Las bombas centrífugas suelen ser elementos que se utilizan en sistemas de aire acondicionado o en sistemas hidrónicos, y para su correcto funcionamiento se deben tomar en cuenta operación, uso de energía y mantenimiento, ya que esos representan hasta el 75 % del costo total de la inversión
Por Héctor Hernández Castillo
Las bombas centrifugas en los sistemas HVAC son consideradas el corazón del sistema, ya que sin ellas no se tendría disponible el agua en donde se necesita en condiciones de gasto y presión. Realizar una adecuada selección es muy importante pues de lo contrario puede resultar en un mal funcionamiento. En una selección adecuada hay que considerar parámetros como son el gasto, la presión, la Carga Neta de Succión Positiva (NPSH, por sus siglas en inglés), la eficiencia y la potencia.
Los costos de inversión de los proyectos son muy variables y dependen de una serie de factores como el tipo de edificación, qué tipo de sistema se está pensando implementar (aire, agua o un sistema combinado agua-aire); si se tiene planeado buscar una certificación en ahorro de energía, ¿cuál es el nivel de certificación que se esté buscando?; tipos de materiales utilizados; condiciones de mercado de equipos y materiales; el tipo de tecnología que se quiere adquirir; si se tiene considerado un sistema de control, entre otros.
El contar con todos o algunos elementos hacen que el costo pueda variar sustancialmente en cada proyecto. Por ejemplo, los costos de operación, energía y mantenimiento representan, aproximadamente, el 75 % del precio total de la vida de una bomba centrifuga. Sin embargo, en los últimos años se ha hecho especial énfasis en la reducción del consumo de energía, impulsado, sobre todo, por regulaciones gubernamentales y las empresas, que buscan la eficiencia en la operación y la salud financiera. Por ello, cada vez más, los diseñadores de sistemas HVAC realizan proyectos encaminados a maximizar la eficiencia de los equipos.
En este sentido, antes de seleccionar una bomba, debemos cuestionarnos lo siguiente:
- ¿Cómo se comportará el sistema cuando suceda alguna situación en particular?
- ¿En dónde se colocará?
- ¿Qué beneficios tiene al encontrarse en esa ubicación?
Durante el proceso de selección de la bomba debemos considerar las características del proyecto, puesto que en algunas ocasiones no es posible utilizar unidades de bombeo que generen grandes ahorros energéticos, debido a que el sistema no lo permite. Un ejemplo son los Data Centers, lugares donde los servidores trabajan las 24 horas los 365 días del año. Aquí, todo el tiempo la carga térmica es la misma. Otro ejemplo son os laboratorios farmacéuticos, donde la temperatura de los cuartos debe ser constante para mantener los medicamentos.
Los costos de operación, energía y mantenimiento representan, aproximadamente, el 75 % del precio total de la vida de una bomba centrifuga”
Héctor Hernández, Gerente de Ingeniería y Gestión de Proyectos
para PICSA Bombas y Sistemas
Existen aplicaciones, como hoteles, edificios de oficinas, escuelas o bancos, en los que las bombas instaladas operan a carga variable, de acuerdo con las necesidades de flujo y la carga térmica en diferentes horas del día. Esta práctica contribuye a que la mayoría de los sistemas funcionen con bombas sobredimensionadas, lo que las lleva a ser ineficientes. Por ello, es fundamental realizar un buen diseño, adecuado del sistema para minimizar los costos de energía.
Sea cual sea el caso, no hay que dejar que el factor “miedo” nos haga sobredimensionar los equipos de bombeo. Existen prácticas simples, como dividir el flujo del sistema en dos, tres o hasta cuatro bombas (pueden estar operando a velocidad constante o a velocidad variable) que pueden ser más benéficas a largo plazo.
En este punto, es necesario revisar con líder del proyecto si es posible reducir el flujo de agua del sistema, ya que esto nos ayudará a obtener un ahorro en las bombas. Una forma de reducir el flujo de líquido es aumentando el diferencial de temperatura del sistema, ya que los galones por minuto (GPM) son inversamente proporcionales a éste.
A continuación, se señalan algunos puntos que deben considerarse:
- Se debe seleccionar una bomba que trabaje cerca del punto de máxima eficiencia. Este punto cae en general en el rango medio de las capacidades de flujo de la bomba
- Para sistemas hidrónicos, es preferible seleccionar una bomba que trabaje a 1 mil 750 revoluciones por minuto (rpm) en lugar de 3 mil 500 rpm. A esta última velocidad se puede usar una bomba más pequeña, pero la de alta velocidad ocasiona mayores niveles de ruido
- No se aconseja seleccionar una bomba que trabaje cerca de su capacidad máxima, aun cuando esto conlleve elegir una bomba más pequeña. Si el flujo del sistema que realmente se requiere es mayor que aquel para el que se diseñó, la bomba no tendrá la capacidad adicional necesaria. Lo mejor es seleccionar una bomba cuya capacidad esté cerca del 50 al 75 % del flujo máximo
- En los sistemas hidrónicos, se recomienda que se usen las bombas con curvas características de carga flujo plana. Si hay una gran variación en el flujo, habrá una variación pequeña en la carga de la bomba. Esto hace más fácil el balanceo y control de los flujos
El Instituto de Hidráulica ha definido el Rango de Operación Preferido (POR, por sus siglas en inglés) como un rango de flujos en ambos lados del Punto Mayor de Eficiencia de la Bomba (BEP, por sus siglas en inglés), en el que la eficiencia hidráulica no es degradada. Por su parte, el POR se extiende del 70 al 120 % del BEP, generalmente.
Cuando una bomba opera fuera de su rango de eficiencia, incrementa la probabilidad de falla, lo cual podría generar cavitación, una condición ruidosa y dañina causada por la formación y colapso de burbujas de vapor en el impulsor de la bomba y sobrecarga del motor de la bomba. A largo plazo, el daño mecánico puede resultar mayor cuando ocurre cualquiera de las siguientes condiciones:
- Aumento excesivo de la temperatura
- Incremento de vibración
- Incremento de ruido
- Carga Neta de Succión Positiva
- insuficiente y de recirculación
- Reducción en la vida útil de los baleros
- Reducción en la vida útil del sello mecánico
- Alto consumo de energía eléctrica
- Desalineación de las tuberías
Para visualizar una diferencia en los consumos eléctricos de la unidad de bombeo, es necesario hacer todas las corridas de selección, revisando todas las posibles opciones o combinaciones que pudieran presentarse durante la operación del sistema. Esto nos dará la flexibilidad de poder hacer diseños que salgan de lo común.
Considerando que la mayor parte del día los equipos de bombeo trabajan a carga parcial, podemos hacer el cálculo del valor de la eficiencia de carga parcial (PLEV), desarrollado por el instituto de Refrigeración, Calentamiento y Aire Acondicionado (AHRI) AHRI550/590 1998; este valor puede ser tomado como punto de referencia para la selección de una bomba.
Este cálculo proporciona la especificación más precisa de una bomba centrifuga a flujos parciales, al tiempo que ayuda a eliminar el sobredimensionamiento asociado a menudo con el diseño del sistema.
La fórmula probada describe la eficiencia del equipo mientras se opera a diferentes capacidades de un sistema enfriador, y es crucial en el soporte del uso de energía y los costos de operación a través del tiempo de vida del sistema.
La ecuación PLEV es como sigue:
Donde A, B, C y D son los valores de eficiencia de la bomba al 100 , 75 , 50 y 25 % del flujo y el correspondiente valor de carga en la curva de control.
Basados en la ecuación, durante cualquier año dado, la bomba operará al ciento por ciento del flujo (punto de operación) sólo 1 % del año; 75 % del flujo, 42 % del año; 50 % del flujo, 45 % del año y 25 % del flujo, 12 % del año.
El subíndice denota operación a velocidad variable con la carga de control, calculada dentro de un circuito crítico del sistema. La guía de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés) 90.1-2013 requiere que la pérdida de carga total en el sistema sea calculada considerando también la carga fija de la zona crítica. Ese valor de carga es el que debería utilizarse, ya que representa un cálculo más preciso, el cual se reflejará en el análisis de costos.
La mayoría de los sistemas de calentamiento y enfriamiento son circuitos cerrados y requieren un diferencial constante de carga en todo momento, necesario para el control del sistema y para asegurar que el diferencial necesario de carga, a través de cualquier subcircuito, sea mantenido durante la operación.
El PLEV puede ser utilizado para comparar con precisión las bombas de diferentes fabricantes e identificar la eficiencia operativa total. Al considerar el 30% de la Carga Dinámica Total (TDH), o la carga de control mínima calculada dentro las Hojas Técnicas de las bombas, dentro del proceso de especificación, asegurarán una comparación equitativa entre fabricantes.
PLEV y BEP
El PLEV proporciona a los diseñadores de sistemas más oportunidades de seleccionar bombas a la derecha del BEP, siempre y cuando la pérdida de carga sea calculada con precisión. Las selecciones de bomba a la derecha del BEP pueden tener un PLEV mayor que otras selecciones, porque el perfil de carga es fuertemente ponderado en las horas de operación a 75 y 50 % de la operación. Estos puntos de perfil de carga representan 87 % de las horas de operación.
Sí las pérdidas de carga del sistema han sido estimadas, y una selección es hecha a la derecha del BEP, existe un riesgo de que la bomba opere afuera del rango de operación aceptable. En el peor escenario, la bomba puede operar fuera de la curva. Las directrices de ASHRAE prefieren selecciones de bombas entre 85 y 105 % del BEP.
En la selección de una bomba para un sistema abierto, el PLEV podría no ser un criterio clave debido a la Carga Neta de Succión Positiva requerida (NPSHr). La selección a la derecha del BEP generalmente incrementa el NPSHr.
El PLEV puede ser considerado como un factor en la selección de dos bombas en paralelo, pero los usuarios deben evaluar cuidadosamente el requerimiento para un punto de intersección entre la curva de una sola bomba y la curva del sistema. El riesgo de seleccionar una bomba con un PLEV mayor o la derecha del BEP incrementará la probabilidad de que la curva de la bomba sola no tenga un punto de intersección. En general, el seleccionar bombas a la izquierda del BEP en sistemas de bombas en paralelo múltiples sigue siendo una práctica recomendada para minimizar los costos operativos en conjunto.
Utilizar nuevas tecnologías
La nueva tecnología se encuentra en la forma de cómo se controla, se miden las variables y se monitorea el sistema de bombeo. Hay tecnologías de variadores de velocidad conectados a una serie de sensores hasta variadores sin la necesidad de ningún sensor y totalmente automatizados, a través de un sistema de control BMS, donde se elaboran registros y reportes, para que se puedan visualizar muy fácilmente los consumos de energía en un periodo de tiempo definido. Comúnmente se monitorea el flujo del sistema, las presiones, las temperaturas de suministro y retorno y la energía eléctrica consumida.
Por último, cuando se implementa un sistema de control, se debe considerar la capacitación de las personas que estarán a cargo de la operación.
El ser humano tiende a rechazar lo desconocido, y si no existe una capacitación, es muy probable que nuestro proyecto termine siendo operado en forma manual, con una secuencia de operación implementada por el encargado de mantenimiento. Evidentemente, la persona que realiza este mantenimiento no es la culpable, simplemente no recibió la información adecuada y prefiere proteger a los equipos y dar resultados, a luchar contra algo que no conoce.
