Comprensione della ricircolazione nelle pompe
Ricircolo è un'instabilità di flusso che si verifica nelle pompe centrifughe e nei ventilatori quando funzionano a portate nettamente inferiori al loro punto di progetto — il punto di massima efficienza, o BEP. A basse portate, una parte del fluido inverte la direzione, rifluendo dalla zona di mandata verso quella di aspirazione e formando modelli di ricircolo instabili all'ingresso o all'uscita della girante. Il risultato è un fenomeno a bassa frequenza vibrazione pulsazione (in genere pari a 0,2–0,8 volte la velocità di corsa e quindi sub-sincrono), rumore, perdita di efficienza e — nei casi più gravi — gravi danni meccanici causati dai carichi ciclici, cavitazione e il riscaldamento. Si tratta di uno dei modi più dannosi di utilizzare una pompa, ed evitarlo è fondamentale per affidabilità della pompa.
1. Definizione: instabilità idraulica a bassa portata
Una girante è progettata in modo tale che, nel punto di massima efficienza (BEP), il fluido entri ed esca dalle pale con angoli specifici. Se si riduce la portata ben al di sotto di quel punto, i triangoli di velocità non corrispondono più alla geometria delle pale: l'angolo di incidenza si altera notevolmente, il flusso si stacca dalle pale e il fluido che la girante ha già accelerato rifluisce all'indietro. Questi flussi invertiti e vorticosi costituiscono il ricircolo. Poiché il flusso instabile forze idrauliche possono essere enormi; il ricircolo può causare guasti ai cuscinetti, danni alle guarnizioni, all'albero fatica e persino il cedimento strutturale della girante stessa. Comprendere e prevenirlo è fondamentale per garantire la durata della pompa.
2. Tipi di ricircolo
Ricircolo con aspirazione
Si verifica all'ingresso della girante (lato aspirazione):
- Meccanismo: A bassa portata, il fluido che entra nell'occhio della girante arriva con un angolo di flusso errato.
- Separazione: il flusso si stacca dalle superfici di aspirazione delle pale.
- Reverse flow: il fluido separato fuoriesce all'indietro dall'occhio della girante.
- Insorgenza: in genere al 60–70% della portata BEP.
- Posizione: concentrati in prossimità delle coperture della girante.
Ricircolo delle acque di scarico
Si verifica allo scarico della girante (l'uscita):
- Meccanismo: Il fluido di scarico ad alta pressione scorre all'indietro nella periferia della girante
- Sentiero: attraverso gli spazi di gioco, quali gli anelli di usura e gli spazi laterali.
- Miscelazione: il flusso di ricircolo si mescola con il flusso principale, generando turbolenza.
- Insorgenza: in genere al 40–60% della portata BEP.
- Gravità: Generalmente più dannoso della ricircolazione tramite aspirazione
Ricircolo combinato
- Si verificano contemporaneamente sia il ricircolo in aspirazione che quello in mandata.
- Si verifica in presenza di portate molto basse, inferiori a circa il 40% della portata di equilibrio.
- Provoca le vibrazioni più intense e comporta il maggior rischio di danni.
- È opportuno evitarlo ricorrendo alla protezione a portata minima.
3. Profilo delle vibrazioni
Schema caratteristico
- Frequenza: sub-sincrono, in genere pari a 0,2–0,8 volte la velocità di marcia.
- Esempio: una pompa a 1750 giri/min che presenta pulsazioni di 10–20 Hz.
- Ampiezza: può raggiungere un livello pari a 2–5 volte quello delle normali vibrazioni di funzionamento.
- Instabile: sia la frequenza che l'ampiezza variano invece di rimanere costanti.
- Componente casuale: un aumento della larghezza di banda dovuto alle turbolenze che si sovrappongono.
È proprio questo carattere fluttuante e non sincrono che distingue il ricircolo dal ritmo costante 1× di sbilanciare e il picco della frequenza di rotazione della pala di frequenza di passaggio delle palette; per individuarlo è solitamente necessario esaminare sia il spettro e il forma d'onda temporale.
Dipendenza dal flusso
- High flow: nessun ricircolo, basse vibrazioni.
- Portata moderata (80–100% del BEP): ricircolo minimo, vibrazioni accettabili.
- Bassa portata (50–70% del BEP): Si avvia il ricircolo per aspirazione e aumentano le vibrazioni.
- Portata molto bassa (< 50% del BEP): forte ricircolo e vibrazioni molto intense.
- Spegnimento: massimo ricircolo, massima vibrazione e il tasso di deterioramento più elevato.
Indicatori aggiuntivi
- A high vibrazione assiale componente.
- Aumento del rumore — un rombo o un brontolio.
- Calo delle prestazioni, con pressione e portata inferiori ai valori indicati nella curva.
- Aumento della temperatura dovuto alle perdite idrauliche che vengono trasferite al fluido.
4. Conseguenze e danni
Effetti immediati
- Forti vibrazioni: può superare i limiti di allarme nel giro di pochi minuti.
- Rumore: un boato forte e fragoroso.
- Perdita di efficienza: elevato consumo energetico rispetto alla portata effettivamente erogata.
- Riscaldamento: perdite idrauliche convertite in calore nell'involucro.
Danni meccanici
- Guasto al cuscinetto: I carichi ciclici elevati accelerano l'usura dei cuscinetti Indossare.
- Seal damage: le vibrazioni e le pulsazioni di pressione danneggiano guarnizioni meccaniche.
- Shaft fatigue: sollecitazioni di flessione alternate dovute alle forze idrauliche instabili.
- Danni alla girante: vane fessurazione da fatica a causa di sollecitazioni cicliche.
Danni idraulici
- Cavitazione: le zone di ricircolo sono soggette a cavitazione quando la pressione locale scende al di sotto della pressione di vapore.
- Erosione: Il flusso di ricircolo ad alta velocità erode le superfici.
- Cavitazione a vortice: i vortici all'interno delle zone di ricircolo generano cavitazione nei loro nuclei a bassa pressione.
5. Individuazione e diagnosi
Analisi delle vibrazioni
- Cercare componenti subsincroni nella banda 0,2–0,8×.
- Effettuare prove a diverse portate per tracciare il andamento.
- Determinare la portata alla quale iniziano le pulsazioni — l'inizio del ricircolo.
- Confronta i risultati con le previsioni della curva di prestazione della pompa.
Test delle prestazioni
- Misurare la curva effettiva pressione-portata.
- Confrontalo con la curva di progettazione.
- Una deviazione in presenza di portata ridotta indica un ricircolo.
- Il consumo energetico superiore a quanto previsto dalla curva costituisce una prova a conferma di ciò.
Monitoraggio acustico
- Un caratteristico rombo turbolento.
- Un aumento del rumore di banda larga.
- Spesso udibile e percepibile al tatto sul corpo della pompa.
6. Prevenzione e mitigazione
Strategie operative
Protezione da portata minima
- Installare una linea di ricircolo automatica a portata minima.
- Una valvola si apre ogni volta che la portata scende al di sotto del minimo di sicurezza (in genere il 60–70% della portata di equilibrio).
- Il liquido di scarico viene reimmesso nell'aspirazione o in un serbatoio.
- In questo modo la pompa rimane fuori dalla zona di ricircolo.
Controllo del punto di funzionamento
- Evitare di funzionare al di sotto della portata minima stabile continua.
- Utilizzare un variatore di velocità per adattare la pompa alla domanda, sfruttando il affinity laws utilizzare il BEP in una vasta gamma di mansioni.
- È preferibile utilizzare diverse pompe di piccole dimensioni piuttosto che una sola pompa di grandi dimensioni, per ottenere una migliore regolazione della portata.
- Attivare e disattivare le pompe in parallelo in base alle variazioni della domanda.
Soluzioni di progettazione
- Induttore: uno stadio di aspirazione assiale per stabilizzare il flusso in aspirazione.
- Giranti a bassa portata: modelli speciali progettati per un funzionamento a bassa portata.
- Proper sizing: Non scegliere una pompa sovradimensionata, poiché ciò costringe il sistema a funzionare costantemente a bassa portata.
- Campo operativo più ampio: scegliere pompe con curve di portata piatte in grado di sopportare variazioni di portata.
Progettazione del sistema
- Progettare l'impianto in modo che la pompa funzioni in prossimità del punto di massima efficienza (BEP).
- Prevedere un margine NPSH adeguato per limitare la cavitazione nelle zone di ricircolo.
- Posizionare le valvole di regolazione in modo da ridurre al minimo la limitazione dell'aspirazione.
- Prevedere sistemi di bypass o di ricircolo per garantire una portata minima.
7. 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% della portata BEP per le pompe radiali, 70–80% per i modelli a flusso misto.
- Aspetti termici: La portata minima è inoltre limitata dall'aumento di temperatura che il fluido è in grado di sopportare a bassa portata.
Test delle prestazioni
- I test in fabbrica verificano il punto di inizio del ricircolo.
- I test di prestazione sul campo lo confermano nel sistema installato.
- I criteri di accettazione specificano il livello di vibrazione ammissibile alla portata minima, spesso riferito a ISO 20816 zone di severità.
Poiché il ricircolo, lo squilibrio, gli effetti di passaggio tra le pale e la cavitazione possono tutti aumentare le vibrazioni della pompa, la procedura diagnostica più efficace consiste nel misurare lo spettro a diverse portate e verificare quale componente segua l'andamento della portata. Un analizzatore portatile a due canali come il Bilanciamento-1a rileva la pulsazione subsincrona e la sua dipendenza dal flusso direttamente sulla pompa, contribuendo a confermare la presenza di ricircolo piuttosto che di un guasto al rotore — e, laddove l'elevata vibrazione risulta essere 1× sbilanciare nell'girante, consente al tecnico di bilanciarla sul posto senza smontare la pompa. Per individuare le frequenze rilevanti prima di iniziare, un Stima della frequenza di cavitazione della pompa e un calcolatore della frequenza di passaggio delle pale evidenziare i punti in cui dovrebbero comparire il rumore da cavitazione e i picchi di passaggio delle pale, in modo che la banda di ricircolo subsincrono fluttuante risalti chiaramente.
Il ricircolo è una delle condizioni operative più gravose a cui può essere sottoposta una pompa centrifuga. La sua caratteristica firma vibrazionale subsincrona, le ampie ampiezze delle pulsazioni e la tendenza a provocare rapidi danni meccanici rendono fondamentale comprendere le condizioni che ne determinano l'insorgenza, installare sistemi di protezione contro la portata minima ed evitare il funzionamento cronico a bassa portata: questi sono gli elementi chiave per garantire l'affidabilità e la longevità della pompa nell'ambito industriale.
