En esta sección se incluyen las bombas normalmente utilizadas en sistemas HVAC.
CONTENIDO
1 - CURVAS DE UNA BOMBA
El rendimiento de una bomba centrífuga se muestra como un conjunto de curvas de rendimiento. En estas se representa en función del caudal:
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la altura,
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el consumo,
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el rendimiento y
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el NPSH
Nota: La potencia y el rendimiento mostrados en una curva no suele incluir la potencia del motor, solo de la bomba, valor conocido como P2.
Algunas bombas con motor y variador incorporado si pueden hacer referencia al valor P1. En cualquier caso siempre se debe consultar.
CURVA QH
Muestra la altura, expresada en m.c.a. (metros columna de agua) que puede dar la bomba a distintos caudales. Dar este valor en metros tiene la ventaja que la curva QH no se ve afectada por el tipo de fluido. Ver más
Esta curva se solapa con la curva del circuito y en el punto de unión se tiene el punto de trabajo de la bomba.
La curva del circuito indica que la pérdida de carga es proporcional con el cuadrado del caudal y la relación de ambos determina el Kv del circuito. Ver más
CURVA RENDIMIENTO
Es la relación entre la potencia que la bomba entrega al agua y la potencia de entrada a la bomba, P2.
donde:
ρ es la densidad del líquido en kg/m3 ,
g es la aceleración de la gravedad en m/s2 ,
Q es el caudal en m3 /s y
H es la altura en m.
Para agua a 20º C y Q medido en m3 /h y H en m, la potencia hidráulica Ph en KW, se puede calcular como:
Ph = 2,72 x Q x H
El rendimiento depende del punto de servicio de la bomba. Es importante seleccionar una bomba que se ajuste a los requisitos de caudal y garantice que la bomba trabaje en el área de caudal más eficiente.
CURVA DE CONSUMO P2
El consumo de la bomba, aumenta según aumenta el caudal
NPSH (Altura de aspiración positiva neta)
Es la presión absoluta mínima que debe haber en el lado de aspiración para evitar la cavitación. Se mide en metros y depende el caudal Ver más
2 - TIPOS DE BOMBAS, INLINE Y ASPIRACIÓN AXIAL
En los sistemas de HVAC, las bombas más utilizadas son:
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Las bombas inline, monocelular de acoplamiento corto
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Las bombas de aspiración axial monocelular, tanto acoplamiento corto como largo
Definiciones de bombas:
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Bomba de aspiración axial = El líquido va directamente al impulsor. La entrada y la salida tienen un ángulo de 90°.
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Bomba en línea = El líquido pasa directamente a través de la bomba en línea. La tubería de aspiración y la tubería de descarga se colocan enfrentadas entre sí y se pueden montar directamente en el sistema de tuberías
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Bombas con cámara partida= Bomba con alojamiento dividido longitudinalmente.
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Bomba horizontal = Bomba con el eje en horizontal
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Bomba vertical = Bomba con el eje en vertical
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Bomba monocelular = Bomba con un solo impulsor.
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Bomba multicelular = Bomba con varias células acopladas en serie.
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Bomba con acoplamiento largo = Bomba conectada al motor mediante un acoplamiento flexible. El motor y la bomba tienen estructuras de cojinetes separadas.
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Bomba con acoplamiento corto = Bomba conectada al motor por medio de un acoplamiento rígido.
3 - INSTALACIÓN DE BOMBAS
En el manual de Grundfos, se tiene el siguiente resumen de las posiciones de las bombas en función de la ubicación y del tipo de bomba:
En cuanto a la valvulería que debe llevar dotada la bomba:
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Aspiración
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Llave de corte
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Filtro
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Manguito antivibratorio
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Reducción excéntrica
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Manómetro [*]
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Descarga:
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Reducción concéntrica
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Válvula antirretorno o retención
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En función del diámetro y para evitar golpe de ariete, se recomienda la utilización de [**]
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Clapeta, recomendadas para diámetros inferiores a DN32
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Válvulas de retención de disco o de disco partido, con muelle de retorno, para diámetros inferiores a DN 150
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Motorizadas o de disco para diámetros superiores a DN150
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Llave de corte
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Manómetro [*]
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[**] Para proyectos RITE, la recomendación pasa a cumplimiento de la IT 1.3.4.2.7 Golpe de ariete
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[*] Entre la aspiración y descarga de la bomba, se debe instalar un juego de manómetros para comprobar la diferencia de altura. Se recomienda que sea un conjunto diferencial, ya que con el juego de llaves permite leer la presión de aspiración, de descarga y la diferencia con un sólo manómetro.
En la figura superior, se represente el esquema de conexión típico de componentes de una bomba.
En la figura de la derecha se detalla las 2 formas de instalación de manómetros en una bomba.
Plantasdefrioycalor.com recomienda la segunda instalación, un puente manométrico, ya que permite la medida de presión diferencial, y con un sólo medidor que de la otra forma podría ser que tuviesen distinto tarado.
En sistemas abiertos, el manómetro de aspiración suele medir 0 a no ser que la columna de líquido sea superior a la presión atmosférica + presión de aspiración.
En cualquier caso, la instalación de manómetros debe incluir un robinete o comunmente conocido como "rabo de cerdo".
Cuando se tiene un tandem de bombas en paralelo, se recomienda la conexión de la ilustración inferior, así queda el sistema equilibrado.
En la conexión de las bombas, se debe evitar la medida de lo posible la acumulación de burbujas de aire (Ver N.P.S.H). La siguiente figura muestra recomendaciones de conexión de aspiración de bombas.
4 - ALTURA VS PRESIÓN
Altura de bombeo y presión de bombeo son dos términos distintos aunque a veces se utilizan indistintamente.
La altura de una bomba es una forma de expresar a qué altura puede elevar un líquido la bomba.
La altura se mide en metros (m) y es independiente de la densidad del líquido.
La siguiente fórmula muestra la relación entre presión (p) y altura (H):
H = p / ρxg
donde :
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H es la altura en [m]
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p es la presión en [Pa = N/m2 ]
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ρ es la densidad del líquido en [kg/m3 ]
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g es la aceleración de la gravedad en [m/s2 ]
Normalmente, la presión p se mide en [bares] (1 bar = 10^5 Pa. aunqiue hay otras unidades de medida.
En el siguiente gráfico se muestra de forma visual la altura de bombeo de distintos fluidos para la misma presión de bombeo:
5 - NPSH
El NPSH es otro de los valores que definen las características de una bomba, del inglés "altura de aspiración neta positiva" y se define como la diferencia entre la presión de entrada y el nivel de presión más bajo dentro de la bomba.
Un sistema de bombeo tiene una NPSH que se define simplemente como la presión absoluta disponible a la boca de entrada de la bomba Pe (boca de succión) menos la presión de saturación correspondiente a la temperatura del fluido Ps y se denomina NPSH disponible (NPSHd):
NPSHd = Pe - Ps
El valor de NPSH indica hasta qué grado la bomba no es capaz de crear un vacío absoluto, esto es, elevar una columna de agua 10,33 m por encima del nivel del mar.
NPSH se puede denominar NPSHr (requerido) o NPSHa (disponible).
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NPSH requerido es la altura de aspiración requerida para la bomba
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NPSH disponible es la altura de aspiración disponible en el sistema
No tener en cuenta el NPSH de la bomba y de la instalación, puede dar lugar a fenómenos de cavitación. Las más evidentes manifestaciones de la cavitación en una bomba son el ruido y las vibraciones a las que siguen la pérdida de caudal o, en casos graves, la destrucción del rodete de la bomba.
6 - LEYES DE AFINIDAD
Las leyes de afinidad de una bomba centrífuga permiten calcular puntos de trabajo en unas condiciones distintas a partir de otras:
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El caudal varia de forma proporcional con la velocidad de rotación
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La presión varia con el cuadrado de la velocidad de rotación
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El consumo varia con el cubo de la velocidad de rotación
Las leyes de afinidad son útiles para estimar el rendimiento de la bomba a diferentes velocidades de giro o diámetros de impulsor D, basándose en una bomba con características conocidas. Las dos variaciones siguientes pueden ser analizadas mediante estas relaciones:
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Cambiando la velocidad y manteniendo constante el diámetro del impulsor el rendimiento de la bomba sigue siendo el mismo, pero la presión, la capacidad y la potencia varían según las leyes de afinidad.
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Cambiando el diámetro del impulsor y manteniendo constante la velocidad el rendimiento de una bomba no se ve afectado si el diámetro del impulsor se modifica en menos de un 5%. Sin embargo, el rendimiento cambia si el tamaño del impulsor se reduce lo suficiente como para afectar a el espacio libre entre la carcasa y la periferia del impulsor.
Las leyes de afinidad suponen que la curva del sistema es conocida y que la presión varía como el cuadrado del caudal. El punto de funcionamiento es la intersección de la curva total del sistema y la curva de la bomba.
Como la ley de afinidad se utiliza para calcular una nueva condición debido a un cambio de caudal o presión (por ejemplo, reducción de la velocidad de la bomba o diámetro del impulsor), esta nueva condición también sigue la misma curva del sistema. La figura 25 muestra la relación de caudal, presión y potencia expresada por las leyes de afinidad.
7 - BOMBAS EN SERIE Y PARALELO
En los sistemas HVAC es común ver tandem de bombas en paralelo para cumplir los requerimientos de caudal, y en menor medida en serie (al menos voluntariamente). Ver más.
7.1 Bombas en paralelo
Cuando se utilizan bombas en paralelo:
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El caudal requerido es superior a la de la bomba disponible
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El sistema puede variar el caudal encendiendo y parando bombas
Cuando las bombas se instalan en paralelo, cada una de ellas funciona a la misma presión y proporciona su parte del caudal del sistema a esa presión. Es decir, para crear la curva resultante, a cada presión se le suma los caudales de cada bomba que compone el conjunto. En la imagen inferior se puede observar que para una presión 1, el caudal resultante es X + X y para la presión 2, Y + Y.
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Nota: En caso de que las bombas tengan distintas curvas con presiones distintas, se tendrá zonas de trabajo en las cuales sólo 1 de las bombas puede contribuir:
Se recomienda que las bombas sean iguales ya que facilita el cálculo y la operación, aunque pueden ser distintas o incluso iguales pero alguna con variador de frecuencia (por tanto al variar su curva sería como una bomba distinta).
Cuando se tienen varias bombas en un colector y se tiene caudal variable, se tiene la opción de colocar variadores en todas las bombas o sólo en una de ellas, cada opción tiene sus ventajas e inconvenientes:
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Variador sólo en una bomba:
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✅ Coste de inversión inicial
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❌ La regulación de caudal no es óptima, cuando la bomba sin variador está funcionando y arranca la segunda bomba con variador, dependiendo de la curva del sistema, puede incluso a llegar al 100% de velocidad de giro sin tener impacto.
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❌ No se puede optimizar el conjunto y buscar el punto de trabajo de máxima eficiencia de las bombas en marcha.
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Variador en todas las bombas:
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✅ Permite regulación de caudal más precisa
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✅ Permite optimizar el rendimiento del conjunto
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❌ Coste de inversión inicial
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Cuando hay bombas en paralelo es necesario colocar elementos para evitar la recirculación de una sobre otra, como se ha mencionado más arriba.
7.2 Bombas en serie
Esta configuración se utiliza cuando se requiere elevar la presión de bombeo del sistema.
‼️ Se debe recordar que bombas en serie no suman caudales, suman presiones, y la resultante de caudal viene dominada por la bomba de menor caudal.
Es menos frecuente encontrar esta configuración en sistemas HVAC ya que no se requiere tanta presión que no sea posible suministrar con una sola bomba.
Cuando las bombas se aplican en serie, cada una de ellas funciona con el mismo caudal y proporciona su parte de la presión total a ese caudal. Es decir, para construir la curva resultante, a cada caudal se le suma la presión, si las bombas son iguales, se duplica. En el gráfico inferior, para un caudal Q1 la presión es X + X y para un caudal Q2, Y + Y.
8 - AJUSTE DE CAUDAL EN BOMBAS
Una vez la bomba esta instalada y puesta en marcha y si el caudal es superior al que requiere el sistema , se debe ajustar el punto de trabajo.
Hay varias formas:
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Estrangulamiento, se basa en la instalación de una válvula de regulación de caudal en serie. Su funcionamiento es generar una pérdida de carga adicional en el circuito y reducir el caudal de paso.
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✅ Instalación sencilla, coste inicial, regulación
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❌ Consumo de energía que se disipa por la AP de la válvula, es una energía de bombeo perdida
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Control de derivación, ahora la válvula de regulación se instala en paralelo con la bomba y actúa como si se tratase de una bomba con menor altura máxima y una curva más lineal que cuadrática.
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✅ Instalación sencilla, coste inicial, regulación
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❌ Mayor consumo de bombeo, ya que a pesar de reducir la altura, el caudal total de bombeo es superior.
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Cambio del diámetro del impulsor, cuando la desviación de caudal es muy alta y por tanto requiere un ajuste alto. Se genera una curva paralela acorde a las leyes de afinidad.
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✅ Reducción de consumo de bombeo
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❌ No permite regulación continua, es decir una vez cambiado el impulsor se modifica la curva de trabajo de la bomba.
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Control de velocidad con variador de frecuencia ( o bombas con motores EC)
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✅ Reducción de consumo de bombeo y regulación continua según regulación (por AT, AP constante o AP compensada)
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✅ Aumentar el caudal de bombeo aumentando la velocidad de giro aumentando Hz
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❌ Coste de inversión inicial, aunque no es muy elevada actualmente.
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