del control. Conserve las exigencias de las salidas de riego: un punto de menor potencia no sirve si los aspersores no proporcionan la cobertura requerida.

Verificar el modelo mediante un registro de campo repetible

Para cada combinación permitida, registre configuración y velocidad de bomba, ramas activas, posiciones de válvulas, nivel de fuente durante el bombeo, caudal estabilizado y mediciones de presión. La guía de instalación de caudalímetros de riego permite revisar la calidad de medida. Compare la diferencia de altura total a través de la bomba con su curva, considerando presiones de aspiración e impulsión, elevaciones instrumentales y diferencias de altura de velocidad cuando correspondan. Una única lectura de presión de impulsión no equivale automáticamente a la altura total de bomba.

Investigue una discrepancia antes de modificar la bomba. Una velocidad incorrecta, una válvula parcialmente cerrada, una derivación imprevista, un impulsor dañado o una fuente cambiante pueden generar observaciones diferentes. Compruebe los límites de medida y los instrumentos antes de atribuir una causa. Repetir el mismo estado permitido después de estabilizar ayuda a distinguir una diferencia hidráulica reproducible de un transitorio o un error de lectura.

Para una revisión de componentes IrriNex, facilite las curvas de bomba, el plano marcado de la red, las combinaciones de sectores y el registro comparativo completo. Solicite los datos de tuberías, válvulas y filtros seleccionados para afinar el modelo. Apruebe una combinación solo después de verificar los límites operativos de la bomba y el agua suministrada a las salidas activas; el caudal total de bomba no establece por sí solo la calidad del riego.