Selección de una bomba HVAC

Apr 29, 2023

Hay varios tipos de bombas que se utilizan en la transferencia de fluidos, pero la más común en los sistemas HVAC de hoy en día es la bomba centrífuga. Los tipos de bombas centrífugas incluyen bombas de voluta o de flujo axial. La voluta toma agua del impulsor y descarga el agua perpendicular al eje. Una bomba centrífuga con carcasa difusora (bomba de flujo axial) descarga el agua paralelamente al eje de la bomba.

Las bombas centrífugas están disponibles en muchos tipos, incluidas bombas circuladoras, de succión final de una y varias etapas, de carcasa dividida de una y varias etapas y bombas verticales en línea.

Las bombas de circulación se utilizan típicamente en sistemas de baja presión y baja capacidad. El tamaño de este sistema suele ser inferior a 150 gpm y no está clasificado para más de 125 psig de presión operativa. Este tipo de bomba generalmente se monta directamente en el sistema de tuberías y se apoya en él, y está disponible con el motor en posición vertical u horizontal. Vea la Figura 1 para una bomba de circulación estándar.

Las bombas de succión axial son de succión simple y pueden ser de acoplamiento cerrado o flexible. Una bomba de acoplamiento directo tiene el impulsor montado directamente en el eje del motor. Una bomba de succión axial de acoplamiento flexible tiene el impulsor y el eje del motor separados por un acoplamiento flexible. El beneficio de usar una bomba de acoplamiento directo es que la alineación del eje del motor con el impulsor es fija. Una bomba de acoplamiento flexible puede desalinearse durante el mantenimiento. Esto puede crear problemas si el personal capacitado no lo vuelve a ensamblar correctamente. Las bombas de succión final están diseñadas de tal manera que el agua entrante ingresa a la bomba por el extremo de manera horizontal. El agua entonces cambia de dirección y se descarga verticalmente, perpendicular a la succión. Estas bombas normalmente se instalan sobre una base sólida en el suelo. Una bomba de succión final puede usarse en sistemas HVAC con capacidades de hasta 4000 gpm y 150 pies de cabeza.

La ventaja de usar una bomba de acoplamiento directo es que requiere menos espacio en el piso dentro de un cuarto de planta para la instalación. Una de las desventajas de usar una bomba de acoplamiento cerrado en un sistema HVAC es el tipo de motor. Por lo general, el motor se adapta especialmente al tipo de eje y los sellos de la bomba. Las bombas acopladas flexibles suelen utilizar motores estándar. Consulte la Figura 2 para ver una bomba de succión final acoplada flexible típica.

Las bombas de carcasa dividida son similares a las bombas de succión final en que tienen un acoplamiento flexible entre el motor y la bomba. El conjunto, incluidos el motor y la bomba, está montado rígidamente en una placa base común. La succión y la descarga de la bomba están dispuestas en dirección horizontal y son perpendiculares al eje.

Las bombas de carcasa dividida están disponibles en succión simple o doble. Al ser una bomba de succión simple, el agua ingresa al impulsor por un solo lado. Para doble succión, el fluido ingresa al impulsor desde ambos lados. El uso de doble succión reduce el riesgo de desequilibrio hidráulico. La reducción del desequilibrio hidráulico es una de las razones por las que se prefieren las bombas de carcasa dividida de doble succión a las de succión simple.

La caja dividida también puede tener múltiples impulsores para una operación de etapas múltiples. Múltiples impulsores proporcionan una mayor carga disponible dentro de una sola bomba.

Las bombas de carcasa dividida están disponibles con carcasa dividida horizontal o vertical. Para bombas horizontales de carcasa partida, la carcasa del impulsor se divide en el plano horizontal. Para bombas verticales de carcasa dividida, la carcasa del impulsor se divide en el plano vertical. Tener la carcasa dividida permite el acceso completo al impulsor para el mantenimiento.

Las bombas de carcasa dividida se utilizan principalmente en sistemas de protección contra incendios, pero también se han utilizado en la industria HVAC para sistemas de gran capacidad. Su rango de capacidad es de hasta 6500 gpm y 600 pies de cabeza. Estas bombas también están disponibles con presiones operativas aumentadas hasta 400 psig. Consulte la Figura 3 para ver una bomba de carcasa dividida horizontal típica.

Estas bombas suelen ocupar un espacio reducido dentro de un espacio de planta y no requieren bases de inercia. Las bases de inercia generalmente se instalan para reducir la vibración de las piezas giratorias dentro de la bomba. Las tuberías de descarga están dispuestas en el plano horizontal. Las bombas en línea verticales están disponibles como de succión simple o doble. Las bombas en línea verticales son de acoplamiento cerrado. La bomba y el motor están montados directamente en la carcasa de la bomba. La bomba normalmente está montada y sostenida por el sistema de tuberías en el que está instalada. Para bombas en línea verticales de mayor capacidad, el conjunto de la bomba se puede proporcionar con una base para montaje en el piso. La succión de la bomba y

Las bombas verticales en línea tienen una capacidad de hasta 25 000 gpm y 300 pies de cabeza. Consulte la Figura 4 para ver una bomba en línea vertical típica.

Hay dos tipos de sistemas en los que se pueden instalar bombas: sistemas de circuito cerrado y sistemas de circuito abierto. En la industria HVAC, los circuitos cerrados son sistemas en los que la elevación estática no se tiene en cuenta en los cálculos de presión de cabeza. Los sistemas de agua fría y de agua caliente para calefacción suelen ser sistemas de circuito cerrado. Un sistema de circuito abierto se define por el sistema que tiene una tubería que está abierta a la atmósfera. Los sistemas de bombeo asociados con las torres de enfriamiento se consideran sistemas de circuito abierto en los que las boquillas de aspersión en la parte superior de la torre están abiertas a la atmósfera. Consulte la Figura 5 para conocer las configuraciones generales de circuito cerrado y circuito abierto.

Al seleccionar una bomba para sistemas de circuito cerrado, se deben considerar varios factores, como las pérdidas de presión asociadas con la longitud total horizontal y vertical de la tubería, los codos y tes (accesorios) de la tubería, las válvulas en el sistema, diversos accesorios de tubería , las bobinas del equipo, la presión mínima del sistema que se debe mantener y la cabeza de succión positiva neta requerida (si corresponde).

Cada tamaño de tubería tiene una caída de presión asociada que depende de la velocidad a la que circula el fluido. Los accesorios también tienen una caída de presión específica asociada con ellos. Cada válvula en el sistema, como las válvulas de cierre, las válvulas de retención, las válvulas de balanceo, los filtros, etc., tienen literatura publicada del fabricante para la caída de presión para el tamaño y la tasa de flujo indicados. Cada equipo del sistema, incluidos los serpentines de enfriamiento, los serpentines de calentamiento y los enfriadores, también tiene documentación del fabricante para la caída de presión a un caudal determinado. La Tabla 1 es un ejemplo de cómo sumar las pérdidas de presión en un sistema de circuito cerrado.

Como se demuestra en la Tabla 1, una caída de presión para el sistema equivale a aproximadamente 81 pies. La bomba requerida para el sistema indicada en la Tabla 1 necesitaría proporcionar un mínimo de 81 pies de cabeza para distribuir adecuadamente el fluido al sistema.

Para sistemas de circuito abierto, además de la pérdida de presión asociada con un sistema de circuito cerrado, también se debe considerar la elevación estática.

En la Tabla 2, hemos reemplazado los equipos de manejo de aire (serpentines) y el sistema de presión con una torre de enfriamiento y la elevación estática, respectivamente. La elevación estática del sistema es la diferencia en la altura de la entrada de la torre de enfriamiento a la descarga de la torre de enfriamiento.

Al seleccionar una bomba para un sistema abierto, también se debe considerar la altura de succión positiva neta requerida (NPSHr) y la altura de succión positiva neta disponible (NPSHa). NPSH se define como la presión en la entrada de la bomba. Si la presión en la entrada de la bomba es menor que la presión de vapor del fluido a la temperatura local, el líquido hervirá en el impulsor, creando burbujas de vapor. La creación de las burbujas de vapor se define como cavitación. La cavitación en una bomba puede provocar una falla prematura debido a la erosión del impulsor y la fatiga de los cojinetes y sellos del eje.

El cálculo para determinar NPSHa es:

NPSHa = Patm + Ps – Pvp – Pf

Patm: Presión atmosférica (pies)

Ps: Altura estática del agua sobre el impulsor de la bomba (pies)

Pvp: Presión de vapor del agua (ft)

Pf: Pérdidas por fricción en la tubería (ft)

Como se indica en la Figura 6, el NPSHa equivale a 45,9 pies (34,2 pies + 15 pies – 1,3 pies – 2 pies = 45,9 pies).

El NPSHr normalmente lo proporciona el fabricante de la bomba que se utiliza en el sistema. El NPSHa debe ser mayor que el NPSHr para evitar la cavitación. Se recomienda aplicar un margen de seguridad al NSPH para garantizar que no se produzca cavitación en el sistema. Un margen típico de seguridad es de 3 pies cuando se determina el NPSH de un sistema. Si el NPSHa es de 45,9 pies, se debe usar una bomba con un NPSHr máximo de 40 pies.

Se pueden utilizar varias configuraciones en los sistemas de bombeo. Las bombas pueden disponerse en paralelo, en serie y también en una configuración de bombeo primario/secundario. Las bombas que se instalan en una configuración en paralelo se usan cuando se requiere flujo adicional a la misma presión del sistema y una sola bomba no es capaz de cumplir con los requisitos del sistema (consulte la Figura 7). Las bombas que se instalan en una configuración en serie se utilizan cuando se requiere presión adicional a un caudal máximo establecido y una sola bomba no es capaz de cumplir con los requisitos del sistema (consulte la Figura 8).

El bombeo primario/secundario se utiliza cuando el caudal volumétrico varía entre el equipo y el sistema. A medida que avanza la tecnología en los equipos utilizados en los sistemas de fluidos, se ha notado una reducción en el uso de sistemas primarios/secundarios.

Los sistemas de agua fría y agua de calefacción se diseñaron típicamente como primarios/secundarios. La razón para utilizar una configuración de bombeo primario/secundario se debió a que los enfriadores y las calderas requerían un caudal constante en todo momento. El circuito primario es de caudal constante el 100% del tiempo de funcionamiento. El circuito secundario utiliza flujo variable. La bomba sube y baja con el variador de frecuencia (VFD) para hacer coincidir el caudal con los requisitos del sistema.

El uso de válvulas de dos vías en el sistema permitió reducir el caudal en el equipo para igualar las cargas del serpentín. El aumento de presión en el sistema al cerrar las válvulas envía una señal a la bomba para reducir el flujo. Esto se logra instalando sensores de presión diferencial en el sistema de tuberías. La presión diferencial se mantiene constante. A medida que las válvulas se cierran, la presión del sistema aumenta. Esto le dice a la bomba que disminuya la velocidad y reduzca el flujo para mantener la presión constante.

Antes de los avances tecnológicos del VFD, los sistemas de agua fría y caliente funcionaban con bombas de flujo constante y válvulas de tres vías. La válvula de tres vías permitía que el agua pasara por el serpentín o se desviara a través de un bypass de vuelta al sistema. Este sistema fue de volumen constante el 100% del tiempo. Eso significa que, independientemente de los requisitos de carga del sistema, la bomba estaba funcionando al 100 % de su capacidad de diseño. Operar un sistema de esta manera es una enorme pérdida de energía. Con la introducción de los variadores de frecuencia, el circuito del edificio podía operarse en un punto consistente con la carga. A medida que se redujo la carga en el edificio, la bomba pudo reducir su capacidad de bombeo. En la Figura 9 se ilustra un ejemplo de bombeo primario/secundario.

Al seleccionar una bomba, se deben considerar varios factores. Una vez que se han determinado las cargas de HVAC del edificio, se puede establecer el caudal. Luego se calcularán las pérdidas de presión del sistema. Considere el siguiente ejemplo:

Se va a diseñar un sistema de agua helada para un edificio. El sistema incluirá un enfriador enfriado por aire, unidades de tratamiento de aire y distribución de tuberías. La pérdida máxima de calor para el edificio se calcula en 2400 MBH con una pérdida de calor mínima de 840 MBH. Esto fue determinado por las cargas de HVAC realizadas en el edificio. Al usar un delta de 12 F para las temperaturas de entrada y salida del agua en el enfriador, se requiere una tasa de flujo máxima de 400 gpm y una tasa de flujo mínima de 140 gpm. El sistema de distribución tiene una longitud total desarrollada (TDL) de 350 pies de tubería, incluidos los accesorios. Como se indicó anteriormente, es necesario calcular las pérdidas de presión. Consulte la Tabla 3 para obtener un resumen de las pérdidas de presión en el sistema.

Para calcular las pérdidas de presión asociadas con la tubería, la regla general es usar de 2 a 3 pies por cada 100 pies de tubería como pérdida de presión y también mantener una velocidad máxima de 8 a 10 pies/segundo (fps). La erosión de la tubería puede ocurrir si la velocidad es demasiado alta. En el cálculo anterior, se utilizaron 2,5 pies por cada 100 pies de tubería para las pérdidas de presión.

Con base en los cálculos anteriores, la selección de la bomba estará en una condición de diseño de 400 gpm y 85 pies de cabeza dinámica total (TDH).

Ahora que se conocen el caudal y la pérdida de presión del sistema, puede comenzar la selección de las bombas. En este punto del proceso de selección, se requerirá una curva de bomba. Antes de sacar los catálogos de los fabricantes o buscarlos en línea, primero debemos determinar el mejor tipo de bomba para esta aplicación. La forma en que esto se determina es revisando la literatura del fabricante para determinar el rango operativo de cada tipo de bomba. Las bombas de circulación se utilizan normalmente para aplicaciones de bajo caudal, por lo que este tipo de bomba sería demasiado pequeña. Las bombas de succión final generalmente se usan para sistemas de tamaño pequeño a mediano.

Como este sistema es un sistema de tamaño mediano, la bomba de succión final es una opción potencial. Las bombas verticales en línea se utilizan normalmente en proyectos de pequeña a gran escala, por lo que estas bombas son otra opción. Las bombas de carcasa dividida se utilizan normalmente para grandes sistemas hidrónicos. Este tipo de bomba sería demasiado grande para cumplir con los requisitos del sistema descrito anteriormente.

Según los usos de la bomba y los requisitos del sistema, las bombas de succión final y las bombas verticales en línea tienen la capacidad de operar dentro de los parámetros de diseño.

Hay calculadoras en línea proporcionadas por los fabricantes que pueden ayudar con la selección de la bomba, o se puede usar el catálogo del fabricante. Para el sistema del ejemplo anterior, debemos revisar si una sola bomba puede alcanzar tanto el caudal máximo como el caudal mínimo. Esto se determina trazando los puntos en las curvas de bomba potencial. Si una sola bomba no es capaz de alcanzar los caudales máximo y mínimo, se requerirá una segunda bomba y se conectará en una configuración paralela (consulte la Figura 7).

Como se indica en las curvas de la bomba en la Figura 5, se puede usar una sola bomba para cumplir con los caudales máximos y mínimos del sistema.

Como se muestra en las Figuras 5 y 6, la bomba en línea vertical no es una buena selección ya que el punto de trabajo está a la derecha del punto de mejor eficiencia (BEP). Además, la eficiencia operativa es de aproximadamente el 70%. La bomba de succión final parece ser la mejor selección de las dos. La bomba de succión final no solo tiene una mayor eficiencia operativa del 76 %, sino que el punto de trabajo está ubicado a la izquierda del BEP.

Para determinar la bomba adecuada, hay otros factores además de la curva de la bomba y la eficiencia que deben evaluarse. El costo operativo durante la vida útil del sistema también es un elemento crucial. La bomba vertical en línea representada arriba funciona a 11,39 caballos de fuerza al freno (bhp)/8,50 kW a plena carga. Para simplificar, podemos suponer que la bomba en línea vertical funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana y se consumen 74.400 kWh. Si el costo de la electricidad es $0.10/kWh, el propietario incurre en un costo operativo anual de $7440. La bomba de succión final representada arriba opera a 10,71 bhp/7,99 kW a plena carga. Usando las mismas horas de operación que la bomba vertical en línea, el costo de operación incurrido por el propietario para la bomba de succión final es de $7000 por año. Se calcula un ahorro anual de $440 en costos operativos cada año para la bomba de succión final.

Como se puede ver por el costo operativo, la bomba de succión final no solo opera en un punto más adecuado en la curva de la bomba, sino que también tiene un costo operativo reducido en comparación con la bomba vertical en línea. Para un análisis de costos de operación realista, las horas de operación de la bomba deben determinarse en función del perfil de carga de la instalación para la cual se selecciona la bomba. En lugar de calcular el costo operativo basado en una operación a plena carga las 24 horas del día, los 7 días de la semana, se debe insertar un equivalente de horas de operación a plena carga en los cálculos.

Varios factores pueden tener un impacto en la selección de la mejor bomba para usar en un proyecto. El caudal, las pérdidas de presión, el punto de mejor eficiencia en comparación con el punto de trabajo y el costo operativo son factores importantes al seleccionar una bomba. Comience con la tasa de flujo requerida para determinar qué tipo de bomba es la más adecuada para la aplicación, luego use la curva de la bomba y el análisis de costos operativos para finalizar la selección.

Amy Lasseigne es directora asociada de mecánica en JBA Consulting Engineers. Su experiencia es el diseño de múltiples plantas centrales que van desde 150 a 20.000 toneladas. Estas plantas centrales dan servicio a instalaciones de casinos a gran escala, así como a instalaciones educativas y edificios de oficinas a pequeña escala.

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