La importancia de una bomba en el sistema HVAC

De todos los componentes de un sistema HVAC, las bombas centrífugas son uno de los más importantes, ya que, de ser mal seleccionadas, pueden echar a perder un buen diseño. Para la buena selección de una bomba, es vital conocer y entender su curva de desempeño.

Karla Real Méndez.

La curva de una bomba centrífuga no solamente dice en qué punto (carga y flujo) trabaja el equipo, sino que indica qué tan eficientemente lo hace, cuánta potencia requiere para hacerlo y cómo se comportará el equipo en condiciones distintas a las de diseño. Toda la información que aparece plasmada en la curva es específica para cada bomba en particular: su tipo, modelo, tamaño, sus revoluciones por minuto y el fluido que manejarán.

La información que se utiliza para generar las curvas de desempeño de las bombas centrífugas se obtiene en un laboratorio, en donde se realiza una extensa lista de pruebas al equipo, bajo diferentes condiciones de operación. Para ello, se usa una misma voluta y varios impulsores de distintos tamaños. Estas pruebas en Estados Unidos las establece el Hydraulic Institute, y los fabricantes importantes de bombas se apegan a estos estándares.

Flujo y carga
Lo primero que se observa en una curva es que representa la carga de la bomba y el flujo que maneja. Antes de empezar a describir la curva como tal, es importante hablar un poco del concepto de carga. Lo que hace una bomba es generar un diferencial de presión antes y después de ella. En un sistema hidrónico cerrado, la función de la bomba es unicamente abatir la pérdida de presión debida a la fricción en el sistema de tuberías. Sólo eso. El diferencial de presión que genera la bomba se irá perdiendo durante el recorrido que hace el agua en todo el sistema y se acabará justo cuando el agua llegue otra vez a la succión de la bomba.

En la Gráfica 1 se observa, en el plano de las abscisas (horizontal), el flujo que maneja la bomba, en este caso GPM (galones por minuto). En el plano de las ordenadas (vertical) está la carga.

Es importante mencionar que las curvas utilizan pies (ft) o metros como unidades de carga. Pero, ¿por qué utilizar estas unidades en lugar de PSI (libras / pulgada²) u otra unidad de presión?

Los fabricantes de bombas emplean estas unidades para utilizar la misma curva para líquidos con diferentes densidades. Por ejemplo, si las unidades de carga estuvieran en PSI, para distintas temperaturas del agua se tendrían que usar diferentes curvas. Esto significa que, de la manera en que las unidades de carga se presentan, se podrá utilizar una curva para seleccionar una bomba para un sistema de agua helada y, además, echar mano de la misma curva para seleccionar otra bomba que trabaje en un sistema de agua caliente. Las curvas de las bombas son independientes de la diferencia de densidades en los fluidos que la bomba pueda llegar a manejar. Si la densidad no cambia, no hay problema.

Hay que tener cuidado cuando se trabaje con fluidos de diferente viscosidad. Una curva generada con bombeo de agua no puede ser usada de la misma manera si lo que queremos es bombear aceite. Necesita considerarse la diferencia de viscosidades y ajustar los datos a la aplicación real. Esto se debe a que fluidos con mayor viscosidad requieren más trabajo para ser bombeados.

Eficiencia
La eficiencia de una bomba es una comparación de la potencia que el motor eléctrico le aplica a la bomba (también llamada Potencia al Freno) y la potencia que la bomba le aplica finalmente al agua. Como se sabe, no existen las máquinas ciento por ciento eficientes, así que siempre existirá una diferencia entre estos dos datos. Si se pudiera tabular y graficar la eficiencia de una bomba a diferentes gastos, se vería un comportamiento como el mostrado en la gráfica 2.

En la Gráfica 2 se muestra que cuando la bomba tiene muy poco flujo su eficiencia es muy baja, y conforme el flujo aumenta, la eficiencia lo hace también. Sin embargo, llega un momento en que después de alcanzar un punto máximo la eficiencia volverá a descender. Al punto en donde la eficiencia alcanza su valor más alto se le conoce como Punto de Máxima Eficiencia (BEP, por sus siglas en inglés), que es la condición de flujo para la cual la bomba tendrá las menores pérdidas. En el resto de la curva de eficiencia se observa que siempre existirán dos flujos diferentes que nos darán el mismo valor de eficiencia, uno antes del BEP y uno después. ¿A qué se debe esto? Primero, hay que analizar lo que pasa antes del BEP.

Lo que pasa antes del BEP
Recordemos que dentro de la bomba hay un impulsor redondo rotando dentro de una voluta. Bien, entre estas dos piezas existe un espaciamiento que es necesario para que el impulsor rote libremente dentro de esta voluta. Cuando la bomba opera muy a la izquierda de la curva, se maneja un flujo muy lento a través del espaciamiento entre el impulsor y la voluta, de modo que existe una gran recirculación del agua dentro de la bomba.

Recirculación es sinónimo de baja eficiencia; de modo que, al operar en estas condiciones, el BEP estará muy lejos. Si se va aumentando el flujo (es decir, avanzamos hacia la derecha en la curva), éste se va acelerando y existe menos recirculación, por lo que la eficiencia se incrementará. Llegará un momento en que el flujo que manejemos será exactamente el que corresponde al espaciamiento que se menciona; cuando así sea, se alcanzará el BEP de la bomba. Ahora, ¿qué sucede cuando se aumenta el flujo?

Después de alcanzar el BEP, si se sigue en movimiento hacia la derecha en la curva, aumentando el flujo, debido a que el espaciamiento sigue siendo el mismo, la velocidad del agua aumentará y junto con ella las pérdidas a través del espaciamiento, las cuales seguirán incrementándose al acercarse más al final de la curva de la bomba. En resumen, a la izquierda del BEP la eficiencia disminuye, debido al recirculamiento del agua, y a la derecha de la bomba las pérdidas por fricción a través del espaciamiento reducen la eficiencia.

En las curvas que normalmente muestran los fabricantes, las de eficiencia son constantes. Esto significa que a lo largo de cada una de estas pequeñas curvas se tendrá la misma eficiencia.

En la gráfica 3 se observan también varias curvas en vez de una sola. Cada una de éstas representa el desempeño de la bomba a diferentes tamaños de impulsor. Al analizarlas, junto con las de eficiencia, se muestra que el BEP se alcanza cuando la bomba trabaja con el impulsor más grande posible para esa voluta. Cuando se considera esto, se podría pensar que no es correcto recortar el impulsor de la bomba, ya que se está perdiendo eficiencia cuando esto se provoca.

Sin embargo, a pesar de que la eficiencia de la bomba es un parámetro de mucho peso específico al momento de realizar una selección, no es lo más importante ni lo único que hay que considerar. Si se selecciona una bomba con un impulsor más grande del que se necesita, tratando de cuidar la eficiencia, al momento de que la bomba opere dará más flujo del requerido, y se tendrá que cerrar la válvula multipropósito para estrangular la bomba y consumir de este modo el trabajo en exceso que se le aplicó en el agua.

Entonces, el costo de la energía para proveer este consumo innecesario, que se terminará desperdiciando, es mucho más importante que las pérdidas de eficiencia debidas al recorte del impulsor. Es por eso que el recorte del impulsor es una práctica muy común y aceptable. De hecho, muchas veces, es la mejor decisión.
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Karla Real Méndez
Egresada de la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Autónoma de Baja California. Cuenta con más de 10 años de experiencia en la industria del aire acondicionado, siete de ellos en el diseño de sistemas industriales HVAC. Impartió la materia de Aire Acondicionado Industrial en la Universidad Autónoma de Baja California de 2004 a 2009. Forma parte de la 13va generación del “Seminario de Especialistas” de 8 semanas en la Little Red School House de Bell & Gossett, en Morton Grove, IL.