La importancia de una bomba en el sistema HVAC (segunda parte)

En la edición anterior, se revisaron algunos de los aspectos más importantes para la correcta selección de una bomba centrífuga y de los inconvenientes que suelen suscitarse cuando los parámetros no se dimensionan del modo adecuado. El tipo de motor y su potencia, así como el fenómeno de la cavitación, se consideran en esta entrega, como parte imprescindible para el diseño y la elección precisa de este vital componente.

Es importante recordar que cada caso debe analizarse por separado para elegir la mejor opción.

Karla Real Méndez.

Una vez que se han evaluado las curvas que representan el flujo que maneja una bomba centrífuga, la carga, la eficiencia que muestra bajo diferentes condiciones de trabajo y su punto de máxima eficiencia (BEP, por sus siglas en inglés), es sumamente necesario tomar en consideración algunos aspectos adicionales que influyen en su desempeño.

Motor y caballaje
Otra de las decisiones que hay que tomar es la selección del motor. Para hacer esto más sencillo, es práctica común que los fabricantes incluyan en sus curvas líneas que representan la potencia al freno requerida para lograr ciertas combinaciones de carga, flujo y eficiencia.
Cuando se selecciona un motor es posible hacerlo desde dos enfoques diferentes. El primero y más utilizado es el de la selección en el Punto de operación (Duty Point). Seleccionar un motor con base en el Punto de operación es muy sencillo: simplemente se ubica en la curva el flujo y la carga que se tiene como dato de diseño, y se selecciona la primera línea de caballaje a la derecha del punto de operación. ¿Qué pasa si el punto de operación queda exactamente a la mitad de dos líneas de caballaje? Se selecciona la línea a la derecha. Incluso, aunque se encuentre mucho más cerca de una línea de caballaje a la izquierda, no es buena idea seleccionar este motor más próximo, ya que, cuando se opere según diseño, el motor no será capaz de proporcionarle a la bomba el trabajo que requiere para operar según lo planeado.

Ahora, en el caso de que se revise y este motor se encuentre mucho más cercano del punto de operación que está a la izquierda, podría funcionar si se considera utilizar para esta elección el factor de servicio del motor (FS). Mala idea. Este factor de servicio, que por lo regular es del 15 % del valor de placa del motor, no debe utilizarse para operar continuamente a una condición como ésta. El fabricante del motor deja este valor extra como factor de servicio para cuando existan variaciones en el suministro de los voltajes, desbalance de fases, enfriamiento inapropiado del motor, etcétera. Así que, si se utiliza el FS para operar constantemente la bomba, el sistema se quedaría sin esa protección.

Es verdad que los motores cuentan también con una protección térmica que evitará que se queme aunque se encuentre trabajando en el FS; pero, cuando el protector térmico se active, la bomba se apagará. Esto puede resultar en graves problemas y molestias para el usuario final, quien deberá esperar que el motor se enfríe para volver a arrancar el equipo. Por ello, no es recomendable seleccionar motores considerando el FS.

El otro enfoque para elegir un motor es cuando se selecciona para evitar que se sobrecaliente (Non Overload). Si se seleccionara un motor considerando solamente su punto de operación, tal y como se presentó más arriba, el sistema estaría trabajando sin problema hasta que alguien abriera una válvula que no estaba 100 % abierta y el flujo aumentase. ¿Qué sucede entonces? Al incrementarse el flujo, la eficiencia bajaría hacia la derecha de la curva, lejos del punto de operación, y se correría el peligro de demandarle al motor más de lo que puede dar. En situaciones como ésta, seleccionar el motor para que no se sobrecaliente evitará que surjan determinados problemas.

Para seleccionar un motor como Non Overload, se debe buscar el caballaje más grande al final de la curva de la bomba en ese tamaño de impulsor. Por ejemplo, al observar la curva, si se tiene un impulsor de 11 pulgadas de diámetro y se quiere seleccionar la bomba con un motor sin sobrecalentamiento, se debería especificar un caballaje de al menos 10 hp. Esto dará la tranquilidad de saber que se puede operar en cualquier punto de la curva, sin temor de sobrecalentar el motor.

Entonces, ¿es necesario seleccionar siempre los motores como Non Overload? No, no siempre. Todo depende del tamaño del motor y del tipo de sistema. Normalmente, las recirculadoras pequeñas vienen de fábrica con motores Non Overload; así que no debe representar una preocupación.

Para las bombas más grandes, es preciso seleccionar el motor uno mismo cada vez que se seleccione una bomba; por ello, es importante entender las repercusiones de seleccionar un motor con base en el Punto de operación o Non Overload. Quizás, cuando se trate de motores pequeños no exista mucha diferencia y sea una buena opción seleccionar los motores para evitar su sobrecalentamiento; pero en bombas de tamaño considerable, donde la diferencia entre un motor y otro puede llegar a ser 50 hp, quizás no sea justificable el motor Non Overload. Cada caso debe analizarse por separado, siempre visualizando todos los posibles escenarios.

NPSHR y cavitación
Uno de los puntos más importantes de la selección de una bomba es prevenir su daño una vez que se instale y comience a operar. Vale la pena señalar que no se está hablando de un daño ocasionado por una mala instalación o mal uso del equipo. Una bomba mal seleccionada puede estar destinada a dañarse irremediablemente, incluso antes de haberse fabricado. ¿Cómo es esto?

Una más de las líneas características que aparecen en la curva de una bomba es la que indica el valor de Net Positive Suction Head Required (NPSHR) o Carga Neta Positiva Requerida en la Succión. Este valor está dado en pies o metros, y puede observarse que en la parte central de la curva es relativamente bajo; sin embargo, conforme aumenta el flujo, el valor del NPSHR aumenta considerablemente (ver Gráfica 3). Este factor indica la carga mínima que debe existir en la succión de la bomba todo el tiempo para evitar que ésta se dañe debido a un fenómeno llamado cavitación.

Cuando el agua entra en la bomba, al llegar al ojo del impulsor existe una ligera baja de presión debida a pérdidas por fricción, el choque del cambio de dirección del agua y la aceleración del fluido, entre otros aspectos. Es preciso tener cuidado de que dicha presión no baje mas allá de la presión de vaporización del agua. Si esto sucede, parte del agua se evaporará y se formarán pequeñas burbujas de vapor; una vez que éstas viajen a través de la bomba, la presión aumentará y las burbujas colapsarán, causando ruido y daño interno en la bomba. A este proceso de dos pasos (la formación y el colapso de las burbujas de vapor) es a lo que se denomina cavitación. Este fenómeno es sumamente dañino para el equipo de bombeo y puede dejar inservible una bomba en un tiempo relativamente corto.

Al valor de carga que indica la curva, según el flujo que maneje la bomba, se conoce como NPSH Requerido. Este es el valor que se requiere mantener siempre como mínimo para evitar la formación de burbujas; una vez seleccionada la bomba, está determinado y no es posible hacer nada para cambiarlo. Sin embargo, existe otro concepto relacionado: el NPSH Disponible (NPSH Available). Este valor se define como la carga que realmente existe en la succión de la bomba en el sistema ya instalado y operando. El diseñador puede jugar con este valor y puede realizar cambios en el sistema para estar seguro de que su NPSH Disponible es mayor que el Requerido (siempre debería ser así).

¿Qué puede hacerse para aumentar el NPSH Disponible? Varias cosas; por ejemplo, presurizar el sistema. Para esto se precisa el apoyo del tanque de expansión. Si de algún modo fuera posible reducir la temperatura del agua, eso disminuiría la presión de vaporización del agua. Aumentar la distancia vertical entre la bomba y el punto más alto del sistema también sirve de ayuda. El análisis del NPSH es más crítico en sistemas abiertos que en cerrados, y nunca debe subestimarse la importancia de la cavitación.

Como se observa, entonces, la curva de la bomba es una herramienta sumamente completa de donde es posible obtener información vital de la bomba, de modo que se predigan comportamientos e incluso se eviten daños en el equipo. De hecho, la curva puede servir también para diagnosticar problemas en la bomba y el sistema, si se sabe y se entiende cómo utilizarla.

Para la selección de la bomba, se recomienda tratar de estar en la parte central de la curva, no muy a la derecha ni muy a la izquierda. Tampoco es recomendable seleccionar una bomba con su impulsor más chico posible (recortado); esto porque si más adelante hay que hacer algún ajuste ya no habrá posibilidad de hacerlo recortando el impulsor. Es necesario recordar que una bomba que trabaja con el impulsor recortado reduce su eficiencia.
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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.