En 1927, Albert Betz, un ingeniero alemán conocido por su trabajo en dinámica de fluidos y teoría de turbinas, introdujo las leyes de la afinidad para bombas centrífugas. Estas leyes son esenciales para diseñar y operar bombas y ventiladores, ya que permiten predecir cómo reaccionan ante cambios en la velocidad de rotación del impulsor o su diámetro. De forma sencilla, estas reglas nos dicen cómo el flujo (caudal), su elevación (presión) y la energía necesaria (potencia) varían con la velocidad de la bomba o el diámetro del impelente. Aunque aquí nos enfocaremos en bombas centrífugas, son aplicables a otras máquinas como lo son ventiladores y turbinas. Nota importante, hay que tener en cuenta sus limitaciones, especialmente en fluidos viscosos o fluidos no ideales.
Las leyes de la afinidad para bombas centrífugas son un conjunto de principios fundamentales que describen cómo varía el caudal, la presión y la potencia en función de la velocidad de una bomba centrífuga. Estas leyes son esenciales, y comprenderlas indispensable si diseñas, das mantenimiento, instalas o provees equipo.
Primera ley: Caudal y velocidad.
El caudal (Q) de una bomba centrífuga es directamente proporcional a su velocidad (N). Si duplicas la velocidad de la bomba, el caudal también se duplica. Esto es útil para ajustar el rendimiento de la bomba según las necesidades del sistema.
Fórmula: Q₁/Q₂ = N₁/N₂
Segunda ley: Altura y velocidad.
La elevación o presión (H) que puede generar una bomba es proporcional al cuadrado de su velocidad. Si aumentas la velocidad de la bomba, la altura de elevación aumenta en el cuadrado de este cambio de velocidad. Esto indica cómo la capacidad de la bomba para superar la resistencia del sistema varía con la velocidad.
Fórmula: H₁/H₂ = (N₁/N₂)²
Tercera ley: Potencia y velocidad.
La potencia (P) necesaria para operar una bomba centrífuga es proporcional al cubo de su velocidad. Esto significa que un pequeño aumento en la velocidad puede resultar en un gran aumento en el consumo de energía, lo que destaca la importancia de operar la bomba dentro de su rango de eficiencia.
Fórmula: P₁/P₂ = (N₁/N₂)³
Una vez que comprendamos esto, podemos incluso hacer mezclas de las ecuaciones, como por ejemplo, saber cómo varía la potencia en caso de reducir o aumentar el flujo de una bomba en un sistema.
Q₁/Q₂ = N₁/N₂
P₁/P₂ = (N₁/N₂)³
La ecuación resultante seria:
P₁/P₂ = (Q₁/Q₂)³
Esta ultima formula es muy utilizada cuando elegimos motobombas centrifugas para sistemas de agua helada que cumplen con el ASHRAE 90.1. la sección 6.5.4 dice que: “una bomba de agua helada para un sistema HVAC con motor eléctrico superior a 5HP, (3.7Kw) debe tener controles y/o aditamentos (como un variador de velocidad) para cuando la demanda sea 50% del flujo de diseño, el motor consuma no más del 30% de la potencia instalada”.
Como ven, es importante conocer las leyes de la afinidad para bombas centrífugas y ventiladores, entre sus usos prácticos destacan:
- Selección.
- Control de procesos.
- Diagnóstico de problemas.
Autor:
ING. Armando Razo