El diámetro del pozo para una bomba solar: la restricción de la que no puedes escapar comprando

La respuesta corta: el diámetro interior de tu pozo es el único dato de diseño que no puedes cambiar a posteriori, y fija dos límites que tiran en direcciones opuestas. Demasiado justo y la bomba, el cable y la cuerda no pasan. Demasiado holgado y el agua avanza demasiado despacio junto al motor para refrigerarlo. El número único que une ambos es la velocidad en el espacio anular:

v = Q x 353 / (D² - d²), donde Q es el caudal en m3/h, D es el diámetro interior de la entubación en mm, d es el diámetro exterior de la bomba en mm, y v resulta en m/s.

Los datos publicados de las bombas sitúan el suelo en 0.08 m/s para un motor de 4 pulgadas y 0.15 m/s para motores de 6, 8 y 10 pulgadas. Pon una bomba de 4 pulgadas en una entubación de 4 pulgadas y tienes 3.5 mm de holgura, lo que no deja pasar un cable. Pon la misma bomba de 4 pulgadas en una entubación de 8 pulgadas y debe producir 7.29 m3/h de su propia agua solo para refrigerar su propio motor. Misma bomba, misma profundidad de pozo, dos problemas completamente distintos, y ninguna de las dos cifras aparece en ninguna ficha técnica que te hayan entregado.

Este artículo es la continuación de nuestra guía de prueba de rendimiento del pozo, que trata cuánta agua puede dar tu pozo. Este artículo aborda una pregunta distinta que surge antes en el proceso: si la bomba puede bajar físicamente hasta allí, y si puede sobrevivir una vez lo haga.

Dos preguntas que un pozo debe responder a la vez

Hay dos preguntas y no son la misma pregunta, y por eso tantos pozos acaban con la bomba equivocada dentro.

La trampa es que estas dos preguntas se responden con cambios opuestos. Añadir diámetro facilita la segunda pregunta y no dificulta la primera. Quitar diámetro hace que el ajuste parezca más justo y la refrigeración parezca mejor. Hay una banda de tamaños de entubación en la que ambas respuestas son sí, y es más estrecha de lo que la mayoría supone. Esa banda es el tema entero de este artículo.

Tres diámetros se confunden constantemente entre sí, así que merece la pena fijar el vocabulario antes de empezar la aritmética:

Esa diferencia de 12 mm entre las dos últimas filas no es un error de redondeo. Es tres veces toda la holgura radial que tiene una bomba de 4 pulgadas en una entubación de 4 pulgadas, y se pierde antes de instalar nada.

La fórmula de la velocidad en el espacio anular, y cómo comprobarla

Un motor sumergible se refrigera por el agua que fluye por su superficie exterior. El agua se bombea hacia arriba, pero en el espacio anular primero tiene que bajar junto al motor para llegar a la toma de la bomba, y esa bajada es la que se lleva el calor. Cuanto más estrecho es el espacio entre el motor y la entubación, más rápido tienen que moverse los mismos litros.

Los fabricantes lo expresan como una velocidad en lugar de un caudal, y por eso dos pozos con la misma bomba y el mismo rendimiento pueden tener temperaturas de motor completamente distintas. La forma SI publicada es:

v = Q / (2826 x (Di² - dA²)) con Q en m3/h y ambos diámetros en metros.

Desarrolla el denominador y obtienes la forma de campo que se usa en todo este artículo, que toma milímetros directamente y devuelve m/s:

v = Q x 353 / (D² - d²)

Para ir al revés, de una velocidad requerida al caudal que necesitas:

Q = v x (D² - d²) / 353

Los umbrales proceden de datos publicados de bombas y de construcción de pozos. Las especificaciones de AWWA sitúan la velocidad admisible junto a un motor entre 0.5 y 12 pies por segundo, es decir aproximadamente 0.15 a 3.7 m/s, y los fabricantes de bombas aplican suelos más estrictos para motores pequeños:

La fórmula es lo bastante sencilla para creerla de fe, pero no deberías. Reproduce casi exactamente una tabla publicada de un fabricante, y vale la pena hacer esa comprobación una vez para saber que la aritmética de tu propio pozo es sólida. He aquí la comparación, convirtiendo los valores publicados de galones por minuto a 0.2271 m3/h cada uno:

Todas las filas caen dentro del 15%, y esa diferencia se explica enteramente por los diámetros nominales. Los fabricantes publican un diámetro exterior nominal de 4 y 6 pulgadas; los extremos reales de las bombas son uno o dos milímetros más pequeños, que es exactamente el margen que aparece en estos porcentajes. Lo que te compra esta comprobación cruzada es la confianza de que una fórmula, un diámetro nominal de bomba y tu propia medida de entubación bastan para tomar una decisión real. La alternativa es descubrirlo empíricamente, y eso cuesta un motor.

Un pozo más ancho necesita más caudal, no menos

Esta es la parte que sorprende a la gente, y es la razón por la que una bomba que funcionó años en un pozo estrecho puede fallar en uno nuevo y ancho.

Todo el mundo supone que un agujero ancho es un agujero generoso. Para la perforación y para el rendimiento eso suele ser cierto. Para la refrigeración del motor es lo contrario: cada milímetro extra de diámetro de entubación añade área al espacio anular, y los mismos litros de agua viajan entonces más despacio junto al motor. El requisito de refrigeración crece con el cuadrado del diámetro, así que la penalización por un agujero generoso crece más rápido que el propio agujero.

Toma una sola bomba de 4 pulgadas, diámetro exterior nominal 95 mm, y pregunta qué caudal necesita para llegar al suelo de 0.08 m/s en entubaciones de distintos tamaños:

Lee de nuevo el centro de esa tabla. Una bomba de 4 pulgadas en una entubación de 6 pulgadas necesita 3.19 m3/h de su propia agua para mantenerse fresca. La misma bomba en una entubación de 8 pulgadas necesita 7.29 m3/h. La bomba no cambió, cambió el agujero. Y el requisito se más que duplica.

Por eso existe la camisa de refrigeración, y también por eso vale la pena comprobar un pozo perforado con generosidad para una bomba anterior mucho mayor. Un agujero de 12 pulgadas heredado de una instalación antigua de eje vertical no es un regalo si vas a soltar dentro una sumergible de 4 pulgadas.

Ahora da la vuelta a la tabla y mírala como velocidades, que es como se siente en el campo. He aquí la velocidad real del agua junto a un motor de 4 pulgadas a caudales que podrías bombear de verdad:

Las celdas en negrita son las que importan para un motor de 4 pulgadas a 6 m3/h, que es un punto de operación muy corriente. En una entubación de 6 pulgadas la velocidad está justo en el suelo de 0.08 m/s con margen de sobra. En una de 7 pulgadas ya está por encima, pero solo justo. En una de 8 pulgadas está por debajo del suelo, y el motor trabaja caliente en cada uno de esos litros. Nada de la bomba cambió. Solo el agujero.

La regla que produce esto: para una bomba de 4 pulgadas, una entubación de 5, 6 o 7 pulgadas es el punto dulce. Por debajo de 5 pulgadas la bomba no pasa limpiamente; por encima de 7 pulgadas dependes de un caudal alto o de una camisa de refrigeración.

Ajuste físico: lo que realmente tiene que bajar por el agujero

La refrigeración es la mitad sutil del problema. El ajuste es la mitad que se anuncia, normalmente en el peor momento posible, con una bomba a 30 m de profundidad y un cable que tienes que volver a sacar.

Lo que tiene que viajar por la entubación no es solo la bomba. Es un haz:

La consecuencia práctica es que la entubación tiene que despejar el accesorio más ancho más el haz de cable, no el diámetro de catálogo de la bomba. Con una bomba de 4 pulgadas en una entubación de 4 pulgadas tienes 3.5 mm por lado para trabajar, y un cable sumergible plano es tres veces más grueso. Por eso una entubación de 4 pulgadas y una bomba de 4 pulgadas es una combinación que existe sobre el papel y no en un pozo, y por eso la misma bomba en una entubación de 5 pulgadas, con 16 mm por lado, se convierte de repente en una instalación perfectamente normal.

La guía de instalación publicada converge en la misma respuesta desde distintas direcciones:

La última fila merece interiorizarse. Una bomba situada a 0.3 m del fondo de un agujero que además descansa 20 m durante la operación necesita que su cable, su cuerda y el collar de su válvula pasen por toda la entubación, no solo por los primeros metros, cada vez que entra. El ajuste en superficie no es la prueba. La prueba es el ajuste en la sección más estrecha, a profundidad, a temperatura.

Recto no es lo mismo que vertical

La otra forma en que un pozo vence a una bomba es doblándose. Esto está regulado, y las regulaciones son más permisivas de lo que la mayoría espera, que es precisamente por lo que la bomba debe elegirse para el agujero en lugar de suponer que el agujero es perfecto.

Intervienen dos propiedades distintas. La verticalidad o desviación es cuánto se aparta el pozo de la vertical verdadera. La alineación es cuán recto está, es decir, si hay codos, arrugas o curvaturas. Un pozo puede estar recto pero inclinado; un pozo perfectamente vertical siempre está recto. La alineación es la más importante de las dos, porque un tramo torcido de entubación detendrá una bomba que un pozo simplemente inclinado dejaría pasar.

La cláusula de Wisconsin es la práctica. Si exiges que una bomba pase la profundidad de emplazamiento prevista más un 25%, estás probando el agujero a la profundidad a la que la bomba trabajará de verdad, con margen, en lugar de probarlo arriba donde todo pasa. Todo lo demás en esa tabla es una tolerancia para el perforador. Esta cláusula es una tolerancia para la bomba.

Los fallos de alineación son los caros, porque son invisibles hasta que estás bajando. Una bomba de 4 pulgadas que entra en un agujero con un codo se siente bien durante los primeros 20 m y luego simplemente se detiene. Forzarla es cómo aplastas el cable contra la pared de la entubación y acabas con un fallo a tierra intermitente que solo aparece cuando la bomba se calienta.

Si un agujero nunca se ha registrado, vale la pena comprobarlo antes de comprar nada, especialmente si la entubación es vieja, el pozo es profundo, o estás reequipando el pozo de otro. Un reconocimiento con cámara de fondo, un registro de verticalidad, o un sencillo calibrador de diámetro conocido bajado con una cuerda te dirán lo que necesitas saber por el precio de unas pocas horas. Nuestra guía para manejar la arena en un sistema de bomba solar cubre la otra cosa que sale mal al bajar, que es el agua abrasiva rayando la bomba al pasar.

La camisa de refrigeración: la única pieza que resuelve ambos problemas

Hay exactamente un componente en una instalación sumergible que facilita a la vez el problema de ajuste y el de refrigeración, y es un simple trozo de tubo.

Una camisa de refrigeración, también conocida como cubierta de refrigeración o inductor de flujo, es un tubo que se coloca sobre el motor con una rendija de unos pocos milímetros, abierto en ambos extremos. En lugar de que el agua ascienda lentamente por un espacio anular ancho, se la obliga a bajar por el estrecho espacio entre la camisa y el motor, lo que restaura la velocidad requerida sin cambiar la entubación, el caudal ni la bomba. El agua tiene que venir de algún sitio, así que la camisa lleva una corta cola que la guía desde arriba.

La economía está desequilibrada a tu favor. Una camisa es un corto tramo de tubo del tamaño inmediatamente superior, un par de tapas y un par de horas de taller. La alternativa es un motor que trabaja caliente durante dos o tres temporadas y luego falla en un año que recordarás, o volver a perforar un pozo. La guía publicada es explícita en que donde el espacio anular es ancho, una camisa o inductor debe usarse en lugar de ser un refinamiento opcional.

Dos advertencias. Una camisa reduce la holgura efectiva entre el conjunto y la entubación, así que debes volver a comprobar el ajuste con la camisa colocada, no con la bomba desnuda. Y una camisa no debe bloquear la toma de la bomba: va sobre el motor, con la toma por encima, no sobre la propia toma.

La trampa al reequipar un pozo heredado

Los peores desajustes entre entubación y bomba casi nunca son el resultado de una decisión de perforación nueva. Son heredados. El agujero de otro, perforado para el equipo de otro, hace veinte o treinta años.

Cuatro patrones explican la mayoría, y los cuatro parecen generosos sobre el papel:

El patrón de la primera fila es el que hay que vigilar. Un agujero ancho es una responsabilidad real para una bomba pequeña, y el coste de tratarlo es una camisa de refrigeración o un contratista de perforación. Una camisa es drásticamente más barata, y en un pozo que ha estado parado suele ser el primer movimiento correcto en lugar del último recurso.

Junto con el tamaño de la entubación, otros dos números heredados importan y normalmente no están en el papel. La temperatura del agua allí abajo decide cuánto margen de refrigeración tienes, porque un motor nominal para 30 grados Celsius no es el mismo motor a 40 grados, y las curvas de reducción publicadas bajan de forma notable por encima de 30 grados. Y el contenido de arena decide cuán rápido se desgasta todo el conjunto, con guías de construcción de pozos que suelen pedir pozos acabados por debajo de 25 mg/L. Ambos son baratos de ensayar, y ambos cambian la bomba que deberías comprar en lugar de la bomba que puedes instalar.

Ejemplo resuelto: una bomba, cinco tamaños de entubación

Toma un modelo real de 4 pulgadas, 4DSC7.5-80-110-1300: 1300 W, 110 V, 7.5 m3/h de caudal máximo, 80 m de altura máxima, salida de 2 pulgadas. Ponlo en un pozo donde tenga que producir en torno a 6 m3/h a unos 47 m de altura manométrica total, que es un punto de operación cómodo para este modelo en lugar de arriesgado. Luego no cambies nada salvo la entubación.

Siete filas, una bomba, un caudal, una altura. La bomba es idéntica en cada fila. La única variable es un número que decidió un perforador antes de que nadie pensara en una bomba, y decide si esta instalación funciona en silencio o falla en su tercer verano.

Dos detalles más del mismo ejemplo, porque no cuestan nada comprobar ahora y mucho más tarde. El agua se eleva desde un nivel deprimido, así que la bomba trabaja a 47 m de altura manométrica total siempre que está a 6 m3/h, lo que significa que el modelo anterior opera alrededor del 59% de su altura máxima y por tanto bien dentro de su curva en lugar de en su extremo. Y el campo de paneles sigue la regla de catálogo de 1.3 veces la potencia de la bomba como mínimo, así que 1300 W quieren al menos 1690 W de campo, con la tensión de circuito abierto de la serie por debajo del límite del controlador para la familia de 110 V. La guía de dimensionado de cable es lo siguiente que comprobar, porque el mismo espacio anular que aprieta la bomba también determina qué tan grueso puede bajar un cable, y la caída de tensión en un emplazamiento profundo es lo que te roba el caudal en silencio.

Cómo ajustar la gama Trista a la entubación que ya tienes

Nuestro catálogo se organiza por diámetro de cuerpo, lo que significa que el nombre de la serie ya te dice el tamaño de entubación que necesitas. Esto es deliberadamente lo primero que mirar, antes de la potencia, antes de la altura y antes del precio:

Una nota sobre las líneas 6DSC y 8DSC: el diámetro de cuerpo fija la entubación, y la entubación no escala amablemente. Una bomba de 6 pulgadas necesita una entubación de 8 pulgadas. Si tu pozo es de 6 pulgadas, la mayor sumergible que cabe cómodamente es un modelo de 4 pulgadas, y por eso las líneas 4/6DSC y 4DSC llevan gran parte del rango de caudal entre 3.5 y 30 m3/h. Cualquiera que tenga un pozo de 6 pulgadas y quiera 40 m3/h tiene un problema de perforación, no de bomba.

Una ilustración contundente de cuánto importa el tamaño de la entubación en el extremo de alto caudal procede de una curva medida que publicamos para 4/6DSC30-19-72-1100, uno de los modelos con una curva de un solo modelo medida de verdad en lugar de una curva de serie compartida:

En su extremo de diseño esta bomba mueve más de 30 m3/h, lo que basta para mantener fresca una motor de 4 pulgadas incluso en una entubación de 12 pulgadas. En el extremo opuesto de la misma curva mueve medio metro cúbico por hora, lo que no basta para refrigerar ese motor en nada más ancho que un agujero de 5 pulgadas. El modelo es el mismo. Se movió el punto de operación. Por eso el cálculo de refrigeración debe hacerse en tu punto de servicio real, no en el caudal máximo de la bomba.

Una vez que la entubación ha decidido el diámetro de cuerpo, elegir dentro de esa serie es un ejercicio ordinario de dimensionado y la guía de dimensionado y el cálculo de la altura manométrica total te guían. Si la altura que necesitas es inusualmente grande para el diámetro de cuerpo con el que te has quedado, la guía de pozo profundo de alta altura trata ese trueque concreto, y si el agujero es demasiado pequeño para cualquier sumergible, la respuesta honesta puede ser una bomba de superficie o un arreglo de toma en lugar de una bomba mayor, que la comparación de bombas sumergibles y de superficie expone.

Qué medir antes de comprar nada

Todo lo anterior se reduce a una corta lista de medidas y un cálculo. Hazlos en este orden, porque los primeros cambian los últimos.

Dos hábitos hacen que todo esto sea barato. Mide y anota el diámetro interior de la entubación antes de preseleccionar una bomba, no después de que llegue la bomba. Y cuando un pozo es heredado, sobreexplotado o tiene más de diez años, gasta el dinero en un reconocimiento de fondo antes de gastarlo en hardware. Una pasada de cámara y un registro de verticalidad cuestan una fracción de un motor, y responden la pregunta que una ficha técnica no puede: si la bomba que quieres llegará de verdad al agua.

Si prefieres delegar la aritmética, envíame el tamaño de la entubación, la profundidad de emplazamiento, la altura y el caudal que necesitas y volveré con el diámetro de cuerpo que encaja, la velocidad en tu punto de servicio, si necesitas una camisa, y un modelo de la gama que coincida.

¿No estás seguro de que tu pozo aceptará la bomba que quieres? Introduce tu diámetro interior de la entubación, la profundidad de emplazamiento, el caudal y la altura manométrica total en la herramienta de dimensionado y comprobará la velocidad del espacio anular por ti, o escríbeme por WhatsApp con tu diámetro interior de la entubación, la profundidad del pozo, el nivel estático del agua, el caudal necesario y la altura manométrica total, y te diré qué diámetro de cuerpo encaja, si el motor se mantendrá fresco y qué modelo pedir.