Comprensión de la recirculación en bombas
Definición: ¿Qué es la recirculación?
Recirculación Es una inestabilidad de flujo que se produce en bombas y ventiladores centrífugos cuando funcionan a caudales significativamente inferiores al punto de diseño (punto de máxima eficiencia o BEP). A bajos caudales, el fluido invierte parcialmente su dirección, fluyendo en sentido contrario desde la zona de descarga hacia la de succión, lo que crea patrones de recirculación inestables en la entrada o salida del impulsor. Este fenómeno genera vibraciones de baja frecuencia. vibración pulsaciones (normalmente de 0,2 a 0,8 veces la velocidad de funcionamiento), ruido, pérdida de eficiencia y pueden causar graves daños mecánicos debido a la carga cíclica, cavitación, y calefacción.
La recirculación es una de las condiciones de funcionamiento más destructivas para las bombas, ya que las fuerzas hidráulicas inestables pueden ser enormes, provocando fallos en los cojinetes, daños en los sellos, fatiga del eje e incluso, en casos graves, fallos estructurales en el impulsor. Comprender y prevenir la recirculación es fundamental para la fiabilidad de la bomba.
Tipos de recirculación
1. Recirculación por succión
Se produce en la entrada del impulsor (lado de succión):
- Mecanismo: Con un caudal bajo, el fluido que entra en el ojo del impulsor tiene un ángulo de flujo incorrecto.
- Separación: El flujo se separa de las superficies de succión de las paletas.
- Flujo inverso: El fluido separado fluye hacia atrás, saliendo por el ojo del impulsor.
- Comienzo: Normalmente, el flujo BEP se sitúa entre 60 y 701 TP3T.
- Ubicación: Concentrado cerca de las cubiertas del impulsor
2. Recirculación de descarga
Se produce en la descarga del impulsor (salida):
- Mecanismo: El fluido de descarga a alta presión fluye hacia atrás, hacia la periferia del impulsor.
- Camino: A través de holguras (anillos de desgaste, holguras laterales)
- Mezclando: El flujo recirculado se mezcla con el flujo principal, creando turbulencias.
- Comienzo: Normalmente, el flujo BEP se sitúa entre 40 y 601 TP3T.
- Más grave: Generalmente más perjudicial que la recirculación por succión.
3. Recirculación combinada
- Tanto la recirculación de succión como la de descarga están presentes simultáneamente.
- Ocurre con caudales muy bajos (< 40% BEP)
- Potencial de vibración y daño más severo
- Debe evitarse mediante una protección de flujo mínima.
Firma de vibración
Patrón característico
- Frecuencia: Subsíncrono, típicamente de 0,2 a 0,8 veces la velocidad de funcionamiento
- Ejemplo: Bomba de 1750 RPM que muestra pulsaciones de 10-20 Hz
- Amplitud: Puede ser de 2 a 5 veces la vibración normal de funcionamiento.
- Inestable: La frecuencia y la amplitud varían, no son constantes.
- Componente aleatorio: Aumento de banda ancha debido a la turbulencia
Dependencia del flujo
- Alto caudal: Sin recirculación, baja vibración
- Flujo moderado (80-100% BEP): Recirculación mínima, vibración aceptable
- Caudal bajo (50-70% BEP): Comienza la recirculación por succión, aumenta la vibración.
- Caudal muy bajo (< 50% BEP): Recirculación severa, vibración muy alta
- Válvula: Máxima recirculación, máxima vibración y tasa de daños
Indicadores adicionales
- Alto vibración axial componente
- aumento del ruido (rugido o estruendo)
- Pérdida de rendimiento (altura y caudal por debajo de la curva)
- Aumento de temperatura debido a pérdidas hidráulicas
Consecuencias y daños
Efectos inmediatos
- Vibración severa: Puede superar los límites de alarma en minutos.
- Ruido: ruido fuerte y turbulento
- Pérdida de eficiencia: El consumo de energía es elevado para el caudal suministrado.
- Calefacción: Pérdidas hidráulicas convertidas en calor
Daños mecánicos
- Fallo del rodamiento: Las altas cargas cíclicas aceleran el desgaste de los rodamientos
- Daño del sello: Las vibraciones y las pulsaciones de presión dañan los sellos.
- Fatiga del eje: Esfuerzo de flexión alternado debido a fuerzas hidráulicas
- Daños en el impulsor: Fisuración por fatiga de las paletas debido a la carga cíclica
Daños hidráulicos
- Cavitación: Zonas de recirculación propensas a la cavitación
- Erosión: El flujo recirculante de alta velocidad erosiona las superficies
- Cavitación por vórtice: Los vórtices en las zonas de recirculación cavitan
Detección y diagnóstico
Análisis de vibraciones
- Buscar componentes sub-síncronos (0,2-0,8×)
- Prueba a diferentes caudales
- Identificar el caudal en el que comienzan las pulsaciones (inicio de la recirculación).
- Comparar con las predicciones de la curva de rendimiento de la bomba
Pruebas de rendimiento
- Medir la curva real de altura-caudal
- Comparar con la curva de diseño
- La desviación a bajo flujo indica recirculación.
- El consumo de energía fue superior al previsto.
Monitoreo acústico
- Sonido rugiente y turbulento característico
- Aumento del ruido de banda ancha
- Se puede oír y sentir en la carcasa de la bomba.
Prevención y mitigación
Estrategias operativas
Protección de flujo mínimo
- Instalar línea de recirculación de caudal mínimo automático
- La válvula se abre por debajo del caudal mínimo seguro (normalmente 60-70% BEP).
- El agua recircula la descarga de vuelta a la succión o al tanque.
- Impide el funcionamiento en la zona de recirculación.
Control del punto de operación
- Evite operar por debajo del caudal mínimo continuo.
- Utilice un variador de velocidad para adaptar la bomba a la demanda.
- Varias bombas más pequeñas en lugar de una sola bomba grande (mejor capacidad de regulación).
- Funcionamiento por etapas de bombas en paralelo
Soluciones de diseño
- Inductor: Etapa de entrada axial para estabilizar el flujo de succión
- Impulsores de bajo caudal: Diseños especiales para funcionamiento con bajo caudal
- Tamaño adecuado: No sobredimensione la bomba (evite el funcionamiento crónico con bajo caudal).
- Mayor rango de funcionamiento: Seleccione bombas con curvas planas que toleren variaciones de caudal.
Diseño de sistemas
- Sistema de diseño para el funcionamiento de la bomba cerca del punto de máxima eficiencia (BEP).
- Proporcionar un margen NPSH adecuado para reducir la cavitación en las zonas de recirculación.
- Colocación de la válvula de control para minimizar la restricción de la succión
- Sistemas de derivación o recirculación para garantizar un flujo mínimo
Normas y directrices del sector
Flujo continuo mínimo
- API 610: Especifica el caudal mínimo continuo estable para bombas centrífugas.
- Valores típicos: 60-70% de caudal BEP para bombas radiales, 70-80% para caudal mixto
- Consideraciones térmicas: También limitado por el aumento de temperatura a bajo caudal
Pruebas de rendimiento
- Las pruebas de fábrica verifican el punto de inicio de la recirculación
- Pruebas de rendimiento en campo para confirmar
- Criterios de aceptación para la vibración con caudal mínimo
La recirculación representa una de las condiciones de funcionamiento más severas para las bombas centrífugas. Su característica vibración subsíncrona, las elevadas amplitudes de pulsación y el potencial de daños mecánicos rápidos hacen que comprender las condiciones de inicio de la recirculación, implementar una protección mínima del flujo y evitar el funcionamiento crónico con bajo caudal sea esencial para la fiabilidad y la vida útil de la bomba en el servicio industrial.
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