La bomba de alimentación tiene una tarea difícil: introducir agua de alimentación en la caldera venciendo la presión total del vapor, con el ritmo suficiente para sustituir cada libra de agua que la caldera convierte en vapor por minuto para cualquier carga. Si la bomba no es la adecuada, puede provocar que la caldera se detenga por corte de nivel bajo de agua, que la bomba experimente cavitación o que el sistema desperdicie energía durante años. Esta guía ofrece consejos sobre cómo calcular manualmente las características principales de la bomba de alimentación de la caldera.
Respuesta breve: Los procesos para determinar el tamaño de la bomba de alimentación de la caldera incluyen tres cálculos. En la primera etapa, se determina el caudal calculando el flujo en GPM, el cual se obtiene comparando la producción de vapor de la caldera en lb por hora con el producto de 8.33 lb por galón y 60, multiplicado por 1 más el porcentaje de purga y un factor de seguridad. También puede calcularse mediante la ecuación para la potencia de la caldera (boiler horsepower), donde Q=BHP*34.5/8.337*60*1.5. Esto se basa en datos empíricos que permiten utilizar 1 GPM por cada 10 BHP de la potencia de la caldera. El segundo valor que debe determinarse es la altura dinámica total (TDH), que se calcula así: TDH en pies = presión de la válvula de alivio de 1.03 más pérdidas por fricción en psi, multiplicado por 2.31, más la altura estática. Se puede observar que el valor de 1.03 se proporciona según los requisitos de la sección I de ASME, donde se establece que la presión de la bomba debe exceder a la de la válvula de alivio en un 3%. Finalmente, se puede calcular la potencia al freno (brake horsepower) multiplicando los GPM por la TDH y la gravedad específica, y dividiendo el resultado por 3960 y la eficiencia de la bomba, que normalmente oscila entre el 65 y el 75%.
Por qué es importante el dimensionamiento de la bomba de alimentación
Una caldera de vapor es un recipiente a presión y es imperativo, de acuerdo con la Sección I de ASME, que opere con agua suficiente. La bomba de alimentación cumple esa función y debe dimensionarse según los requisitos básicos del código: la bomba debe ser capaz de suministrar agua a una presión un 3% superior a la presión máxima de la válvula de seguridad/alivio y compensar todas las pérdidas del sistema. Las consecuencias de cometer un error son muy reales.
- Si la bomba es pequeña, la caldera se detendrá por corte de bajo nivel de agua, la producción se detendrá y el equipo sufrirá daños.
- Si la bomba instalada es excesivamente grande, habrá pérdida de energía, ciclos cortos y desgaste prematuro de la bomba, ya que funcionará lejos de su punto de eficiencia.
- Si la presión de descarga es incorrecta, no se podrá suministrar la cantidad necesaria de agua de alimentación al tambor debido a la presión del vapor en su interior, impidiendo su entrada a la caldera.
- Si el NPSH de la bomba de alimentación es insuficiente, se producirá cavitación, lo que provocará el fallo de la bomba en cuestión de semanas o meses.
Los cálculos para dimensionar correctamente la bomba de alimentación constan de tres pasos, cuyos detalles se dan a continuación con cálculos, ejemplos prácticos y una calculadora en línea.
Calculadora de bombas de alimentación de calderas
Simplemente introduzca los parámetros de su caldera y sistema en los campos proporcionados y haga clic en el botón Calcular. La herramienta puede utilizarse tanto en unidades estadounidenses como en unidades métricas. Puede encontrar las fórmulas completas debajo de la calculadora.
La calculadora puede utilizarse como herramienta de dimensionamiento inicial basada en las fórmulas enumeradas a continuación; asegúrese de verificar la elección final comparándola con la curva de la bomba del fabricante y los códigos ASME pertinentes de su zona. Para una referencia interactiva completa con ejemplos prácticos, el sitio complementario boilerfeedpumpcalculation.com proporciona herramientas adicionales para el dimensionamiento de alimentación de calderas.
Paso 1: Calcular el caudal
La bomba debe producir agua de alimentación en proporción a la generación máxima de vapor de la caldera, teniendo en cuenta la purga y el margen para oscilaciones en la carga. La ecuación general que puede aplicarse se muestra a continuación.
Q (GPM) = [Producción de vapor (lb/hr)] ÷ (8.33 × 60) × (1 + fracción de purga) × factor de seguridad
- En esta ecuación, 8.33 denota la masa de un galón de agua (lb), y 60 convierte las horas en minutos, lo que significa que la función ÷ (8.33×60) convierte lb/hr de vapor a GPM de agua equivalente.
- La purga se entiende como el agua eliminada artificialmente para gestionar los sólidos disueltos y suele ser igual al 5-10% de la cantidad de agua suministrada a la bomba.
- Por lo tanto, los cálculos deben incluir esta cantidad. El factor de seguridad es igual a 1.25 para la operación de alimentación modulada en forma continua, o 1.50 para operación esporádica.
Ejemplo: En el caso en que una caldera determinada opere a 3450 lb/hr (100 HP de caldera), su flujo de evaporación será igual a 6.9 GPM de acuerdo con la fórmula. Con respecto a una purga del 5% y un valor de 1.5 para el factor de seguridad, obtenemos Q = 6.9 × 1.05 × 1.5 = 10.9 GPM. Como una comprobación rápida de nuestros cálculos, se puede dividir el valor de HP de la caldera por 10 y obtener 10 GPM como valor deseado para una caldera de 100 HP.
Paso 2: Calcular la altura dinámica total
La altura dinámica total (TDH) abarca todos los factores contra los que debe trabajar una bomba.
TDH (ft) = (Presión de ajuste de válvula de alivio psi × 1.03 + pérdida por fricción psi) × 2.31 + elevación estática (ft)
- El factor 1.03 proviene del código ASME Sección I, que indica que una descarga de bomba debe exceder el ajuste de seguridad o alivio más alto en al menos un 3%, por lo que es un requisito obligatorio y no solo una recomendación.
El factor de 2.31 convierte la presión en psi a altura de agua en pies (1 psi = 2.31 pies de agua). - La pérdida por fricción indica la caída de presión que se ha producido en tuberías, válvulas y conectores entre la bomba y la caldera, y suele ser alrededor del 5-15% de la presión de descarga. También debe tenerse en cuenta que la válvula de control de agua de alimentación debe considerarse especialmente en este sentido, ya que solo una válvula moduladora podría causar una ganancia de presión de 10 a 25 psi; por lo tanto, tiene sentido leer una guía con información sobre la válvula de agua de la línea principal antes de configurar el diseño del sistema de alimentación.
- La elevación estática es la altura desde la línea central de la bomba hasta la entrada de agua de alimentación de la caldera.
Ejemplo: Si la válvula de alivio está ajustada a 150 psi, la pérdida por fricción es de 5 psi y la elevación estática es de 15 pies, entonces TDH = (150 × 1.03 + 5) × 2.31 + 15 = 159.5 × 2.31 + 15 = 383 pies. Y si usamos unidades métricas, la presión de un bar es aproximadamente 10.2 m de altura y, por tanto, podemos usar una fórmula paralela de esta manera: TDH (m) = (bar de alivio × 1.03 + bar de fricción) × 10.2 + elevación estática (m)
Paso 3: Calcular la potencia y el tamaño del motor
Una vez que disponga de los valores de flujo y altura, la potencia de la bomba puede obtenerse mediante la siguiente fórmula simple:
- Potencia hidráulica (Water HP) = (GPM × TDH) ÷ 3960
- Potencia al freno (Brake HP) = Potencia hidráulica ÷ Eficiencia de la bomba (que suele estar entre el 65% y el 75%)
Echemos un vistazo a un ejemplo que se aplica a 10.9 GPM a 383 pies de TDH: Potencia hidráulica = 10.9 × 383 ÷ 3960 = 1.05 HP; si la eficiencia de la bomba es del 68%, la potencia al freno = potencia hidráulica ÷ 0.68 = 1.55 HP. No olvide seleccionar el tamaño de motor estándar de 2 HP, que es el siguiente nivel superior al valor calculado. Si desea realizarlo usando unidades métricas, la potencia (kW) = Q (m³/h) × TDH (m) ÷ (367 × eficiencia) y, obviamente, el motor debe calcularse según la potencia más un factor de servicio.
La trampa del NPSH: Cavitación por agua caliente
Uno de los pasos críticos ignorados por muchos compradores de bombas primerizos es el cálculo correcto del NPSH (Net Positive Suction Head o Carga Neta de Succión Positiva), que es una de las causas principales de fallos en las bombas. Mientras que el NPSH disponible (NPSHa) mide el margen de seguridad en el lado de succión por encima de la presión de vapor del agua, el NPSH requerido (NPSHr) para una bomba se indica en la curva de la bomba. El NPSHa siempre debe permanecer al menos 3-5 pies por encima del NPSHr. El problema es la temperatura; a temperaturas inferiores a la ambiente, el agua tiene prácticamente nula presión de vapor, mientras que el agua caliente (220°F o 104°C), por ejemplo, se caracteriza por una presión de vapor que puede ser aproximadamente igual a 40 pies de altura. Por ejemplo, si un tanque desaireador está colocado 5 pies por encima de la bomba con 2 pies de pérdidas por succión, el valor de NPSHa será igual a la altura atmosférica del agua (33.9 pies) más 5 pies de altura del tanque y menos la pérdida de carga de 40 pies y 2 pies, lo que resulta en un valor de NPSHa negativo, lo que conduce a una cavitación garantizada. La solución a este problema es aumentar la altura del tanque (cada pie aportará un pie de NPSHa), hacer que las tuberías sean más cortas, más grandes y libres de válvulas que se cierren parcialmente, enfriar el agua cuando sea posible o elegir una bomba con un NPSHr menor.
Recomendaciones de dimensionamiento y tipos de bombas
Tras determinar el flujo, la altura y la potencia disponible del sistema, los siguientes principios pueden guiarle a dimensionar una bomba adecuadamente:
- El margen real es importante pero no debe ser excesivo. El margen de seguridad recomendado para dimensionar una aplicación de bombeo es del 10-25% del caudal. Aunque dimensionar una bomba al doble del caudal puede parecer seguro, aleja la bomba de su punto de eficiencia óptima, provocando recirculación indeseable, vibración y desgaste de sellos en cargas bajas. Si se espera una gran variación en la carga de la bomba, es mejor elegir una bomba más pequeña equipada con un variador de frecuencia (VFD) que una bomba más grande que deba estrangularse.
- Adapte la bomba a la altura (presión). Varios tipos de bombas son adecuados para diferentes niveles de altura; una altura superior a 150 pies (45 m) requeriría una bomba centrífuga multietapa, mientras que con valores de altura menores sería posible usar una bomba de una etapa y/o una bomba horizontal de carcasa partida. Presiones: bomba horizontal de carcasa partida – hasta 300 psi, bomba de turbina vertical – hasta 600 psi, y bomba centrífuga multietapa – quizás 1,000 psi.
- Dimensione el tanque de alimentación para lograr un almacenamiento utilizable. Es habitual asumir que no habrá un tiempo neto desperdiciado por la bomba mayor a 10 minutos.
- Nunca dimensione la bomba más pequeña que la válvula de alivio de presión. La presión creada por la bomba debe cumplir con la presión de alivio requerida por el sistema más aproximadamente un 3% (más pérdidas); lo que significa que dimensionar la bomba simplemente para la presión de trabajo no cumple con otros requisitos establecidos por los estándares de calderas.
- Elija materiales adecuados para el agua. El agua de alimentación tratada es adecuada para bronce o hierro fundido; el agua caliente desaireada con oxígeno disuelto requiere materiales de acero inoxidable 304 o 316, y los sellos mecánicos deben tolerar la temperatura real del agua de alimentación.
Los sistemas de alimentación de calderas están construidos con las mismas familias de tuberías y válvulas que cualquier sistema de agua a presión. La línea de descarga necesita una válvula de retención para detener el flujo inverso cuando la bomba se detiene, y una válvula de aislamiento para mantenimiento; las dos válvulas que protegen tanto la bomba como la caldera en cada unidad de alimentación.
La tubería entre la bomba y la caldera soporta toda la presión de descarga, por lo que debe especificarse con el material y diámetro correctos para el flujo; la misma lógica de dimensionamiento que rige el dimensionamiento de tuberías de acero inoxidable en líneas de proceso, donde la presión, temperatura y velocidad determinan la clase de la tubería en lugar de las suposiciones.
Preguntas frecuentes
¿Cómo calculo el tamaño de una bomba de alimentación de caldera?
Es importante averiguar primero la altura dinámica total, la potencia y el caudal de la bomba. Se puede calcular mediante la fórmula: (caudal = Q (GPM) que es la producción de vapor dividida por [8.33 × 60]) × [1 + purga] × factor de seguridad (1.25 en caso de modulación / 1.5 en caso de encendido-apagado). La altura dinámica total (TDH) se calcula según la fórmula dada aquí: (psi de alivio × 1.03 + psi de fricción) × 2.31 + elevación estática. Luego se calcula la potencia al freno (BHP) porque la potencia puede usarse para encontrar la bomba correcta disponible en el mercado.
¿Cómo calcular la tasa de la bomba de alimentación?
La tasa de alimentación requerida es igual a la tasa de evaporación máxima de la caldera más la purga y el margen de seguridad por conveniencia. Las fórmulas a utilizar son: (tasa de alimentación = BHP × 34.5 ÷ [8.337 x 60] × SF) o (producción de vapor = lb/hora ÷ 500, donde lb significa libras y 500 se refiere al factor de conversión 8.33).
¿Cómo calcular el tamaño de la bomba de la caldera?
El proceso de determinar el "tamaño" se refiere a la curva de la bomba y también implica valores de caudal y altura obtenidos de los cálculos anteriores. La curva de la bomba se obtiene a través de los parámetros de GPM y TDH, que significa altura dinámica total (TDH).
¿Cómo calcular la fórmula de la bomba?
El cálculo más común para las bombas involucra el caudal, expresado en galones por minuto (GPM) de producción de vapor; la presión; la potencia en potencia al freno (BHP); además de la conversión de la medición de 1 bar a metros (m).
Referencias
- HPAC Engineering — 16 pasos para la selección adecuada de la bomba de alimentación de calderas
- Tip Calculator — Guía de cálculo de la bomba de alimentación de la caldera
- Hype Calculator — Dimensionamiento de la bomba de alimentación de la caldera (NPSH y notas de ASME)
- PumpCalculator — Caudal, altura y potencia de la bomba de alimentación de la caldera
- Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, Sección I
Conclusión
El cálculo del dimensionamiento de la bomba de alimentación de la caldera se basa esencialmente en tres parámetros importantes; sin embargo, la tarea se complica por múltiples dificultades. El primero es el caudal, que puede calcularse utilizando la producción máxima de vapor de la caldera más la purga y algunos márgenes de seguridad según el tipo de sistema de control utilizado, es decir, 1 GPM por cada 10 HP de capacidad de la caldera, con ajustes adicionales mediante fórmulas específicas. El segundo es el valor de la altura manométrica, que determina el ajuste de la válvula de alivio de presión junto con el margen obligatorio del 3 % de ASME, las pérdidas por fricción y la elevación estática expresada en 2.31 pies/psi. Finalmente, la potencia es igual a la relación entre el caudal y la altura dividida por la eficiencia, redondeándose la potencia del motor según valores estándar. Es muy probable que un principiante pase por alto algunos errores comunes al dimensionar la bomba, como dimensionar para la presión de trabajo en lugar de la presión de la válvula de alivio, ignorar las pérdidas en las válvulas de control o no tener en cuenta que una cifra valiosa de NPSH se reduce en decenas de pies debido a problemas graves con la presión de vapor del agua de alimentación. Al final, uno debe tener presente los diferentes mecanismos entre la bomba y la caldera; estos mecanismos incluyen válvulas de retención, válvulas de aislamiento, así como tuberías que solo funcionarán correctamente si se ha comprendido la información adecuada proporcionada en este artículo.
