Comprensione della ricircolazione nelle pompe
Definizione: Che cosa è la ricircolazione?
Ricircolo è un'instabilità di flusso che si verifica nelle pompe centrifughe e nei ventilatori quando funzionano a portate significativamente inferiori al punto di progetto (punto di massima efficienza o BEP). A basse portate, il fluido inverte parzialmente la direzione, scorrendo all'indietro dalla zona di scarico verso l'aspirazione, creando modelli di ricircolo instabili all'ingresso o allo scarico della girante. Questo fenomeno genera vibrazioni a bassa frequenza. vibrazione pulsazioni (tipicamente 0,2-0,8 volte la velocità di funzionamento), rumore, perdita di efficienza e può causare gravi danni meccanici attraverso carichi ciclici, cavitazione, e riscaldamento.
Il ricircolo è una delle condizioni operative più distruttive per le pompe, poiché le forze idrauliche instabili possono essere enormi, provocando guasti ai cuscinetti, danni alle tenute, affaticamento dell'albero e persino cedimenti strutturali della girante nei casi più gravi. Comprendere e prevenire il ricircolo è fondamentale per l'affidabilità della pompa.
Tipi di ricircolo
1. Ricircolo dell'aspirazione
Si verifica all'ingresso della girante (lato aspirazione):
- Meccanismo: A basso flusso, il fluido che entra nell'occhio della girante ha un angolo di flusso sbagliato
- Separazione: Il flusso si separa dalle superfici di aspirazione delle palette
- Flusso inverso: Il fluido separato scorre all'indietro fuori dall'occhio della girante
- Insorgenza: Tipicamente a 60-70% di flusso BEP
- Posizione: Concentrato vicino alle protezioni della girante
2. Ricircolo dello scarico
Si verifica allo scarico della girante (uscita):
- Meccanismo: Il fluido di scarico ad alta pressione scorre all'indietro nella periferia della girante
- Sentiero: Attraverso fessure di gioco (anelli di usura, fessure laterali)
- Miscelazione: Il flusso ricircolato si mescola con il flusso principale, creando turbolenza
- Insorgenza: Tipicamente a 40-60% di flusso BEP
- Più grave: Generalmente più dannoso della ricircolazione tramite aspirazione
3. Ricircolo combinato
- Sia l'aspirazione che la ricircolazione di scarico sono presenti contemporaneamente
- Si verifica a flussi molto bassi (< 40% BEP)
- Vibrazioni e danni potenzialmente più gravi
- Dovrebbe essere evitato tramite protezione minima del flusso
Firma di vibrazione
Modello caratteristico
- Frequenza: Sub-sincrono, in genere velocità di corsa 0,2-0,8×
- Esempio: Pompa da 1750 giri/min che mostra pulsazioni da 10-20 Hz
- Ampiezza: Può essere 2-5 volte la normale vibrazione di funzionamento
- Instabile: La frequenza e l'ampiezza variano, non sono costanti
- Componente casuale: Aumento della banda larga dovuto alla turbolenza
Dipendenza dal flusso
- Flusso elevato: Nessuna ricircolazione, basse vibrazioni
- Flusso moderato (80-100% BEP): Ricircolo minimo, vibrazioni accettabili
- Basso flusso (50-70% BEP): Inizia il ricircolo dell'aspirazione, aumentano le vibrazioni
- Flusso molto basso (< 50% BEP): Ricircolo intenso, vibrazioni molto elevate
- Spegnimento: Massima ricircolazione, massima vibrazione e tasso di danneggiamento
Indicatori aggiuntivi
- Alto vibrazione assiale componente
- Aumento del rumore (rombo o rimbombo)
- Perdita di prestazioni (prevalenza e portata sotto la curva)
- Aumento della temperatura dovuto a perdite idrauliche
Conseguenze e danni
Effetti immediati
- Vibrazioni forti: Può superare i limiti di allarme in pochi minuti
- Rumore: forte rumore turbolento
- Perdita di efficienza: Consumo energetico elevato per la portata erogata
- Riscaldamento: Perdite idrauliche convertite in calore
Danni meccanici
- Guasto del cuscinetto: Carichi ciclici elevati accelerano l'usura dei cuscinetti
- Danni alla guarnizione: Le vibrazioni e le pulsazioni di pressione danneggiano le guarnizioni
- Fatica dell'albero: Sollecitazione di flessione alternata da forze idrauliche
- Danni alla girante: Cricche da fatica delle palette dovute a carichi ciclici
Danni idraulici
- Cavitazione: Zone di ricircolo soggette a cavitazione
- Erosione: Il flusso di ricircolo ad alta velocità erode le superfici
- Cavitazione vorticosa: I vortici nelle zone di ricircolo cavitano
Rilevamento e diagnosi
Analisi delle vibrazioni
- Cerca componenti sub-sincrone (0,2-0,8×)
- Prova a più portate
- Identificare la portata in cui iniziano le pulsazioni (inizio della ricircolazione)
- Confronta con le previsioni della curva di prestazione della pompa
Test delle prestazioni
- Misurare la curva reale della portata
- Confronta con la curva di progettazione
- La deviazione a basso flusso indica la ricircolazione
- Consumo energetico superiore alla previsione della curva
Monitoraggio acustico
- Distintivo suono turbolento e ruggente
- Aumento del rumore a banda larga
- Può essere udito e percepito nel corpo della pompa
Prevenzione e mitigazione
Strategie operative
Protezione minima del flusso
- Installare la linea di ricircolo automatica a portata minima
- La valvola si apre al di sotto del flusso minimo sicuro (in genere 60-70% BEP)
- Ricircola lo scarico verso l'aspirazione o il serbatoio
- Impedisce il funzionamento nella zona di ricircolo
Controllo del punto operativo
- Evitare il funzionamento al di sotto del flusso continuo minimo
- Utilizzare un azionamento a velocità variabile per adattare la pompa alla domanda
- Più pompe più piccole anziché una singola pompa grande (migliore riduzione della portata)
- Funzionamento a stadi delle pompe parallele
Soluzioni di progettazione
- Induttore: Stadio di ingresso assiale per stabilizzare il flusso di aspirazione
- Giranti a basso flusso: Progetti speciali per il funzionamento a basso flusso
- Dimensionamento corretto: Non sovradimensionare la pompa (evitare il funzionamento cronico a basso flusso)
- Intervallo operativo più ampio: Selezionare pompe con curve piatte che tollerino variazioni di flusso
Progettazione del sistema
- Sistema di progettazione per il funzionamento della pompa vicino al BEP
- Fornire un margine NPSH adeguato per ridurre la cavitazione nelle zone di ricircolo
- Posizionamento della valvola di controllo per ridurre al minimo la strozzatura dell'aspirazione
- Sistemi di bypass o di ricircolo per la garanzia del flusso minimo
Standard e linee guida del settore
Flusso continuo minimo
- API 610: Specifica il flusso minimo continuo stabile per le pompe centrifughe
- Valori tipici: 60-70% di flusso BEP per pompe radiali, 70-80% per flusso misto
- Considerazioni termiche: Limitato anche dall'aumento della temperatura a basso flusso
Test delle prestazioni
- I test di fabbrica verificano il punto di inizio della ricircolazione
- Test di prestazione sul campo per confermare
- Criteri di accettazione per le vibrazioni al flusso minimo
Il ricircolo rappresenta una delle condizioni operative più gravose per le pompe centrifughe. La sua caratteristica vibrazione sub-sincrona, le ampiezze di pulsazione elevate e il potenziale rischio di danni meccanici rapidi rendono essenziale la comprensione delle condizioni di inizio del ricircolo, l'implementazione di protezioni a portata minima ed evitare il funzionamento cronico a bassa portata per l'affidabilità e la longevità della pompa in servizio industriale.
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