Imagen de campo preparada para el cálculo de las dimensiones del depósito a presión de una bomba de refuerzo.
Un técnico de campo encargado de la puesta en marcha de un edificio de oficinas de diez plantas descubre que la bomba de refuerzo se pone en marcha cada noventa segundos durante el horario normal de ocupación, lo que supera con creces las seis puestas en marcha por hora recomendadas por el fabricante. El depósito de presión se dimensionó de forma inadecuada durante la fase de especificación, lo que obliga a la bomba a realizar ciclos rápidos que acortarán la vida útil de los cojinetes y supondrán un desperdicio de energía.
El dimensionamiento del depósito a presión para una bomba de refuerzo determina el volumen de reserva necesario para limitar los arranques de la bomba, al tiempo que se mantiene la presión del sistema entre los puntos de activación y desactivación definidos. El depósito almacena agua a presión durante los periodos de baja demanda y la libera antes de que la bomba se vuelva a poner en marcha, lo que protege los componentes mecánicos y reduce los costes de funcionamiento.
El dimensionamiento adecuado depende de cuatro variables: el caudal de la bomba, la frecuencia de ciclo admisible, el diferencial de presión del sistema y la capacidad de reducción de nivel del depósito a las presiones de funcionamiento.
Puntos clave
- El volumen del depósito depende del caudal de la bomba (GPM), del número de arranques permitidos por hora y de la diferencia de presión entre los valores de activación y desactivación.
- La capacidad de extracción —el volumen de agua utilizable entre el nivel de activación y el de desactivación— determina el tamaño efectivo del depósito, no su volumen total.
- La presión de precarga debe ajustarse entre 60 y 80% de la presión de activación en los depósitos de diafragma para maximizar la caída de nivel.
- Los depósitos de tamaño insuficiente provocan ciclos rápidos; los de tamaño excesivo aumentan los costes sin aportar ninguna ventaja en cuanto al rendimiento, salvo la reducción del número de arranques por debajo del umbral aceptable.
- Los depósitos de vejiga o de diafragma homologados por la ASME son los habituales en aplicaciones comerciales de refuerzo con una presión de trabajo superior a 125 PSI.
Cálculo del volumen necesario del depósito
La ecuación fundamental para el dimensionamiento relaciona el volumen del depósito con el caudal de la bomba y la frecuencia del ciclo:
**V = (Q × t) / D**
Dónde:
- V = volumen necesario del depósito (galones)
- Q = caudal de la bomba (GPM)
- t = tiempo transcurrido entre cada puesta en marcha de la bomba (minutos)
- D = capacidad de extracción (expresada en forma decimal; suele oscilar entre 0,25 y 0,35 en los depósitos de diafragma correctamente precargados)
El tiempo entre arranques se calcula dividiendo 60 minutos entre el número deseado de arranques por hora. Para una bomba con una capacidad nominal de seis arranques por hora como máximo, t = 10 minutos.
Una bomba de refuerzo con un caudal nominal de 50 GPM (https://projectcalc.app/blog/booster-pump-sizing-guide) y un límite de seis arranques por hora requiere: V = (50 × 10) / 0,30 = 1.667 galones, suponiendo una caída de nivel de 30%. Este es el tamaño mínimo del depósito para evitar ciclos excesivos en condiciones de demanda continua.
La mayoría de las aplicaciones comerciales tienen como objetivo entre cuatro y seis arranques por hora en condiciones normales de funcionamiento. Un número mayor de arranques indica que la capacidad es insuficiente; menos de dos arranques por hora sugiere que el depósito es más grande de lo necesario para la protección del ciclo.
Determinación de la capacidad de extracción
La capacidad de extracción es el porcentaje del volumen del depósito disponible entre la presión de activación y la presión de desactivación de la bomba. Depende de tres factores: la presión de precarga del depósito, la presión de activación y la presión de desactivación.
En el caso de un depósito de diafragma, la caída de nivel se calcula mediante la fórmula de aceptación (https://www.amtrol.com/asmesupport/):
**Drawdown (%) = (P1 – P0) / (P1 + 14,7) × (P2 + 14,7) / (P2 – P0)**
Dónde:
- P0 = presión de precarga (PSIG)
- P1 = presión de activación (PSIG)
- P2 = presión de desconexión (PSIG)
- 14,7 = factor de conversión de la presión atmosférica
Un sistema con una presión de activación de 40 PSIG, una presión de desactivación de 60 PSIG y una precarga de 30 PSIG produce una caída de presión de aproximadamente 33%. La misma diferencia de presión con una precarga de 20 PSIG da lugar a una caída de presión de 28% debido al uso ineficiente del volumen del depósito.
Efecto de la precarga en el volumen útil
Precarga (PSIG) | Presión de activación (PSIG) | Recorte (PSIG) | Caída (%) |
28 | 40 | 60 | 35 |
32 | 40 | 60 | 33 |
36 | 40 | 60 | 30 |
24 | 40 | 60 | 37 |
La tabla muestra un sistema de 40/60 PSIG con diferentes ajustes de precarga. La precarga ajustada a 70% de activación (28 PSIG) maximiza la caída de presión sin correr el riesgo de dañar el diafragma por una compresión excesiva.
Selección por diferencia de presión
La diferencia entre las presiones de activación y desactivación afecta tanto a la caída de presión como a la estabilidad del sistema. Unas diferencias más amplias aumentan el porcentaje de caída de presión, pero provocan una mayor variación de la presión en los grifos.
La mayoría de los sistemas de refuerzo comerciales utilizan un diferencial de 20 PSIG. Un ajuste de 40/60 PSIG proporciona un margen adecuado para edificios de varias plantas, al tiempo que mantiene la presión en los grifos razonablemente constante.
Los diferenciales reducidos, inferiores a 15 PSIG, reducen la caída de presión disponible y pueden provocar que la bomba entre y salga de funcionamiento con mayor frecuencia de la que el depósito puede soportar. Los sistemas de refuerzo de velocidad variable (https://engineerfix.com/how-a-booster-pump-with-pressure-tank-works/) con transductores de presión suelen eliminar por completo la lógica fija de activación y desactivación, utilizando el depósito únicamente como supresor de picos en lugar de como amortiguador de ciclos.
Las aplicaciones que requieren un control preciso de la presión —como los sistemas de agua de laboratorio o de proceso— pueden necesitar un control de velocidad variable, en lugar de basarse únicamente en el dimensionamiento de los depósitos para gestionar las variaciones de presión.
Ajustes de dimensionamiento específicos para cada aplicación
Los cálculos estándar de dimensionamiento parten de patrones de demanda constantes. Las instalaciones reales requieren ajustes para tener en cuenta las condiciones de caudal máximo y los perfiles de consumo.
**Multiplicador de demanda máxima**: Dimensiona el depósito para que tenga una capacidad de entre 1,5 y 2,0 veces el caudal medio si el sistema experimenta picos de demanda de corta duración. Una bomba de refuerzo de agua sanitaria que abastezca a los aseos debe poder hacer frente al uso simultáneo de los sanitarios durante los cambios de turno.
**Restricciones del ciclo de trabajo**: Los fabricantes de bombas especifican el número máximo de arranques por hora para evitar el sobrecalentamiento del motor y el desgaste mecánico. El depósito debe tener una capacidad suficiente para mantener el número de arranques por debajo de este límite durante el periodo de demanda continua más largo, y no solo en condiciones medias.
**Sistemas de bombas múltiples**: Los grupos de refuerzo dúplex o tríplex requieren un volumen de depósito basado en el caudal de la bomba principal, y no en la capacidad total del sistema. El depósito amortigua las variaciones de demanda cuando solo funciona una bomba; las bombas adicionales solo entran en funcionamiento cuando el caudal supera la capacidad de la bomba principal.
**Capacidad mínima del depósito**: Los depósitos de diafragma ASME de menos de 20 galones (https://www.rafsun.com/how-to-size-a-pressure-tank-for-a-booster-pump/) ofrecen una protección mínima contra los ciclos en los sistemas comerciales. Incluso los sistemas de refuerzo de bajo caudal deberían utilizar un depósito de al menos 40 galones para hacer frente a la variabilidad real de la demanda.
Instalación y comprobación de la precarga
Las instalaciones de depósitos nuevas vienen precargadas de fábrica, normalmente a una presión de entre 38 y 40 PSIG en los modelos estándar. Este ajuste rara vez coincide con la presión de activación específica del sistema de refuerzo.
El ajuste de la precarga requiere purgar la presión del sistema, acceder a la válvula de aire del depósito y utilizar un manómetro de baja presión para comprobar y ajustar la carga. Ajuste la precarga a 70% de la presión de activación antes de llenar el sistema.
Los depósitos de vejiga y de diafragma pierden la precarga con el paso del tiempo debido a la permeación. La verificación anual evita la pérdida gradual de la capacidad de descarga, lo que provoca un aumento de los ciclos de funcionamiento. Un depósito anegado —lo que se indica por la ausencia de presión de aire en la válvula— ha perdido la integridad del diafragma y debe sustituirse.
La ubicación del depósito influye en el rendimiento. Instale el depósito en el lado de descarga de la bomba, después de la válvula de retención, para evitar que el reflujo colapse la vejiga durante los periodos en los que la bomba no está en funcionamiento. La orientación vertical, con la conexión en la parte inferior, garantiza el vaciado completo del lado del agua.
Preguntas frecuentes
¿Puedo utilizar un depósito más grande que el que indica el cálculo?
Sí, aumentar el tamaño dentro de unos límites razonables no perjudica el rendimiento. Un depósito hasta 50% mayor que el calculado reduce aún más los arranques, pero aumenta el coste y requiere más espacio. Los depósitos que superan el doble del tamaño calculado ofrecen rendimientos decrecientes: el sistema ya estará arrancando muy por debajo de la frecuencia de ciclo aceptable.
¿Cómo influye la altitud en el dimensionamiento de los depósitos?
El factor de conversión de la presión atmosférica en la fórmula de descenso de nivel parte de la base del nivel del mar (14,7 PSIA). A una altitud de 5.000 pies, utilice en su lugar 12,2 PSIA. Esto reduce ligeramente el descenso de nivel efectivo, por lo que se necesita un depósito más grande para lograr la misma protección del ciclo. La mayoría de las herramientas de dimensionamiento (https://www.mepwork.com/2017/12/booster-pump-calculation-sheets.html) incluyen factores de corrección de altitud para presiones por encima de los 3.000 pies.
¿Qué ocurre si el nivel de precarga se ajusta a un valor demasiado alto?
Una precarga por encima de los 90% de presión de activación no deja prácticamente ninguna capacidad de reducción de presión. El lado del agua del diafragma tiene un margen mínimo para expandirse, y el depósito funciona como un recipiente prácticamente rígido. La bomba se pondrá en marcha ante pequeños cambios en la demanda, lo que frustra la finalidad del depósito.
¿Necesito depósitos independientes para cada bomba en un sistema dúplex?
No. Un único depósito del tamaño adecuado abastece a todo el grupo de presión. El volumen del depósito se calcula en función del caudal de la bomba principal, y el sistema de activación por etapas pone en marcha bombas adicionales cuando la demanda supera lo que el depósito y la bomba principal pueden suministrar conjuntamente.
Conclusión
Comprueba el tamaño del depósito utilizando el caudal real de la bomba a la altura manométrica de funcionamiento, y no la capacidad indicada en la placa de características, ya que las bombas centrífugas suministran menos caudal a presiones más altas. Realiza el cálculo con el caudal que figura en la curva de la bomba a la presión de descarga requerida por el sistema.
Tras la instalación, durante la primera semana se debe controlar el número de arranques por hora en los periodos de demanda normal. Si el sistema supera la frecuencia de ciclo recomendada por el fabricante, significa que el depósito tiene una capacidad insuficiente para los patrones de uso reales, por lo que es necesario instalar un depósito más grande o aumentar la capacidad antes de que surjan problemas mecánicos.