Entendendo a recirculação em bombas
Recirculação trata-se de uma instabilidade de fluxo que se desenvolve em bombas centrífugas e ventiladores quando estes funcionam a caudais muito abaixo do seu ponto de projeto — o ponto de melhor eficiência, ou BEP. Em caudais baixos, parte do fluido inverte a direção, fluindo para trás desde a zona de descarga em direção à sucção e formando padrões de recirculação instáveis na entrada ou na saída do impulsor. O resultado é uma instabilidade de baixa frequência vibração pulsação (normalmente 0,2–0,8 vezes a velocidade de corrida e, portanto, subsíncrono), ruído, perda de eficiência e — em casos graves — danos mecânicos graves decorrentes de cargas cíclicas, cavitação e aquecimento. Esta é uma das formas mais destrutivas de operar uma bomba, e evitá-la é fundamental para fiabilidade da bomba.
1. Definição: Instabilidade hidráulica de baixo caudal
Um impulsor é concebido de forma a que o fluido entre e saia das suas aletas em ângulos específicos no ponto de eficiência máxima (BEP). Se se reduzir o caudal para um valor muito abaixo desse ponto, os triângulos de velocidade deixam de corresponder à geometria das aletas: o ângulo de incidência fica completamente errado, o fluxo separa-se das aletas e o fluido que o impulsor já tinha impulsionado refluí para trás. Estas correntes invertidas e turbulentas constituem a recirculação. Uma vez que o fluxo é instável forças hidráulicas podem ser enormes; a recirculação pode provocar falhas nos rolamentos, danos nas juntas e no eixo fadiga e até mesmo a falha estrutural do próprio impulsor. Compreender e prevenir esta situação é fundamental para a longevidade da bomba.
2. Tipos de recirculação
Recirculação por sucção
Ocorre na entrada do impulsor (lado da sucção):
- Mecanismo: Em condições de baixo caudal, o fluido que entra pelo orifício do impulsor chega com um ângulo de fluxo incorreto.
- Separação: o fluxo separa-se das superfícies de sucção das aletas.
- Reverse flow: o fluido separado escorre para trás, saindo pela abertura do impulsor.
- Início: normalmente a 60–70 % do caudal BEP.
- Localização: concentradas perto das proteções do impulsor.
Recirculação da descarga
Ocorre na descarga do impulsor (na saída):
- Mecanismo: O fluido de descarga de alta pressão flui na direção oposta, para a periferia do impulsor.
- Caminho: através de aberturas de folga, tais como anéis de desgaste e folgas laterais.
- Mistura: o fluxo recirculado mistura-se com o fluxo principal, gerando turbulência.
- Início: normalmente entre 40 % e 60 % do caudal BEP.
- Gravidade: Geralmente mais prejudicial do que a recirculação por sucção.
Recirculação combinada
- A recirculação tanto na sucção como na descarga ocorre simultaneamente.
- Ocorre em caudais muito baixos, inferiores a cerca de 40 % do BEP.
- Provoca a vibração mais intensa e apresenta o maior potencial de danos.
- Deve ser evitado através da proteção contra caudal mínimo.
3. Assinatura de vibração
Padrão característico
- Freqüência: subsíncrono, normalmente entre 0,2 e 0,8 vezes a velocidade de marcha.
- Exemplo: uma bomba a 1750 RPM que apresenta pulsações de 10–20 Hz.
- Amplitude: pode atingir 2 a 5 vezes a vibração normal de funcionamento.
- Instável: tanto a frequência como a amplitude variam, em vez de se manterem constantes.
- Componente aleatório: um aumento da largura de banda devido à turbulência que se instala por cima.
Este caráter errático e assíncrono é o que distingue a recirculação do ritmo constante de 1× desequilíbrio e o pico da velocidade das pás de frequência de passagem da palheta; para o fazer, é normalmente necessário analisar tanto o espectro e o forma de onda temporal.
Dependência do fluxo
- High flow: sem recirculação, baixa vibração.
- Caudal moderado (80–100 % do caudal nominal): recirculação mínima, vibração aceitável.
- Baixo caudal (50–70 % do caudal nominal): A recirculação por sucção começa e a vibração aumenta.
- Caudal muito baixo (< 50 % do BEP): recirculação intensa e vibração muito elevada.
- Desligamento: máxima recirculação, máxima vibração e a taxa de danos mais rápida.
Indicadores adicionais
- A high vibração axial componente.
- Aumento do ruído — um rugido ou um estrondo.
- Perda de desempenho, com a altura manométrica e o caudal a ficarem abaixo da curva.
- Aumento da temperatura devido às perdas hidráulicas que são transferidas para o fluido.
4. Consequências e danos
Efeitos imediatos
- Vibração intensa: pode ultrapassar os limites de alarme em poucos minutos.
- Barulho: um rugido alto e turbulento.
- Perda de eficiência: consumo de energia elevado para o caudal efetivamente fornecido.
- Aquecimento: perdas hidráulicas convertidas em calor na tubagem de revestimento.
Danos mecânicos
- Falha do rolamento: cargas cíclicas elevadas aceleram o desgaste dos rolamentos vestir.
- Danos nos selos: a vibração e as pulsações de pressão destroem vedações mecânicas.
- Fadiga do veio: tensão de flexão alternante resultante das forças hidráulicas instáveis.
- Danos no impulsor: vane fissuração por fadiga devido à carga cíclica.
Danos hidráulicos
- Cavitação: As zonas de recirculação são propensas à cavitação, uma vez que a pressão local desce abaixo da pressão de vapor.
- Erosão: O fluxo de recirculação a alta velocidade provoca a erosão das superfícies.
- Cavitação por vórtice: os vórtices nas zonas de recirculação sofrem cavitação nos seus núcleos de baixa pressão.
5. Detecção e diagnóstico
Análise de vibração
- Procure componentes subsíncronos na faixa de 0,2–0,8×.
- Realize testes com vários caudais para mapear o comportamento.
- Identificar o caudal a partir do qual as pulsações começam — o início da recirculação.
- Compare os resultados com as previsões da curva de desempenho da bomba.
Teste de desempenho
- Meça a curva real de pressão-caudal.
- Compare com a curva de projeto.
- Um desvio em condições de baixo caudal indica recirculação.
- O consumo de energia superior ao previsto pela curva constitui uma prova corroborante.
Monitoramento acústico
- Um ruído característico, turbulento e estrondoso.
- Um aumento do ruído de banda larga.
- Frequentemente audível e palpável na carcaça da bomba.
6. Prevenção e mitigação
Estratégias Operacionais
Proteção contra caudal mínimo
- Instale uma linha de recirculação automática com fluxo mínimo.
- Uma válvula abre sempre que o caudal desce abaixo do mínimo de segurança (normalmente 60–70 % do BEP).
- Recircula o efluente de volta para a sucção ou para um tanque.
- Isto mantém a bomba fora da zona de recirculação.
Controlo do ponto de funcionamento
- Evite operar abaixo do caudal mínimo estável contínuo.
- Utilize um variador de velocidade para ajustar a bomba à procura, tirando partido do affinity laws utilizar o BEP numa variedade de tarefas.
- É preferível utilizar várias bombas de menor dimensão em vez de uma única bomba de grande porte, para obter uma melhor capacidade de regulação.
- Ligue e desligue as bombas em fase, à medida que a procura varia.
Soluções de design
- Indutor: um estágio de entrada axial para estabilizar o fluxo de sucção.
- Impulsores de baixo caudal: modelos especiais concebidos para serviços de baixo caudal.
- Proper sizing: Não escolha uma bomba com capacidade excessiva, pois isso obriga a um funcionamento crónico com baixo caudal.
- Maior alcance de funcionamento: escolha bombas com curvas planas que suportem variações de caudal.
Projeto de Sistema
- Projete o sistema de forma a que a bomba funcione próximo do ponto de eficiência máxima (BEP).
- Assegure uma margem de NPSH adequada para limitar a cavitação nas zonas de recirculação.
- Posicione as válvulas de controlo de forma a minimizar o estrangulamento na sucção.
- Incluir sistemas de derivação ou recirculação para garantir um caudal mínimo.
7. Normas e diretrizes do setor
Fluxo contínuo mínimo
- API 610: Especifica a vazão mínima contínua e estável para bombas centrífugas.
- Valores típicos: 60–70 % do caudal BEP para bombas radiais, 70–80 % para modelos de fluxo misto.
- Considerações térmicas: O caudal mínimo também é limitado pelo aumento de temperatura que o fluido consegue suportar em condições de baixo caudal.
Teste de desempenho
- Os testes de fábrica verificam o ponto de início da recirculação.
- Os testes de desempenho no terreno confirmam isso no sistema instalado.
- Os critérios de aceitação especificam a vibração admissível no caudal mínimo, frequentemente referida em relação a ISO 20816 zonas de severidade.
Uma vez que a recirculação, o desequilíbrio, os efeitos de passagem pelas aletas e a cavitação podem todos aumentar a vibração da bomba, o passo prático de diagnóstico consiste em medir o espectro a vários caudais e verificar qual dos componentes acompanha a variação do caudal. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A deteta a pulsação subsíncrona e a sua dependência do caudal diretamente na bomba, ajudando a confirmar a recirculação em vez de uma avaria no rotor — e, nos casos em que a vibração elevada se revela ser 1× desequilíbrio no impulsor, permite ao técnico equilibrá-lo no local sem desmontar a bomba. Para identificar as frequências relevantes antes de começar, um estimador da frequência de cavitação da bomba e um calculadora da frequência de passagem das pás marcar os pontos onde deveriam surgir o ruído de cavitação e os picos de passagem pelas aletas, para que a faixa de recirculação subsíncrona variável se destaque claramente.
A recirculação está entre as condições de funcionamento mais severas a que uma bomba centrífuga pode ser submetida. A sua característica vibração subsíncrona, as amplitudes de pulsação elevadas e a propensão para danos mecânicos rápidos tornam essencial compreender as condições que a desencadeiam, instalar proteções contra caídas de caudal e evitar o funcionamento crónico com caudal reduzido — fatores fundamentais para a fiabilidade e longevidade da bomba em aplicações industriais.
