Comprensión de la recirculación en bombas
Recirculación es una inestabilidad de flujo que se produce en las bombas centrífugas y los ventiladores cuando funcionan a caudales muy inferiores a su punto de diseño —el punto de máxima eficiencia, o BEP—. A bajos caudales, parte del fluido invierte su dirección, fluyendo hacia atrás desde la zona de descarga hacia la de aspiración y formando patrones de recirculación inestables en la entrada o la salida del impulsor. El resultado es una baja frecuencia vibración pulsación (normalmente entre 0,2 y 0,8 veces la velocidad de giro y, por lo tanto, subsincrónico), ruido, pérdida de eficiencia y —en casos graves— daños mecánicos graves debidos a cargas cíclicas, cavitación y el calentamiento. Se trata de una de las formas más perjudiciales de hacer funcionar una bomba, y evitarla es fundamental para fiabilidad de la bomba.
1. Definición: inestabilidad hidráulica de bajo caudal
Un impulsor está diseñado para que el fluido entre y salga de sus álabes en ángulos específicos en el punto de máximo rendimiento (BEP). Si se reduce el caudal muy por debajo de ese punto, los triángulos de velocidad dejan de coincidir con la geometría de los álabes: el ángulo de incidencia se desvía considerablemente, el flujo se separa de los álabes y el fluido que el impulsor ya ha impulsado se derrama hacia atrás. Estas corrientes inversas y arremolinadas constituyen la recirculación. Debido a la inestabilidad fuerzas hidráulicas pueden ser enormes; la recirculación puede provocar fallos en los cojinetes, daños en las juntas y en el eje fatiga e incluso el fallo estructural del propio impulsor. Comprenderlo y prevenirlo es fundamental para garantizar la durabilidad de la bomba.
2. Tipos de recirculación
Recirculación por succión
Se produce en la entrada del impulsor (el lado de succión):
- Mecanismo: A bajo caudal, el fluido que entra por el ojo del impulsor llega con un ángulo de flujo incorrecto.
- Separación: el flujo se separa de las superficies de succión de los álabes.
- Flujo inverso: El fluido separado sale hacia atrás por el ojo del impulsor.
- Comienzo: normalmente entre el 60 % y el 70 % del caudal del punto de mejor eficiencia (BEP).
- Ubicación: concentradas cerca de las cubiertas del impulsor.
Recirculación de la descarga
Se produce en la descarga del impulsor (la salida):
- Mecanismo: El fluido de descarga a alta presión fluye hacia atrás, hacia la periferia del impulsor.
- Camino: a través de los huecos de holgura, como los anillos de desgaste y los huecos laterales.
- Mezclando: el flujo de recirculación se mezcla con el flujo principal, generando turbulencia.
- Comienzo: normalmente entre el 40 % y el 60 % del caudal del punto de mejor eficiencia (BEP).
- Gravedad: Generalmente más perjudicial que la recirculación por succión.
Recirculación combinada
- Se producen simultáneamente la recirculación en la aspiración y en la descarga.
- Se produce con caudales muy bajos, por debajo del 40 % del caudal del punto de mejor eficiencia (BEP).
- Es la que produce las vibraciones más intensas y la que presenta un mayor riesgo de daños.
- Esto debería evitarse mediante la protección contra caudales mínimos.
3. Firma de vibración
Patrón característico
- Frecuencia: subsincrónica, normalmente entre 0,2 y 0,8 veces la velocidad de marcha.
- Ejemplo: una bomba de 1750 rpm que presenta pulsaciones de entre 10 y 20 Hz.
- Amplitud: puede alcanzar entre 2 y 5 veces el nivel de vibración normal de funcionamiento.
- Inestable: tanto la frecuencia como la amplitud varían en lugar de mantenerse constantes.
- Componente aleatorio: se superpone un aumento de banda ancha debido a las turbulencias.
Este carácter errático y asíncrono es lo que distingue a la recirculación del ritmo constante de 1× de desequilibrar y el pico de la frecuencia de paso de palas de frecuencia de paso de la paleta; para capturarlo, suele ser necesario examinar tanto el espectro y el forma de onda temporal.
Dependencia del flujo
- Alto caudal: sin recirculación, baja vibración.
- Caudal moderado (80-100 % del caudal nominal): recirculación mínima, vibraciones aceptables.
- Bajo caudal (50-70 % del caudal nominal): Comienza la recirculación por succión y aumenta la vibración.
- Caudal muy bajo (< 50 % del caudal nominal): una recirculación intensa y una vibración muy elevada.
- Válvula: máxima recirculación, máxima vibración y la tasa de deterioro más rápida.
Indicadores adicionales
- Un alto vibración axial componente.
- Aumento del ruido: rugidos o retumbos.
- Pérdida de rendimiento, con la altura manométrica y el caudal situándose por debajo de la curva.
- Aumento de la temperatura debido a las pérdidas hidráulicas que se transmiten al fluido.
4. Consecuencias y daños
Efectos inmediatos
- Vibraciones intensas: puede superar los límites de alarma en cuestión de minutos.
- Ruido: un rugido fuerte y estruendoso.
- Pérdida de eficiencia: un consumo elevado de energía en relación con el caudal realmente suministrado.
- Calefacción: pérdidas hidráulicas convertidas en calor en la carcasa.
Daños mecánicos
- Fallo de un rodamiento: Las cargas cíclicas elevadas aceleran el desgaste de los rodamientos tener puesto.
- Daños en el sello: las vibraciones y las pulsaciones de presión destruyen sellos mecánicos.
- Fatiga del eje: tensión de flexión alterna provocada por las fuerzas hidráulicas variables.
- Daños en el impulsor: paleta fisuras por fatiga debido a las cargas cíclicas.
Daños hidráulicos
- Cavitación: Las zonas de recirculación son propensas a la cavitación, ya que la presión local desciende por debajo de la presión de vapor.
- Erosión: El flujo de recirculación a alta velocidad erosiona las superficies.
- Cavitación por vórtice: Los vórtices dentro de las zonas de recirculación producen cavitación en sus núcleos de baja presión.
5. Detección y diagnóstico
Análisis de vibraciones
- Busca componentes subsincrónicos en la banda de 0,2–0,8×.
- Realice pruebas con varios caudales para determinar el comportamiento.
- Determina el caudal a partir del cual comienzan las pulsaciones: el inicio de la recirculación.
- Compara los resultados con las predicciones de la curva de rendimiento de la bomba.
Pruebas de rendimiento
- Mide la curva real de altura de elevación y caudal.
- Compáralo con la curva de diseño.
- Una desviación con caudales bajos indica que hay recirculación.
- El consumo de energía superior al previsto por la curva constituye una prueba que lo corrobora.
Monitorización acústica
- Un característico rugido turbulento.
- Un aumento del ruido de banda ancha.
- A menudo se oye y se nota en la carcasa de la bomba.
6. Prevención y mitigación
Estrategias operativas
Protección contra caudal mínimo
- Instala una línea de recirculación automática de caudal mínimo.
- Una válvula se abre cada vez que el caudal desciende por debajo del mínimo de seguridad (normalmente entre el 60 % y el 70 % del BEP).
- Recircula el líquido de descarga de vuelta a la succión o a un depósito.
- De este modo, la bomba queda fuera de la zona de recirculación.
Control del punto de funcionamiento
- Evita funcionar por debajo del caudal mínimo estable continuo.
- Utilice un variador de velocidad para adaptar la bomba a la demanda, aprovechando el leyes de afinidad para mantenerse en el BEP en una amplia variedad de regímenes de trabajo.
- Es mejor utilizar varias bombas pequeñas en lugar de una sola grande para conseguir una mayor capacidad de regulación.
- Activa y desactiva las bombas en paralelo según varíe la demanda.
Soluciones de diseño
- Inductor: una etapa de entrada axial para estabilizar el flujo de aspiración.
- Impulsores de bajo caudal: diseños especiales destinados a un servicio de bajo caudal.
- Talla adecuada: No elija una bomba de mayor tamaño del necesario, ya que esto obliga a un funcionamiento crónico con bajo caudal.
- Mayor rango de funcionamiento: Seleccione bombas con curvas planas que soporten variaciones en el caudal.
Diseño de sistemas
- Diseña el sistema de manera que la bomba funcione cerca del punto de rendimiento óptimo (BEP).
- Proporcione un margen de NPSH adecuado para limitar la cavitación en las zonas de recirculación.
- Coloque las válvulas de control de manera que se reduzca al mínimo el estrangulamiento en la aspiración.
- Incluya sistemas de derivación o recirculación para garantizar un caudal mínimo.
7. Normas y directrices del sector
Flujo continuo mínimo
- API 610: Especifica el caudal mínimo continuo estable para bombas centrífugas.
- Valores típicos: Entre el 60 % y el 70 % del caudal BEP para las bombas radiales, y entre el 70 % y el 80 % para los modelos de flujo mixto.
- Consideraciones térmicas: El caudal mínimo también viene limitado por el aumento de temperatura que el fluido puede soportar a bajo caudal.
Pruebas de rendimiento
- Las pruebas de fábrica verifican el punto de inicio de la recirculación.
- Las pruebas de rendimiento en campo lo confirman en el sistema instalado.
- Los criterios de aceptación especifican la vibración admisible con el caudal mínimo, a menudo en relación con ISO 20816 zonas de severidad.
Dado que la recirculación, el desequilibrio, los efectos de paso de las paletas y la cavitación pueden aumentar la vibración de la bomba, el paso práctico para el diagnóstico consiste en medir el espectro a varios caudales y comprobar qué componente varía en función del caudal. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A detecta la pulsación subsincrónica y su dependencia del caudal directamente en la bomba, lo que ayuda a confirmar que se trata de recirculación y no de un fallo del rotor — y, cuando la vibración elevada resulta ser de 1× desequilibrar en el impulsor, permite al técnico equilibrarlo sin necesidad de desmontar la bomba. Para delimitar las frecuencias pertinentes antes de empezar, un estimador de la frecuencia de cavitación de la bomba y un Calculadora de la frecuencia de paso de las palas marcar dónde deberían aparecer el ruido de cavitación y los picos de paso de las paletas, de modo que la banda de recirculación subsincrónica errante se distinga claramente.
La recirculación es una de las condiciones de funcionamiento más severas a las que puede verse sometida una bomba centrífuga. Su característica firma de vibración subsincrónica, las grandes amplitudes de pulsación y su capacidad para provocar daños mecánicos rápidos hacen que sea fundamental comprender las condiciones en las que se produce, instalar un sistema de protección contra caudales mínimos y evitar el funcionamiento crónico con caudales bajos: estas son las claves para la fiabilidad y la longevidad de la bomba en el ámbito industrial.
