Cálculo de bombas en serie — curva combinada e impulsión de alta presión

Qué es la asociación de bombas en serie

Colocar bombas en serie significa conectar la descarga de una bomba directamente a la aspiración de la siguiente, de modo que el mismo caudal atraviese todas ellas y las alturas manométricas se sumen. Es la solución clásica cuando el sistema exige una TDH (altura manométrica total) que ninguna bomba comercial aislada entrega con buen rendimiento: impulsiones verticales elevadas, conducciones largas con alta pérdida de carga, sistemas de refuerzo (booster) y alimentación de calderas.

La intuición física es directa: cada bomba añade energía al mismo flujo. Si la primera eleva la presión en 88 m y la segunda repite el trabajo sobre el mismo caudal, la salida del conjunto queda ~176 m por encima de la entrada. Una bomba multietapa es exactamente eso — varios rodetes en serie dentro de una única carcasa.

Curva combinada: sumar alturas al mismo caudal

El paso central del dimensionamiento es construir la curva combinada. Cada bomba tiene una curva H×Q, bien aproximada por una parábola:

H(Q) = a − b·Q²

donde a es el shut-off (altura a caudal nulo) y b controla la caída de la curva. Los coeficientes salen de un ajuste de Lagrange en 3 puntos del catálogo del fabricante.

Para la asociación en serie, se fija un caudal y se suman las alturas:

H_comb(Q) = H₁(Q) + H₂(Q) + … + H_N(Q)

Para N bombas idénticas, esto se reduce simplemente a H_comb(Q) = N·H(Q) = N·a − N·b·Q². Nótese el contraste con la disposición en paralelo, donde se suman los caudales a la misma altura. Intercambiar una suma por la otra es el error conceptual más común en este tipo de cálculo.

Cómo se encuentra el punto de operación

El caudal real del conjunto no es libre: lo impone la intersección entre la curva combinada y la curva del sistema:

H_sist(Q) = H_geo + k·Q²

Aquí H_geo es la altura geométrica (más cualquier diferencia de presión entre depósitos) y k agrega todas las pérdidas de carga — distribuidas (vía factor de fricción por el método de Colebrook-White (Serghides, transición de Dunlop)) y localizadas (ΣK de los accesorios). El punto de operación (Q, H)** resuelve:

N·a − N·b·Q² = H_geo + k·Q²

cuya solución cerrada es Q* = √[(N·a − H_geo) / (N·b + k)]. En una calculadora robusta, sin embargo, se emplea bisección sobre las curvas reales (no solo el ajuste cuadrático), porque la curva del fabricante no siempre es perfectamente parabólica.

Por qué la ganancia es de presión, no de caudal

Como la curva del sistema crece con Q², duplicar la presión disponible no duplica el caudal: la pérdida de carga reacciona al cuadrado y absorbe buena parte del incremento. El efecto útil de la serie es elevar la altura de elevación o el alcance, manteniendo el caudal en un nivel moderado. Quien necesita más caudal debe mirar al paralelo; quien necesita más presión, a la serie.

Consideraciones prácticas de proyecto

• Clase de presión aguas abajo. La presión a la salida de la última bomba es la suma de las alturas. Tubos, bridas, válvulas y juntas aguas abajo deben soportar esa presión acumulada — sumada a la sobrepresión de golpe de ariete. Dimensionar por la presión de una sola bomba es un fallo grave.
• El NPSH solo importa en la primera. La aspiración crítica es la de la primera bomba; las siguientes reciben el líquido ya presurizado, con NPSH disponible holgado. Concentra la verificación NPSHd ≥ NPSHr + margen en la entrada del conjunto.
• Prefiere bombas idénticas. Iguales, reparten la presión simétricamente y operan en el mismo punto de su propia curva. Distintas, la de menor capacidad limita al conjunto.
• Operación cerca del BEP. Mantén el punto de operación entre el 70% y el 120% del caudal de BEP de cada bomba para preservar el rendimiento y reducir la vibración y el empuje axial.
• Protecciones. Incluye válvula de retención, by-pass y dispositivos antiariete; la columna presurizada de la serie hace más severo el transitorio.

Relación con las normas

El proyecto de estaciones de bombeo se ampara en normativa de abastecimiento como la UNE-EN 805 (redes exteriores de tuberías) y en la UNE-EN 809 para los requisitos de seguridad de bombas y grupos motobomba. Las curvas y los ensayos de bombas siguen el Hydraulic Institute (HI/ANSI) y la ISO 9906, que normalizan los grados de tolerancia del ensayo de comportamiento — base de los puntos de catálogo que alimentan el ajuste de Lagrange. La curva del sistema, a su vez, depende del factor de fricción calculado por el método de Colebrook-White (Serghides, transición de Dunlop), garantizando coherencia entre la pérdida de carga estimada y el punto de operación reportado.