Monitoreo del estado de las Torres de Refrigeración

Torres de Refrigeración: Son sistemas que rechazan el calor de fluidos usados en procesos térmicos.

Esta necesidad se encuentra en una extensa gama de aplicaciones, desde climatización de ambientes hasta la generación de energía.

De esta forma, las torres de refrigeración son empleadas en usinas de azúcar y etanol, usinas termoeléctricas y nucleares, siderúrgicas, industrias químicas y petroquímicas, de papel y celulosa, alimenticias y otras.

Son encontradas también en sistemas de aire acondicionado comercial e industrial y en instalaciones frigoríficas. 

Para muchas de estas aplicaciones, el control de temperatura de los procesos es indispensable y casi toda la producción debe ser interrumpida si este parámetro ultrapasa sus límites de tolerancia.

En estos casos, las torres de refrigeración son consideradas máquinas críticas para la continuidad de la producción y para el control de temperatura de operación de otros equipos críticos.

Por lo tanto, garantizar la disponibilidad y confianza de estos activos significa evitar daños a otras máquinas, pérdidas de eficiencia en los procesos, paradas en la producción y, consecuentemente, pérdidas financieras.

Construcción y Principio de la Operación

Las configuraciones constructivas y los principios de funcionamiento de las torres derefrigeración son diversos.

Uno de los tipos más utilizados, por su versatilidad y relativo bajo costo, es la torre seca de tiro mecánico para enfriamiento de agua, cuyo funcionamiento depende de conjuntos electromecánicos que requieren gran atención de equipos de mantenimiento (ver figura 01)

Estas torres funcionan sobre la base de aire frío que fluye a través de un relleno. En este medio, el aire frío entra en contacto con gotas de agua caliente, produciendo básicamente dos procesos:

• Intercambio de calor sensible  y latente del agua caliente para aire frío
• Aumento de la humedad del aire frío;

Componentes Importantes

El flujo de aire es forzado o inducido mecánicamente por medio de un ventilador centrífugo o axial accionado por un motor eléctrico.

Como las pérdidas de presión estática a través de estas torres son bajas, el ventilador opera en bajas velocidades de rotación, en torno de 120 a 300 rpm. Para hacer esto posible, el motor acciona el ventilador con auxilio de reductores de velocidad de correa y polea o caja de engranajes, como se muestra en la siguiente figura: 

Generalmente, en los ventiladores axiales, se monta un difusor con las funciones de dirigir y aumentar la velocidad del aire para el ventilador y proteger las palas. Ya en los ventiladores centrífugos estas funciones son realizadas por  la voluta, como se muestra en la siguiente figura.

El funcionamiento de una torre de refrigeración es controlado por medidas de control de la temperatura de salida del aire húmedo dentro de los límites preestablecidos.

Esto se hace regulando el flujo de aire a través de la torre, cuyo control electrónico apaga el ventilador cuando se alcanza el límite de temperatura inferior y lo enciende cuando se alcanza el límite superior.

En estos ciclos, el motor eléctrico es sometido a un régimen de servicio no continuo, con varias paradas y arranques consecutivos.

Con la utilización de un convertidor de  frecuencia  en el accionamiento del motor, el ventilador funciona a diferentes velocidades de rotación como forma de llevar a cabo  un control proporcional de la capacidad.

Defectos en las Torres de Refrigeración

El conjunto electromecánico formado por el motor, reductor y ventilador es la mayor causa de defectos que provocan paradas de mantenimiento en las torres de refrigeración.

Según un estudio del Laboratorio Bristol-Myers Squibb (Industria Farmacéutica global) basado en el monitoreo de trece torres de refrigeración (cinco con reducción de engranajes y 8 por bandas), la mayor recurrencia de fallas está relacionada con el motor eléctrico, seguido por el reductor de engranajes.

Los defectos en los motores y reductores de engranajes, son potencializados por el hecho de estar sujetos a muchos arranques,  paradas y variaciones de carga en un corto espacio de tiempo.

Además de eso, los reductores son típicamente montados en el interior de la torre, donde están expuestos a la agresión del ambiente húmedo con gotas de agua químicamente tratadas.

Los defectos en los ventiladores son menos frecuentes, sin embargo, el Principio de Pareto se aplica:

La causa menos frecuente es responsable por la mayoría de los efectos, ya que la mayor parte de las fallas catastróficas en torres de refrigeración están relacionadas con los ventiladores.

Defectos y fallas del ventilador

Los principales defectos de los ventiladores son: 

• Desequilibrio de las palas del ventilador
• Inclinación o elevación inadecuada de las palas
• Palas agrietadas, oxidadas o rotas

El desequilibrio de las palas puede producirse por diversos mecanismos :acumulación de contaminantes, desgaste,  grietas, quiebras, corrosión, obstrucción del orificio de evacuación del condensado, imperfecciones geométricas e incluso posicionamiento incorrecto de masas correctivas de equilibrio.

Este tipo de defectos es conocido por causar altas amplitudes de vibración, que propagan esfuerzos dinámicos excesivos a través de todo el sistema.

Sin las herramientas correctas para detectar y monitorear o desequilibrio del ventilador, la falla evolucionará generando defectos en otros componentes, comprometiendo los ejes y defectos en los rodamientos y engranajes. 

Debido a los grandes desplazamientos que resultan del desequilibrio, el mayor riesgo de la operación que se encuentra bajo esta condición, es la repetición de choques mecánicos entre palas desequilibradas y el difusor. 

Las tensiones generadas por estos choques se concentran en el cuerpo de la pala, cerca de la conexión con el cubo del ventilador, donde las grietas comienzan a desarrollarse hasta que la pala se rompa. Una pala rota puede dañar otras palas, el difusor o toda la célula, forzando o reacondicionamiento o el cambio de varios componentes, lo que se traduce en mucho tiempo del equipo parado para mantenimiento. 

Este mismo tipo de falla puede ser ocasionado por holguras en el ventilador o en el difusor, eje deformado o amplitudes de resonancia excesivas al arrancar la máquina.

Todos estos defectos tienen mayor potencial de causar fallas catastróficas si el conjunto está mal dimensionado. Dos frecuencias de vibración importantes del sistema son la frecuencia de rotación del motor (1xRPM) y la frecuencia de paso de las aspas del ventilador (1xPP).

Teniendo como ejemplo un motor con rotación de 1700 rpm proporcionando energía para un ventilador de 6 palas girando a 280 rpm ,tiene una frecuencia de paso de las cuchillas de 1680 rpm.

Esto representa una diferencia de sólo 20 rpm entre 1xRPM y 1xPP. Cuando ondas con frecuencias cercanas interactúan entre sí, se produce el fenómeno conocido como latidos, en el que sus amplitudes se suman periódicamente.

En otras palabras, el nivel de vibración se amplifica periódicamente en relación con lo que se observaría sin el fenómeno del latido.

Con ello, las ya de por sí grandes magnitudes de vibración procedentes de defectos como el desequilibrio de las palas se amplifica también, aumentando el riesgo de fallas catastróficas.

Defectos de Motor y Reductor

En reductores de engranajes, las mayores preocupaciones son los defectos de engranajes y rodamientos.

Engranajes de reductores son susceptibles a desgastes excesivos, grietas y quiebres de dientes.  Las principales causas de esos defectos son la sobrecarga del reductor y el desalineamiento entre engranajes.

Frecuentemente los reductores de engranajes son sometidos a cargas por encima de las que están previstas en el proyecto, con el fin de aumentar la producción o compensar una deficiencia en el dimensionamiento del conjunto motor reductor.

Ya el desequilibrio entre engranajes es comúnmente introducido después del procedimiento de mantenimiento que exige el desmontaje y remontaje de los componentes.

Los rodamientos pueden sufrir defectos en sus pistas, elementos rodantes y jaulas.

Primordialmente las causas están relacionadas a fallas de lubricado: contaminación, uso de lubricante inadecuado, insuficiencia de lubricación o falta de mantenimiento preventivo de sustitución.

Cuando estos defectos se presentan prematuramente, también puede ser síntoma de otros defectos en el conjunto, como desbalanceamiento del ventilador o desalineamiento en relación al eje del motor.

El desalineamiento , además de ser uno de los defectos más recurrentes en las máquinas, presenta una particularidad en algunas torres de refrigeración.

Comúnmente, el motor eléctrico es montado en el exterior de la carcasa de la torre, para facilitar el acceso al mantenimiento y aislarlo de las agresiones del ambiente.

Entre el motor y la caja de cambios se emplea un largo eje flotante con acoplamientos flexibles en ambos extremos. Debido a esta configuración, el eje actúa como una palanca de los esfuerzos dinámicos causados por el desalineamiento.

Estas tensiones actúan directamente sobre los rodamientos, los engranajes y las juntas del reductor, además de los límites de proyecto de estos elementos.

Esto trae como consecuencia defectos en las pistas o en los elementos rodantes de los rodamientos, grietas, quiebres y desgastes avanzados de dientes de engranajes.

Ya las juntas se pueden desgastar al punto de permitir fuga de aceite, exponiendo los engranajes al riesgo de trabajar sin la lubricación adecuada.

Los desafíos del Mantenimiento en las Torres de Refrigeración

De esta manera queda justificado el empleo de herramientas eficaces para evitar las pérdidas que surgen de fallas catastróficas en las torres de refrigeración.

Una de estas herramientas es el monitoreo de la condición del conjunto motor-reductor-ventilador, que permite detectar y hacer seguimiento a la evolución de los defectos, dando al equipo de mantenimiento el tiempo hábil para planear sus acciones correctivas. 

No obstante, la propia naturaleza de la construcción y la operación de estas torres representan desafíos para el mantenimiento basado en condiciones. Como ya explicamos en nuestro blog, son:

• Posición de sus componentes en altura
• Componentes de difícil acceso o inaccesibles durante la operación, en posiciones que tienen riesgos al personal de mantenimiento
• falta de una plataforma de seguridad para el acceso
• Temperaturas elevadas y generación de humedad en los componentes
• niveles de altos ruidos y vibración
• Modelos convencionales de medición de la vibración y temperatura de los componentes: costo elevado y que requieren el acceso del personal de mantenimiento a los componentes.

En el monitoreo periódico basado en rutas de medición de vibración, donde el analista necesita de acceso físico a cada punto de medición de la máquina, la colecta de señales en el ventilador y reductor de una única célula de la torre de refrigeración puede llevar cerca de 1 h 30 min.

Con un transductor uniaxial, son necesarios por lo menos 6 puntos de medición en estos dos componentes.

Para medir la vibración en cada punto, es necesario parar la operación de la máquina, colocar el transductor en el punto determinado, encenderlo, esperar a que alcance la rotación de funcionamiento y realizar la recolecta, repitiendo este proceso para cada punto siguiendo los procedimientos de seguridad.

En este tipo de monitoreo, generalmente las señales son colectadas sobre un único régimen de rotación y carga, no aportando informaciones suficientes sobre todos los diferentes patrones de la condición del conjunto.

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Una respuesta adecuada para tratar todos estos desafíos y el monitoreo de condición contínua utilizando las nuevas tecnologías de las cuales el mercado de mantenimiento dispone.

Actualmente, es posible hacer uso de los sensores que se fijan en los puntos de colecta,  realizando un muestreo continuo de las señales de vibración en tres direcciones y de la temperatura de la superficie, mandando información inalámbricamente  a una plataforma virtual de visualización y análisis de datos colectados.  

Con el uso de esta metodología:

• reduce la exposición del analista a los riesgos relacionados a ruidos excesivos y de difícil acceso a los componentes en altura en el interior de la torre.
• medición continua de la temperatura de los componentes, algo importante en un sistema de naturaleza térmica. 
• Se elimina la necesidad de parada de la operación para medición de los datos.
• Se disminuye el tiempo gasto por el analista con el proceso de medición
• El patrón del estado de la máquina se conoce en todas velocidades y cargas a las que funciona.
• Se aumenta la comprensión sobre los tipos de fallas y la capacidad de respuestas del personal de mantenimiento ante los defectos, lo que aumenta la confiabilidad de los equipos.
• Como consecuencia se aumenta su disponibilidad por la disminución de las paradas para mantenimiento correctivo y preventivo.

Generalmente, los sensores de vibración y temperatura son usados para identificar las alteraciones en el funcionamiento de máquinas y pueden auxiliar en el monitoreo e identificación de defectos en el conjunto motor de los ventiladores de torres de refrigeración.

Esta es una propuesta de valor de DynaPredict, data logger Bluetooth con sensores de aceleración triaxial y temperatura, batería con tres años de duración que realiza análisis espectral y permite la interpretación de datos desde cualquier lugar.

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