En un sistema de refrigeración industrial, la mayor parte de la atención se centra en el enfriador o la torre de refrigeración. A menudo se considera que la bomba es un elemento secundario. En la práctica, es la bomba la que determina si la capacidad de refrigeración llega al equipo que la necesita.
Es posible que una enfriadora esté produciendo agua fría a la temperatura adecuada, pero eso no sirve de nada para una máquina de producción si el caudal de agua que pasa por su intercambiador de calor es demasiado bajo. Lo contrario también es cierto. Hacer circular más agua de la que necesita el proceso no mejora automáticamente la refrigeración. Es posible que solo aumente el consumo eléctrico, la velocidad en las tuberías y el ruido de las válvulas.
Cuando recibimos una consulta en la que solo se indica “bomba de agua para el sistema de refrigeración”, aún no es posible seleccionar el modelo. Primero tenemos que averiguar dónde se genera el calor, dónde se disipa y con qué elementos entra en contacto el líquido refrigerante en su recorrido entre ambos puntos.
La bomba conecta el lado caliente y el lado frío
La bomba no elimina el calor por sí misma. Su función es mantener en movimiento el fluido de transferencia de calor. El fluido absorbe el calor de una máquina, una sala o un proceso, lo transporta a un enfriador, una torre de refrigeración o un intercambiador de calor, y luego vuelve para repetir el ciclo.
En un circuito cerrado de refrigeración de procesos, el recorrido típico es: bomba, máquina de producción, intercambiador de calor y de vuelta a la bomba. En un sistema comercial de agua refrigerada, la bomba hace circular el agua entre el enfriador y las unidades de tratamiento de aire o los fan coils. Una instalación de enfriadores refrigerados por agua suele contar con otra bomba en el lado del condensador, que traslada el agua entre el condensador del enfriador y la torre de refrigeración.
Aunque todas estas bombas pueden describirse como bombas de agua de refrigeración, no tienen la misma función. El agua refrigerada suele circular en un circuito cerrado a presión. El agua de la torre de refrigeración está expuesta a la atmósfera, absorbe productos químicos de tratamiento y gases disueltos, y puede ser necesario elevarla desde un depósito hasta el punto de distribución de la torre. El agua de proceso puede contener glicol o requerir materiales distintos de los utilizados en el circuito limpio del enfriador.
Algunas fábricas separan el circuito del enfriador del circuito de producción mediante un intercambiador de calor de placas. Esto ayuda a proteger el enfriador del agua de proceso sucia o químicamente inadecuada. Además, genera una pérdida de presión adicional. La bomba de refrigeración secundaria debe seleccionarse en función de la resistencia de la máquina, el intercambiador de calor, las válvulas de control y las tuberías de conexión, y no simplemente copiarse de la bomba primaria.
Esta misma configuración es cada vez más habitual en la refrigeración líquida de los centros de datos. El agua de la instalación permanece en un lado del intercambiador de calor, mientras que un circuito de refrigerante independiente abastece a los racks. En este tipo de sistemas, un control preciso del caudal y la redundancia de las bombas pueden ser más importantes que elegir una sola bomba de gran tamaño para una única condición de pico.
Empieza por el caudal y, a continuación, calcula la altura de elevación
El caudal de la bomba de refrigeración debe estar en función de la carga térmica y de la diferencia de temperatura entre el suministro y el retorno. En el caso del agua, una relación práctica es la siguiente:
Caudal en L/s = Carga de refrigeración en kW ÷ 4,186 ÷ Diferencia de temperatura en °C
Supongamos que un proceso debe eliminar 300 kW y que la diferencia de temperatura del agua prevista es de 5 °C. El caudal necesario es de unos 14,3 L/s, es decir, 51,6 m³/h. Si, en cambio, el sistema se diseña para una diferencia de 3 °C, el caudal necesario aumenta hasta unos 86 m³/h. La carga de refrigeración no varía, pero los requisitos de la bomba y las tuberías son muy diferentes.
Este cálculo es un punto de partida. El fabricante del equipo puede especificar un caudal mínimo o máximo a través del enfriador, el condensador o el intercambiador de calor de la máquina. El glicol modifica la capacidad térmica y la viscosidad, por lo que puede ser necesario corregir tanto el cálculo basado en agua como la curva estándar de la bomba de agua.
Una vez conocido el caudal, se puede calcular la altura dinámica total. La altura dinámica es la resistencia que la bomba debe superar con ese caudal. Incluye las pérdidas en tuberías rectas, accesorios, válvulas, filtros, serpentines, enfriadores e intercambiadores de calor. El cálculo debe basarse en el circuito hidráulicamente más exigente, no en la suma de todas las ramificaciones.La altura de bombeo en circuito cerrado suele malinterpretarse. Si una enfriadora situada en un sótano abastece a equipos situados 20 metros por encima de ella, la bomba de circulación no eleva continuamente una nueva columna de agua a lo largo de 20 metros. El agua que sube por la tubería de impulsión se compensa con el agua que baja por la tubería de retorno.
Una vez llenado y presurizado, la bomba se encarga principalmente de superar la fricción y las pérdidas de presión del equipo. El sistema sigue necesitando una presión de llenado adecuada en su punto más alto, pero la presión de llenado no es lo mismo que la altura de bombeo.
Un circuito abierto de torre de refrigeración funciona de forma diferente. El agua sale del depósito de la torre y se vierte en un punto más elevado antes de volver a pasar por la torre. Por lo tanto, la altura estática puede formar parte de la altura de bombeo, junto con las pérdidas del condensador, la boquilla de la torre y las tuberías. También hay que comprobar el NPSH disponible en función del nivel del depósito y la disposición de la succión.
Por qué las bombas de refrigeración no alcanzan su punto de funcionamiento real
El punto de funcionamiento final es aquel en el que se cruzan la curva de la bomba y la curva del sistema. El caudal máximo de catálogo y la altura manométrica máxima suelen encontrarse en posiciones diferentes de la curva. No deben combinarse como si la bomba pudiera producir ambos al mismo tiempo.
El sobredimensionamiento suele partir de intenciones razonables. Se añade un margen al caudal estimado, se añade otro margen a la altura de elevación y, por motivos de seguridad, se elige el motor de la siguiente categoría superior. Cuando varias personas añaden su propio margen, la bomba instalada puede acabar superando con creces las necesidades reales del sistema.
Los síntomas son conocidos: la válvula de equilibrado permanece muy estrangulada, la presión diferencial es mayor de lo esperado, las tuberías hacen ruido y la corriente del motor se mantiene innecesariamente alta. Es posible que el sistema siga refrigerando, pero lo hace desperdiciando presión en las válvulas.
La insuficiencia de caudal se manifiesta de diferentes formas. Los equipos situados al final del sistema son los primeros en presentar problemas. Es posible que varias máquinas enfríen correctamente cuando funcionan por separado, pero la temperatura de retorno aumenta cuando funcionan juntas. Modificar el punto de consigna de la enfriadora puede ocultar el problema temporalmente sin corregir la falta de caudal.
Un variador de frecuencia resulta útil cuando la carga varía a lo largo del día, pero no puede sustituir al cálculo hidráulico. La bomba debe seguir cubriendo el rango de funcionamiento requerido. El sensor de presión debe instalarse en una posición adecuada, y debe garantizarse un caudal mínimo a través del enfriador o del equipo de proceso. Una bomba excesivamente sobredimensionada puede seguir siendo una mala elección incluso cuando se reduce su velocidad.
El diseño del sistema de succión plantea otra serie de problemas. Un filtro de entrada obstruido, un nivel insuficiente en el depósito, una velocidad de succión excesiva o el agua caliente pueden reducir el NPSH disponible y provocar cavitación. Es posible que se atribuya el ruido a la bomba, aunque la causa se encuentre en las tuberías situadas antes de ella.
La calidad del agua influye tanto en el rendimiento como en la elección del material. El agua de las torres de refrigeración abiertas puede contener productos químicos de tratamiento, productos de corrosión y contaminantes en suspensión. El glicol a baja temperatura es más viscoso que el agua. El nivel de cloruro y la temperatura pueden determinar si es adecuado utilizar hierro fundido, acero inoxidable u otro material. Por lo tanto, es necesario confirmar las características del líquido antes de decidir el material de la bomba y el tipo de junta.
Cómo utilizar los datos del sistema de refrigeración para seleccionar una bomba
Existen diferentes diseños de bombas para sistemas de refrigeración. Las bombas en línea resultan prácticas cuando el espacio de instalación es limitado y la disposición de las tuberías se adapta a una carcasa en línea. Las bombas de succión axial se utilizan ampliamente para la circulación general de las instalaciones y son fáciles de integrar con placas de base convencionales. Las bombas de carcasa dividida suelen considerarse para aplicaciones de alto caudal. Los diseños verticales u orientados hacia el depósito pueden resultar más adecuados cuando el agua se extrae de un depósito abierto de una torre de refrigeración.
Una bomba vertical multietapa puede resultar útil cuando el caudal es moderado, pero el proceso presenta una resistencia relativamente elevada, como en el caso de intercambiadores de calor restrictivos, equipos de filtración o circuitos de refrigeración a alta presión. No debe seleccionarse simplemente porque pueda generar una altura manométrica elevada. Su curva real debe seguir satisfaciendo el caudal calculado sin alejar demasiado el punto de funcionamiento de la zona de eficiencia.
En un proyecto de exportación, los datos de 50 Hz y 60 Hz deben comprobarse por separado. La frecuencia influye en la velocidad del motor y en el rendimiento de la bomba. La tensión, la fase, la temperatura ambiente y el método de control deben confirmarse al mismo tiempo, en lugar de hacerlo una vez que ya se haya elegido el modelo hidráulico.
Una solicitud de información sobre una bomba de refrigeración útil debería incluir:
- carga de refrigeración o caudal necesario;
- temperaturas de entrada y de retorno;
- la altura dinámica total calculada o un esquema sencillo de las tuberías;
- configuración de bucle abierto o de bucle cerrado;
- pérdida de presión en el enfriador, el condensador, el serpentín o el intercambiador de calor;
- composición del líquido, concentración de glicol y temperatura de funcionamiento;
- tensión, fase y frecuencia;
- rango de carga normal y requisitos de reserva.
La función de la bomba es sencilla: mantener la cantidad adecuada de refrigerante circulando entre la fuente de calor y el equipo de refrigeración. La elección de la bomba no es tan sencilla, ya que cada parte del circuito influye en su punto de funcionamiento. Partir de la carga térmica, el caudal y la resistencia real del sistema ofrece una respuesta más fiable que partir del diámetro de la tubería, la potencia del motor o el código de un modelo conocido.