En climatización, industrias, como en otras tantas aplicaciones tenemos circuitos cerrados donde se recircula agua. En estas instalaciones al momento del dimensionamiento de la bomba se suelen cometer errores que devienen en fallas graves por no hacer correcto foco en la altura geométrica, por ello en esta nota analizamos diferentes situaciones de circuitos abiertos y cerrados para comprender la diferencia.
De qué hablamos
Cuando nos referimos a circuitos cerrados o recirculaciones de agua nos referimos a instalaciones donde el agua es enviada a una línea que luego retorna y es movilizada nuevamente por la bomba. A veces es la misma agua confinada en esa instalación, otras veces el líquido se va renovando total o parcialmente, pero haciendo el mismo recorrido.
Los circuitos cerrados los vemos aplicados en usos como: aire acondicionado (frio-calor); calefacción mediante loza radiante o radiadores; loops o bucles de agua en laboratorios; circulación de agua para refrigeración de máquinas; sistemas de agitación; circulación de agua sanitaria, etc.
En el caso de los circuitos abiertos el agua bombeada va de un punto a otro, no hay retornos, como por ejemplo una bomba elevadora, trasvase, presurización, desagotes, etc.
Dimensionamiento de la bomba
Como en la selección de toda bomba debemos dimensionar dos valores elementales: Caudal (Q) cuánto será el volumen a movilizar en referencia al tiempo (ej. litros / hora), el segundo parámetro es la Altura (h), concretamente la altura manométrica, que no deja de ser la energía o fuerza que se le debe brindar a esa masa de agua para llegar de un punto a otro.
Caudal (Q). Para definir el caudal el foco estará puesto en la función que cumple el equipo. Si por ejemplo queremos que los sólidos no se decanten buscaremos un caudal que asegure la velocidad de circulación que mantenga a los sólidos en movimiento, por ejemplo para agua levemente sucia 0,5 m/seg, con sólidos más pesados 1 m/seg, el valor de velocidad se obtiene relacionando el caudal y la sección. Si el propósito de la circulación es climatización habrá un cálculo enfocado en el intercambio térmico del sistema, donde se evaluarán variación y pérdida de temperatura donde están involucrados otros elementos, el resultado nos indicará el caudal para asegurar la variación de temperatura deseada, en esto entran en juego muchos otros factores como el tipo de ambientes y qué calidad de aislación poseen, los materiales con que se construyó, pérdidas o suma de temperaturas, etc., etc.
En síntesis, la determinación del caudal dependerá de la aplicación en sí y las particularidades de ese sistema.
Altura manométrica
Ahora en lo que refiere a la definición de este parámetro, el procedimiento es prácticamente en todos los casos el mismo.
La altura manométrica es el resultado de la suma de:
• Altura geométrica.
• Pérdidas de carga por rozamiento.
• Altura o presión adicional (sólo en algunos casos dependiendo del uso).
Es vital en cuanto a cálculos tener discriminados los valores del trayecto de succión (o aspiración) y el de impulsión (o elevación). Esto nos permitirá poder transpolar los valores en caso de necesitar calcular ANPA Disponible, o poder hacer modificaciones en el sistema para modificar el rendimiento de la bomba y en este caso comprender claramente cómo se comportan los circuitos cerrados.
Veamos en detalle:
hman = hgeo aspiración + hPC aspiración + hgeo impulsión + hPC impulsión + huso
Donde:
hman Altura manométrica: es el valor final con el cual dimensionamos la bomba, la energía que se le debe brindar al fluido para hacer un caudal efectivo.
hgeo aspiración y hgeo impulsión. La altura geométrica corresponde a la diferencia de altura (vertical) en cada tramo, ya sea aspiración o impulsión, veremos más claramente en las figuras cómo se debe relevar en cada caso.
hPC aspiración y hPC impulsión. Pérdidas de carga por rozamiento: este valor corresponde a la energía que pierde el fluido al rozar contra las paredes de las tuberías y accesorios (como todo elemento que atraviese el flujo). Es un valor que siempre hay que calcular y evaluar su incidencia, siempre, a veces puede ser despreciable y otras veces puede ser crítico. Es acorde al caudal definido, teniendo en cuenta además el material de las tuberías, diámetros de las mismas y todos los accesorios (codos, curvas, válvulas, filtros, intercambiadores de calor, radiadores, etc.).
Altura o presión adicional (huso). En algunos casos en particular se puede adicionar mayor altura por alguna necesidad específica, como por ejemplo si se necesitara presión adicional para salida de agua en, por ejemplo, picos.
En el desarrollo de esta nota haremos foco en la altura geométrica, ya que muchas veces se malinterpreta con el consecuente sobredimensionamiento de la bomba, lo que ocasiona fallas concretas. Por ello es importante el correcto análisis previo.
Subrayo para evitar confusiones: La altura geométrica no es lo mismo que la altura manométrica. La altura geométrica es un componente de la altura manométrica.
Esquemas habituales
Circuitos abiertos: En ellos el fluido no recircula, simplemente se moviliza de un punto a otro. En cuanto a la altura geométrica en estos circuitos podemos tener variadas situaciones, aquí las más básicas:
A. La bomba queda ubicada sobre el tanque de bombeo y aspira.
B. La bomba queda debajo del tanque, donde el fluido le llega por gravedad.
Circuitos Cerrados: En ellos el recorrido del fluido no termina en otro punto, sino que termina donde comenzó, una recirculación.
C. Circuito de calefacción.
D. Loops o Recirculación con consumos.
E. Recirculación con tanque decantación.
F. Circulación con tanque superior.
Circuitos abiertos
A. Bomba sobre el nivel del tanque de bombeo (Aspiración negativa). Ver Fig. 1.
Los valores que relevamos de altura geométrica, son todos positivos, suman, ya que la bomba debe vencer cada uno de ellos para asegurar que al tanque elevado llegue el caudal establecido.
Para que resulte más claro valorizaremos cada uno de los parámetros, simplemente para clarificar cada ejemplo:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = 2 + 0,8 + 30 + 2 + 0 = 34,8 mca
B. Bomba debajo del tanque de bombeo, el fluido llega por gravedad (Aspiración positiva). Ver Fig. 2.
El fluido por vaso comunicante se ubica al mismo nivel que el del tanque (en Fig. 2 línea verde), por lo tanto, llega a la bomba sin necesidad de ser bombeado. En este caso la altura geométrica de aspiración (hgeo asp) se toma como un valor negativo, ya que al sumarlo a la altura geométrica de impulsión (hgeo imp) el resultado será la altura geométrica concreta que debe vencer la bomba, desde el nivel del tanque hacia arriba. Pero, es importante que tengamos en cuenta las pérdidas de carga en todo el trayecto.
Si lo valorizáramos sería por ejemplo:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = -2 + 0,8 + 30 + 2 + 0 = 30,8 mca
La altura geométrica de aspiración es un valor negativo.
Circuitos cerrados
Ahora en los circuitos cerrados lo que puede ser confuso es que el recorrido del fluido no termina en otro punto, sino que termina donde comenzó, sale de la bomba y vuelve a la bomba.
Para no cometer errores debemos analizar el sistema y definir dos puntos claves.
Uno de ellos es confirmar que la línea de retorno llegue directamente a la entrada de la bomba, es decir, que la presión de esa columna sea efectiva en el ingreso de la bomba.
Luego de confirmado esto, sigue cuantificar ese valor, es decir definir la altura geométrica de aspiración. En un recorrido único de toda la tubería ¿en qué punto deja de ser tramo de impulsión y pasa a ser de aspiración?
La respuesta es bastante sencilla: debemos ubicar el punto más alto de la instalación, la bomba debe asegurar que impulsará el fluido hasta allí, esta distancia define la altura geométrica de impulsión. Pasado ese punto, y hasta la entrada a la bomba, será tramo de aspiración, ya que por efecto de la gravedad el líquido contenido en las cañerías descenderá hacia la aspiración de la bomba. Este valor es el que hace toda la diferencia en el cálculo.
Para ser un poco más claro vamos a analizar algunos ejemplos de circuitos cerrados o de recirculación.
C. Circuito de calefacción
Analizamos aquí dos sistemas idénticos, la misma cantidad de metros de caños y accesorios. Uno dispuesto en vertical (Fig. 3 V) y otro en desarrollo en horizontal (Fig. 3 H).
Al ser un circuito cerrado, la altura geométrica de aspiración en ambos casos, retorna a la entrada de la bomba.
Es presión positiva y por lo que analizamos más arriba, si es presión que recibe en la entrada, significa que es menos altura que la bomba debe vencer, el valor de altura geométrica de aspiración (hgeo asp) se toma en negativo.
Por ejemplo, en el sistema con desarrollo en vertical (Fig. 3 V) si lo cuantificamos sería por ejemplo:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = – 12 + 2 + 12 + 2 + 0 = 4 mca
Mientras que en el horizontal (Fig. 3 H) si lo cuantificamos sería:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = – 3 + 2 + 3 + 2 + 0 = 4 mca
Siendo sistemas idénticos respecto del largo de cañerías accesorios, etc., pero solo variando el desarrollo (vertical vs. horizontal) utilizaríamos la misma bomba.
Ahora, al momento de llenar con agua por primera vez este sistema, no podremos utilizar la bomba de recirculación, ya que, para esta función (llenado) si requiere que se genere la altura geométrica hasta el punto más alto, debería ser otra bomba con otro rendimiento.
D. Loops o Recirculación con consumos
En industria farmacéutica se utiliza agua ultra purificada, la cual debe estar en movimiento continuamente. Es decir, en un circuito cerrado, con la particularidad que no es siempre el mismo agua, parte de este agua que circula se consume (egreso), por ejemplo, para el llenado de ampollas y se repone simultáneamente (ingreso) con más agua previamente purificada. De esta manera el agua dentro del circuito está siempre en movimiento, aunque no haya consumo.
Del mismo modo funcionan los sistemas de calentamiento de agua sanitaria, lo que se busca es que al abrir alguna boca de consumo el agua esté siempre caliente, aunque haga mucho tiempo que no se consuma agua. En este caso la presión extra la genera una segunda bomba de presurización o directamente por gravedad desde un tanque elevado.
En cuanto al cálculo de altura manométrica se debe tomar tal como en el punto anterior, con la salvedad de que la altura presión adicional (huso) tendrá un valor mayor a cero acorde a la necesidad y al sistema en sí, por ejemplo 5 mca.
Si lo cuantificamos sería:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = – 12 + 2 + 12 + 2 + 5 = 9 mca
E. Recirculación con tanque decantación
En algunas industrias se utilizan recirculaciones que pueden traer en su retorno sólidos en suspensión, por ejemplo, en sistemas de limpieza, por ello el agua del retorno llega a un tanque donde se produce la decantación. Paso seguido la bomba aspira del mismo, y la vuelve a impulsar al circuito.
En estos casos el agua que retorna, no ingresa a la entrada de la bomba. Toda la presión recibida del retorno “muere” en el tanque. A fines del cálculo de altura manométrica se comporta como un circuito abierto, teniendo en cuenta la pérdida de carga de todo el recorrido.
En números sería, por ejemplo:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = 2 + 0,8 + 30 + 2 + 10 = 44,8 mca
Vemos como aquí sí se necesita presión en los picos y el valor de huso nos agrega 10 mca.
F. Circulación con tanque superior
Otro tipo de circulaciones tienen el tanque o recipiente que acumula el agua en la parte superior del sistema. Un ejemplo puede ser una piscina ubicada en la terraza del edificio y el equipo de filtrado en planta baja o pisos inferiores. Otra situación similar son los sistemas de aire acondicionado que utilizan torres de enfriamiento, más allá de las particularidades de cada aplicación, y centrándonos en el cómo se deben tomar los valores de altura geométrica vemos que la altura geométrica de aspiración es presión positiva en la bomba, por ello, será menos altura que la bomba deba generar y en la sumatoria será un valor.
Más “holgada” no es mejor
¿Por qué tanto énfasis en analizar las alturas geométricas en estos casos? Si por ejemplo en el caso de un circuito cerrado como el de la (Fig. 3 V), se desestima la altura geométrica de aspiración, el cálculo incorrecto sería:
(hman) = hgeo asp + hPC asp + hgeo imp + hPC imp + huso
(hman) = 0 + 2 + 12 + 2 + 0 = 16 mca
Dimensionaríamos una bomba para 16 mca en vez de 4 mca.
Muchos lo toman como si la bomba quedara más “holgada” “con margen”, lo que es totalmente erróneo ya que cuando esa bomba para 16 mca funcione en un sistema donde sólo debe vencer 4 mca lo que sucede es que el punto de operación se va de la curva o queda muy a la derecha, el caudal efectivo será mucho mayor, la potencia requerida al motor también ascenderá gravemente y la consecuencia es que el motor se dañe e inutilice. En el mejor de los casos tendremos un equipo que consumirá mucha más energía, posiblemente un andar problemático con vibraciones y ruidos, menor duración de las piezas, etc.
Consejos
Relevo de datos
Hay dos temas que son a destacar y están ligados. Uno es lo referido al relevo de datos y el otro a la comunicación de esos datos.
Todos estos valores provienen de datos que relevamos del sistema. Cuando el sistema es un proyecto, los datos se relevan de un plano. De la instalación en sí, cuando ya el sistema está en operación. Aquí es donde debemos poner el foco en las alturas geométricas, aspiración e impulsión, para poder analizar correctamente, debemos definir qué parte del sistema corresponderá al trayecto de aspiración y cuál, al trayecto de impulsión, en especial en los circuitos cerrados ya que estamos hablando de un tramo único de cañerías que va y que vuelve.
Comunicación
Hay que ser muy claro en la comunicación de la información, puede transformarse en un “teléfono descompuesto” entre: mantenimiento – ingeniería – compras – vendedor. Por defecto ya hay datos que se pierden y otros pueden mal interpretarse. Y si a esta problemática comunicación le sumamos confusión en cuanto a “positivo” y “negativo” peor será.
Recordemos que cuando la bomba recibe el fluido con presión muchas veces se dice que la bomba trabaja alimentada o “aspiración positiva” y cuando llevamos el valor al cálculo de altura geométrica de aspiración es un valor negativo.
Para evitarlo siempre utilice un plano-croquis-esquema bien claro. Cuando se relevan los datos antes de otorgar signo positivo o negativo a la altura geométrica enfóquese en qué está calculando, si lo que busca es definir la altura que debe generar la bomba, céntrese en si esa altura implica que la bomba debe hacer más o menos trabajo (más trabajo = positivo, menos trabajo = negativo). Tanto cuando se calcula altura o cuando se calcula el ANPA (NPSH).
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