Inzicht in recirculatie in pompen
Recirculatie is een stromingsinstabiliteit die optreedt in centrifugaalpompen en ventilatoren wanneer deze draaien bij debieten die ver onder hun ontwerppunt liggen — het punt met het hoogste rendement, of BEP. Bij een laag debiet keert een deel van de vloeistof van richting, stroomt terug vanuit het persgebied naar de zuigzijde en vormt onstabiele recirculatiepatronen bij de inlaat of uitlaat van de waaier. Het gevolg is laagfrequente trillingen pulsatie (doorgaans 0,2–0,8× de loopsnelheid en dus subsynchroon), geluidsoverlast, efficiëntieverlies en — in ernstige gevallen — ernstige mechanische schade als gevolg van cyclische belasting, cavitatie en verwarming. Dit behoort tot de meest schadelijke manieren om een pomp te gebruiken, en het vermijden ervan is van cruciaal belang voor betrouwbaarheid van de pomp.
1. Definitie: hydraulische instabiliteit bij laag debiet
Een waaier is zo ontworpen dat de vloeistof bij het BEP onder specifieke hoeken de schoepen binnenkomt en verlaat. Als de doorstroming ver onder dat punt wordt teruggeschroefd, komen de snelheidsdriehoeken niet meer overeen met de geometrie van de schoepen: de invalshoek raakt ernstig verstoord, de stroming lost los van de schoepen en vloeistof die de waaier al in beweging heeft gebracht, stroomt terug. Deze omgekeerde, wervelende stromen vormen de recirculatie. Omdat de instabiele hydraulische krachten de krachten die ze veroorzaken kunnen enorm zijn; recirculatie kan leiden tot defecte lagers, beschadigde afdichtingen en as vermoeidheid en zelfs structurele schade aan de waaier zelf. Inzicht hierin en het voorkomen ervan zijn van cruciaal belang voor de levensduur van de pomp.
2. Soorten recirculatie
Zuigrecirculatie
Treedt op bij de inlaat van de waaier (de zuigzijde):
- Mechanisme: bij een laag debiet komt de vloeistof die het oog van de waaier binnenstroomt onder een verkeerde strominghoek binnen.
- Scheiding: de stroming komt los van de zuigvlakken van de schoepen.
- Reverse flow: de afgescheiden vloeistof stroomt terug uit het oog van de waaier.
- Begin: meestal bij 60–70% van de BEP-stroom.
- Locatie: voornamelijk bij de waaiermantels.
Afvoer en recirculatie
Treedt op bij de uitlaat van de waaier (de uitlaat):
- Mechanisme: Hogedruk-uitlaatvloeistof stroomt terug in de waaieromtrek
- Pad: via spelingopeningen zoals slijtringen en zijdelingse speling.
- Mengen: de teruggevoerde stroom vermengt zich met de hoofdstroom, waardoor turbulentie.
- Begin: meestal bij 40–60% van de BEP-stroom.
- Ernst: Over het algemeen schadelijker dan zuigrecirculatie
Gecombineerde recirculatie
- Zowel de aanzuig- als de perszijde zijn tegelijkertijd in recirculatie.
- Treedt op bij zeer lage debieten, onder ongeveer 40% van het BEP.
- Veroorzaakt de hevigste trillingen en brengt het grootste risico op schade met zich mee.
- Dit moet worden voorkomen door middel van een minimumstrombescherming.
3. Trillingspatroon
Karakteristiek patroon
- Frequentie: sub-synchroon, doorgaans 0,2–0,8× de loopsnelheid.
- Voorbeeld: een pomp met een toerental van 1750 tpm die pulsaties van 10–20 Hz vertoont.
- Amplitude: kan 2 tot 5 keer zo hoog zijn als de normale bedrijfstrillingen.
- Instabiel: zowel de frequentie als de amplitude variëren in plaats van constant te blijven.
- Willekeurig onderdeel: een breedbandige toename als gevolg van turbulentie bovenop.
Dit schommelende, niet-synchrone karakter is wat recirculatie onderscheidt van de constante 1× van onevenwicht en de piek in het aantal mesbewegingen van schoeppasseringsfrequentie; om dit vast te leggen, moet je meestal zowel de spectrum en de tijdgolfvorm.
Stroomafhankelijkheid
- High flow: geen recirculatie, weinig trillingen.
- Matige doorstroming (80–100% BEP): minimale recirculatie, aanvaardbare trillingen.
- Laag debiet (50–70% van het nominale debiet): de recirculatie via de aanzuiging begint en de trillingen nemen toe.
- Zeer laag debiet (< 50% BEP): ernstige recirculatie en zeer sterke trillingen.
- Uitschakelen: maximale recirculatie, maximale trillingen en de snelste slijtage.
Aanvullende indicatoren
- A high axiale trilling component.
- Meer geluid — gebrul of gerommel.
- Prestatieverlies, waarbij het druk- en debietverloop onder de curve daalt.
- Temperatuurstijging als gevolg van de hydraulische verliezen die in de vloeistof terechtkomen.
4. Gevolgen en schade
Onmiddellijke effecten
- Sterke trillingen: kan binnen enkele minuten de alarmgrenzen overschrijden.
- Lawaai: een luid, onstuimig gebrul.
- Efficiëntieverlies: hoog stroomverbruik in verhouding tot de daadwerkelijk geleverde doorstroming.
- Verwarming: hydraulische verliezen die in de behuizing in warmte worden omgezet.
Mechanische schade
- Lagerstoring: Hoge cyclische belastingen versnellen de slijtage van lagers dragen.
- Beschadiging van de afdichting: trillingen en drukpulsaties vernietigen mechanische afdichtingen.
- Shaft fatigue: wisselende buigspanning als gevolg van de wisselende hydraulische krachten.
- Schade aan de waaier: vane vermoeidheidsscheuren door cyclische belasting.
Hydraulische schade
- Cavitatie: recirculatiezones zijn gevoelig voor cavitatie wanneer de lokale druk onder de dampdruk daalt.
- Erosie: Een recirculerende stroming met hoge snelheid tast oppervlakken aan.
- Vortexcavitatie: De wervelingen in de recirculatiezones veroorzaken cavitatie in hun lagedrukcentra.
5. Opsporing en diagnose
Trillingsanalyse
- Zoek naar subsynchrone componenten in de 0,2–0,8×-band.
- Test bij verschillende debieten om het gedrag in kaart te brengen.
- Bepaal het debiet waarbij pulsaties optreden — het begin van de recirculatie.
- Vergelijk de resultaten met de voorspellingen van de prestatiecurve van de pomp.
Prestatietesten
- Meet de werkelijke druk-debietcurve.
- Vergelijk het met de ontwerpcurve.
- Een afwijking bij een laag debiet duidt op recirculatie.
- Het feit dat het stroomverbruik hoger ligt dan de curve voorspelt, vormt een bevestiging hiervan.
Akoestische monitoring
- Een kenmerkend, turbulent gebrul.
- Een toename van de breedbandruis.
- Vaak hoorbaar en voelbaar bij het pomphuis.
6. Preventie en beperking
Bedrijfsstrategieën
Beveiliging tegen te lage doorstroming
- Installeer een automatische recirculatieleiding met minimale doorstroming.
- Er gaat een klep open zodra het debiet onder het veilige minimum daalt (meestal 60–70% van het BEP).
- Het voert het afvoerwater terug naar de aanzuigopening of naar een tank.
- Hierdoor blijft de pomp buiten de recirculatiezone.
Regeling van het werkpunt
- Zorg ervoor dat u niet onder de minimale continue stabiele doorstroming komt.
- Gebruik een frequentieregelaar om de pomp aan de vraag aan te passen, waarbij u gebruikmaakt van de verwantschapswetten om de BEP in te zetten voor diverse taken.
- Kies liever voor meerdere kleinere pompen dan voor één grote pomp, voor een betere regelbaarheid.
- Schakel parallelle pompen in en uit naarmate de vraag verandert.
Ontwerpoplossingen
- Inductor: een axiale inlaattrap om de aanzuigstroom te stabiliseren.
- Waaierbladen met laag debiet: speciale uitvoeringen die zijn ontworpen voor gebruik bij een laag debiet.
- Proper sizing: Kies geen pomp die te groot is, want dat leidt tot een chronisch lage doorstroming.
- Groter werkbereik: kies pompen met vlakke prestatiecurves die schommelingen in het debiet goed kunnen opvangen.
Systeemontwerp
- Ontwerp het systeem zodanig dat de pomp in de buurt van het BEP werkt.
- Zorg voor een voldoende NPSH-marge om cavitatie in de recirculatiezones te beperken.
- Plaats regelkleppen zo dat de zuigweerstand tot een minimum wordt beperkt.
- Voorzie bypass- of recirculatiesystemen om een minimale doorstroming te garanderen.
7. Normen en richtlijnen voor de sector
Minimale continue stroom
- API 610: Specificeert minimale continue stabiele stroming voor centrifugaalpompen
- Typische waarden: 60–70% van het BEP-debiet voor radiale pompen, 70–80% voor pompen met gemengde stroming.
- Thermische overwegingen: het minimale debiet wordt ook beperkt door de temperatuurstijging die de vloeistof bij een laag debiet kan verdragen.
Prestatietesten
- In fabriekstests wordt het beginpunt van de recirculatie vastgesteld.
- Praktijktests in het veld bevestigen dit in het geïnstalleerde systeem.
- In de acceptatiecriteria wordt de toegestane trilling bij minimale doorstroming gespecificeerd, vaak uitgedrukt in ISO 20816 ernstzone's.
Aangezien recirculatie, onbalans, schoepdoorgangseffecten en cavitatie allemaal de trillingen van de pomp kunnen versterken, is de praktische diagnostische stap om het spectrum bij verschillende debieten te meten en te kijken welke component het debiet volgt. Een draagbare tweekanaalsanalysator zoals de Balans-1a registreert de subsynchrone pulsatie en de afhankelijkheid daarvan van de doorstroming direct bij de pomp, waardoor kan worden vastgesteld dat er sprake is van recirculatie en niet van een defecte rotor — en wanneer de verhoogde trillingen 1× onevenwicht in de waaier, waardoor de monteur deze ter plaatse kan uitbalanceren zonder de pomp te demonteren. Om de relevante frequenties vast te stellen voordat u begint, een schatter voor de cavitatiefrequentie van een pomp en een calculator voor de frequentie van de mesbeweging markeer waar cavitatiegeluid en pieken bij het passeren van de schoepen zouden moeten optreden, zodat de zwervende subsynchrone recirculatieband duidelijk naar voren komt.
Recirculatie behoort tot de zwaarste bedrijfsomstandigheden waarmee een centrifugaalpomp te maken kan krijgen. Vanwege de kenmerkende subsynchrone trillingspatroon, de grote pulsatieamplitudes en het risico op snelle mechanische schade is het van essentieel belang om de omstandigheden te begrijpen waarin dit fenomeen optreedt, een beveiliging tegen te lage doorstroming te installeren en langdurig bedrijf bij een te laag debiet te vermijden — dit zijn de sleutelfactoren voor de betrouwbaarheid en levensduur van pompen in industriële toepassingen.
