Entendendo a recirculação em bombas
Definição: O que é recirculação?
Recirculação É uma instabilidade de fluxo que ocorre em bombas e ventiladores centrífugos quando operam com vazões significativamente abaixo do ponto de projeto (ponto de melhor eficiência ou PME). Em baixas vazões, o fluido inverte parcialmente a direção, fluindo da região de descarga de volta para a sucção, criando padrões de recirculação instáveis na entrada ou descarga do rotor. Esse fenômeno gera ruídos de baixa frequência. vibração pulsações (tipicamente 0,2-0,8 vezes a velocidade de operação), ruído, perda de eficiência e podem causar danos mecânicos severos devido à carga cíclica., cavitação, e aquecimento.
A recirculação é uma das condições operacionais mais destrutivas para bombas, pois as forças hidráulicas instáveis podem ser enormes, causando falhas em rolamentos, danos em vedações, fadiga do eixo e até mesmo falhas estruturais do rotor em casos graves. Compreender e prevenir a recirculação é fundamental para a confiabilidade da bomba.
Tipos de recirculação
1. Recirculação por sucção
Ocorre na entrada do impulsor (lado de sucção):
- Mecanismo: Em baixas vazões, o fluido que entra no olho do impulsor apresenta um ângulo de fluxo incorreto.
- Separação: O fluxo se separa das superfícies de sucção das pás.
- Fluxo reverso: O fluido separado flui para trás, saindo pelo olho do impulsor.
- Início: Normalmente, entre 60 e 70% de fluxo BEP
- Localização: Concentrado próximo às proteções do impulsor
2. Recirculação de descarga
Ocorre na descarga do impulsor (saída):
- Mecanismo: O fluido de descarga de alta pressão flui na direção oposta, para a periferia do impulsor.
- Caminho: Através de folgas (anéis de desgaste, folgas laterais)
- Mistura: O fluxo recirculado se mistura com o fluxo principal, criando turbulência.
- Início: Normalmente, entre 40 e 60% de fluxo BEP
- Mais grave: Geralmente mais prejudicial do que a recirculação por sucção.
3. Recirculação Combinada
- A recirculação tanto na sucção quanto na descarga ocorre simultaneamente.
- Ocorre em vazões muito baixas (< 40% BEP)
- Vibração extremamente severa e potencial de danos
- Deve ser evitado através de proteção de fluxo mínimo
Assinatura de vibração
Padrão característico
- Freqüência: Subsíncrono, tipicamente 0,2-0,8 vezes a velocidade de operação.
- Exemplo: Bomba de 1750 RPM apresentando pulsações de 10 a 20 Hz.
- Amplitude: Pode ser de 2 a 5 vezes a vibração normal de operação.
- Instável: A frequência e a amplitude variam, não são constantes.
- Componente aleatório: Aumento da banda larga devido à turbulência
Dependência do fluxo
- Alto fluxo: Sem recirculação, baixa vibração
- Fluxo moderado (80-100% BEP): Recirculação mínima, vibração aceitável.
- Fluxo baixo (50-70% BEP): A recirculação por sucção começa e a vibração aumenta.
- Fluxo muito baixo (< 50% BEP): Recirculação severa, vibração muito alta
- Desligamento: Taxa máxima de recirculação, vibração e danos
Indicadores adicionais
- Alto vibração axial componente
- Aumento do ruído (rugido ou estrondo)
- Perda de desempenho (altura manométrica e vazão abaixo da curva)
- Aumento de temperatura devido a perdas hidráulicas
Consequências e Danos
Efeitos imediatos
- Vibração severa: Pode ultrapassar os limites de alarme em minutos.
- Barulho: Ruído alto e turbulento
- Perda de eficiência: Alto consumo de energia para a vazão fornecida.
- Aquecimento: Perdas hidráulicas convertidas em calor
Danos mecânicos
- Falha de rolamento: Altas cargas cíclicas aceleram o desgaste dos rolamentos.
- Danos no selo: Vibrações e pulsações de pressão danificam as vedações.
- Fadiga do eixo: Tensão de flexão alternada devido a forças hidráulicas
- Danos no impulsor: Trincas por fadiga nas pás devido a carregamento cíclico
Danos hidráulicos
- Cavitação: Zonas de recirculação propensas à cavitação
- Erosão: O fluxo recirculante de alta velocidade erode as superfícies.
- Cavitação por vórtice: Vórtices em zonas de recirculação cavitam
Detecção e Diagnóstico
Análise de vibração
- Procure por componentes sub-síncronos (0,2-0,8×)
- Teste com múltiplas vazões
- Identificar a taxa de fluxo no ponto em que as pulsações começam (início da recirculação).
- Comparar com as previsões da curva de desempenho da bomba
Teste de desempenho
- Meça a curva de vazão real.
- Comparar com a curva de projeto
- Desvios em baixas vazões indicam recirculação.
- Consumo de energia superior à previsão da curva
Monitoramento acústico
- Som de rugido turbulento característico
- aumento do ruído de banda larga
- Pode ser ouvido e sentido na carcaça da bomba.
Prevenção e Mitigação
Estratégias Operacionais
Proteção de fluxo mínimo
- Instalar linha de recirculação automática de vazão mínima
- A válvula abre abaixo do fluxo mínimo seguro (normalmente 60-70% BEP).
- Recircula a descarga de volta para a sucção ou tanque.
- Impede o funcionamento na zona de recirculação.
Controle do Ponto de Operação
- Evite operar abaixo do fluxo contínuo mínimo.
- Utilize um inversor de velocidade para adequar a bomba à demanda.
- Várias bombas menores em vez de uma única bomba grande (melhor modulação de vazão).
- Operação escalonada de bombas em paralelo
Soluções de design
- Indutor: Estágio de entrada axial para estabilizar o fluxo de sucção.
- Impulsores de baixo fluxo: Projetos especiais para operação com baixo fluxo
- Dimensionamento adequado: Não dimensione a bomba de forma excessiva (evite operação crônica com baixo fluxo).
- Ampla faixa de operação: Selecione bombas com curvas planas que tolerem variações de vazão.
Projeto de Sistema
- Sistema de projeto para operação de bombas próximo ao ponto de melhor eficiência (BEP)
- Garanta uma margem de NPSH adequada para reduzir a cavitação nas zonas de recirculação.
- Posicionamento da válvula de controle para minimizar a obstrução da sucção
- Sistemas de desvio ou recirculação para garantia de fluxo mínimo
Normas e diretrizes da indústria
Fluxo contínuo mínimo
- API 610: Especifica a vazão mínima contínua e estável para bombas centrífugas.
- Valores típicos: 60-70% para vazão BEP em bombas radiais, 70-80% para vazão mista.
- Considerações térmicas: Também limitado pelo aumento da temperatura em baixas vazões.
Teste de desempenho
- Testes de fábrica verificam o ponto de início da recirculação
- Testes de desempenho em campo para confirmar
- Critérios de aceitação para vibração na vazão mínima
A recirculação representa uma das condições operacionais mais severas para bombas centrífugas. Sua assinatura de vibração subsíncrona característica, amplitudes de pulsação severas e potencial para danos mecânicos rápidos tornam a compreensão das condições de início da recirculação, a implementação de proteção de vazão mínima e a prevenção da operação crônica com baixa vazão essenciais para a confiabilidade e longevidade da bomba em serviço industrial.
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