Monitoramento de condição de torres de resfriamento

Monitoramento de condição de torres de resfriamento

Torres de resfriamento são sistemas que rejeitam calor de fluidos usados em processos térmicos. Esta necessidade é encontrada em uma extensa gama de aplicações, desde climatização de ambientes até a geração de energia. Desta forma, torres de resfriamento são empregadas em usinas de açúcar e etanol, usinas termoelétricas e nucleares, siderúrgicas, indústrias químicas e petroquímicas, de papel e celulose, alimentícias e outras. São encontradas também em sistemas de ar-condicionado comercial e industrial e em instalações frigoríficas.

Para muitas destas aplicações, o controle de temperaturas dos processos é indispensável e quase toda a produção deve ser interrompida se este parâmetro ultrapassa seus limites de tolerância. Nestes casos, as torres de resfriamento são consideradas máquinas críticas para continuidade de produção e para o controle da temperatura de operação de outros equipamentos também críticos. Portanto, garantir a disponibilidade e confiabilidade destes ativos significa evitar danos a outras máquinas, perdas de eficiência nos processos, paradas de produção e, consequentemente, perdas financeiras.

Exemplo de funcionamento de uma torre de resfriamento seca com tiragem mecânica.
Figura 01: Exemplo de funcionamento de uma torre de resfriamento seca com tiragem mecânica

Construção e Princípio de Operação

As configurações construtivas e os princípios de funcionamento de torres de resfriamento são diversos. Um dos tipos mais utilizados, por causa de sua versatilidade e relativo baixo custo, é a torre seca de tiragem mecânica para resfriamento de água, cujo funcionamento depende de conjuntos eletromecânicos que requerem grande atenção de equipes de manutenção (ver a Figura 01).

Estas torres operam com base no escoamento de ar frio através de um enchimento. Neste meio, o ar frio entra em contato com gotículas da água quente, ocorrendo basicamente dois processos:

  • troca de calores sensível e latente da água quente para o ar frio;
  • aumento de umidade do ar frio;

Componentes Importantes

O escoamento de ar é forçado ou induzido mecanicamente por meio de um ventilador centrífugo ou axial acionado por um motor elétrico. Como as perdas de pressão estática através destas torres são baixas, o ventilador opera em baixas velocidades de rotação, em torno de 120 a 300 rpm. Para possibilitar isto, o motor aciona o ventilador com auxílio de redutores de velocidade de correia e polia ou caixa de engrenagens, como mostra a Figura abaixo.

Acionamento de ventilador axial.

Figura 02: Acionamento de Ventilador Axial
Esquerda: Por Caixa de Engrenagens Direita: Por Correia

Em geral, nos ventiladores axiais, é montado um difusor com as funções de direcionar e aumentar a velocidade do ar para o ventilador e proteger as pás. Já nos ventiladores centrífugos estas funções são realizadas pela voluta, conforme exemplificado na Figura abaixo.

Ventiladores Axial e centrífugo.
Esquerda: Ventilador Axial Direita: Ventilador Centrífugo

O funcionamento de uma torre de resfriamento é controlado por medidas e controle da temperatura de saída do ar úmido dentro de limites pré-estabelecidos. Isto é feito pela regulação da vazão de ar através da torre, cujo controle eletrônico desliga o ventilador quando o limite de temperatura inferior é atingido e o liga quando se atinge o limite superior. Nestes ciclos, o motor elétrico é submetido a um regime de serviço não-contínuo, com diversas paradas e partidas seguidas.

A partir de um inversor de frequência no acionamento do motor, o ventilador opera em diferentes velocidades de rotação como forma de executar um controle proporcional da capacidade.

Defeitos em Torres de Resfriamento

O conjunto eletromecânico formado pelo motor, redutor e ventilador é a maior causa de defeitos que levam a paradas para manutenção nas torres de resfriamento. Segundo estudo da Bristol-Myers Squibb (indústria biofarmacêutica global)  baseado no monitoramento de treze torres de resfriamento (cinco com redução por engrenagens e oito por correia), a maior recorrência de falhas deste conjunto está relacionada com o motor elétrico, seguido pelo redutor de engrenagens.

Defeitos mais recorrentes em torres de resfriamento

Os defeitos em motores e redutores de engrenagens são potencializados pelo fato de estarem sujeitos a muitas partidas, paradas e variações de carga em um curto espaço de tempo. Além disto, os redutores são tipicamente montados no interior da torre, onde ficam expostos à agressão do ambiente úmido com gotículas de água quimicamente tratada.

Defeitos em ventiladores são menos recorrentes, no entanto o Princípio de Pareto se aplica: a causa menos frequente é responsável pela maior parte dos efeitos, já que a maior parte das falhas catastróficas em torres de resfriamento estão relacionadas aos ventiladores.

Defeitos e Falhas do Ventilador

Os principais defeitos dos ventiladores são:

  • Desbalanceamento de pás;
  • Inclinação ou elevação inadequada de pás;
  • Pás trincadas, corroídas ou quebradas;

O desbalanceamento de pás pode ocorrer por meio de muitos mecanismos diferentes: acumulação de contaminantes, desgaste, trincas, quebras, corrosão, entupimento do orifício de remoção de condensado, imperfeições geométricas e até mesmo o posicionamento incorreto de massas corretivas de balanceamento.

Este tipo de defeito é conhecido por causar altas amplitudes de vibração que propagam esforços dinâmicos excessivos através de todo o sistema. Sem as ferramentas corretas para detectar e monitorar o desbalanceamento do ventilador, sua severidade irá evoluir gerando defeitos em outros componentes, como empeno de eixos e defeitos em rolamentos e engrenagens.

Devido aos grandes deslocamentos resultantes do desbalanceamento, o maior risco da operação sob estas condições é a ocorrência de repetidos choques mecânicos entre a pá desbalanceada e o difusor. As tensões geradas por estes choques se concentram no corpo da pá, próximo da conexão com o cubo do ventilador, onde trincas começam a se desenvolver até que a pá se quebra por fadiga. Uma pá quebrada pode danificar outras pás, o difusor ou toda uma célula, forçando o recondicionamento ou a troca de vários componentes, o que também é sinônimo de longos tempos de parada para manutenção.

Este mesmo modo de falha pode ser ocasionado por folgas no ventilador ou no difusor, eixo empenado ou excessivas amplitudes de ressonância na partida da máquina.

Todos estes defeitos têm maior potencial de causa de falha catastrófica caso o conjunto seja mau dimensionado. Duas frequências de vibração importantes do sistema são a frequência de rotação do motor (1xRPM) e a frequência de passagem de pás do ventilador (1xPP). Tendo como exemplo um motor com rotação de 1700 rpm fornecendo potência para um ventilador de 6 pás girando a 280 rpm, tem-se uma frequência de passagem de pás de 1680 rpm. Isto representa uma diferença de apenas 20 rpm entre 1xRPM e 1xPP. Quando ondas com frequências próximas interagem entre si, ocorre o fenômeno conhecido como batimento, no qual periodicamente suas amplitudes se somam. Ou seja, o nível de vibração é periodicamente amplificado em relação ao que seria observado sem o fenômeno de batimento. Com isso, as já grandes magnitudes de vibração de defeitos como o desbalanceamento de pás também são amplificadas, aumentando o risco de falhas catastróficas.

Defeitos de Motor e Redutor

Em redutores de engrenagens, as maiores preocupações são os defeitos de engrenagens e rolamentos.

Engrenagens de redutores estão suscetíveis a desgastes excessivos, trincas e quebras de dentes. As principais causas desses defeitos são a sobrecarga do redutor e o desalinhamento entre engrenagens.

Redutores de engrenagens frequentemente são submetidos a cargas acima daquelas previstas em projeto, com fins de aumento de produção ou compensação de deficiências no dimensionamento do conjunto motoredutor. Já o desalinhamento entre engrenagens é comumente introduzido após procedimentos de manutenção que exigem a desmontagem e remontagem dos componentes.

Rolamentos podem sofrer defeitos em suas pistas, elementos rolantes e gaiolas e as causas primordiais são relacionadas a falhas de lubrificação: contaminação, uso do lubrificante inadequado, insuficiência de lubrificação ou falta de manutenção preventiva de troca.

Estes defeitos, quando acontecem prematuramente, também podem ser sintomas de outros defeitos no conjunto, como o desbalanceamento do ventilador e desalinhamento em relação ao eixo do motor.

O desalinhamento, além de ser um dos defeitos mais recorrentes em máquinas, apresenta uma particularidade em algumas torres de resfriamento. Comumente, o motor elétrico é montado externamente à carcaça da torre, para facilitar o acesso à manutenção e isolá-lo das agressões do ambiente interior. Um longo eixo flutuante com acoplamentos flexíveis em ambas as extremidades é empregado entre o motor e o redutor. Devido a esta configuração, o eixo atua como uma alavanca dos esforços dinâmicos causados pelo desalinhamento. Estes esforços agem diretamente sobre os rolamentos, as engrenagens e as vedações do redutor, além dos limites de projeto destes elementos. Isto induz defeitos nas pistas ou nos elementos rolantes dos rolamentos, trincas, quebras e desgastes avançados de dentes de engrenagens. Já as vedações podem se desgastar a ponto de permitir o vazamento de óleo, expondo as engrenagens ao risco de trabalharem sem a  lubrificação adequada.

Eixo Flutuante
Eixo flutuante

Os Desafios da Manutenção nas Torres de Resfriamento

Justifica-se assim o emprego de ferramentas eficazes para evitar as perdas decorrentes de falhas catastróficas em torres de resfriamento. Uma destas ferramentas é o monitoramento de condição do conjunto motor-redutor-ventilador, que permite detectar e acompanhar a evolução destes defeitos, dando à equipe de manutenção tempo hábil para planejar suas ações corretivas.

No entanto, a própria natureza da construção e operação destas torres representa desafios para a manutenção baseada em condição. Como já listamos em nosso blog, são eles:

  • posicionamento de seus componentes em altura;
  • componentes de difícil acesso ou inacessíveis durante operação, em posições que oferecem riscos ao manutentor;
  • falta de uma plataforma de segurança para o acesso;
  • temperaturas elevadas e geração de umidade nos componentes;
  • níveis altos de ruído e vibração;
  • modelos convencionais de medição da vibração e temperatura dos componentes: de custo elevado e que requerem o acesso do manutentor aos componentes.

No monitoramento de condição periódico baseado em rotas de medição de vibração, onde o analista precisa de acesso físico a cada ponto de medição da máquina, a coleta de sinais no ventilador e redutor de uma única célula de torre de resfriamento pode levar cerca de 1h30min. Com um transdutor uniaxial, são necessários pelo menos 6 pontos de medição nestes dois componentes. Para medir a vibração em cada ponto, é necessário parar a operação da máquina, colocar o transdutor no ponto determinado, religá-la, aguardá-la atingir a rotação de operação e fazer a coleta, repetindo este processo para cada ponto enquanto se segue procedimentos de segurança.

Neste tipo de monitoramento, usualmente os sinais são coletados sob um único regime de rotação e carga, não fornecendo informações suficientes sobre todos os diferentes padrões da condição do conjunto.

Solução DynaPredict aplicada.

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Uma resposta adequada para tratar todos estes desafios é o monitoramento de condição contínuo utilizando as novas tecnologias das quais o mercado de manutenção dispõe. Atualmente, é possível fazer uso de sensores que ficam fixos nos pontos de coleta, realizando amostragem contínua dos sinais de vibração em três direções e temperatura de superfícies, comunicando-os remotamente, sem a utilização de cabos, para uma plataforma virtual de visualização e análise dos dados coletados.

Com o uso desta metodologia:

  • reduz-se a exposição do analista aos riscos relacionados a ruídos excessivos e difícil acesso aos componentes em altura e no interior da torre;
  • mede-se continuamente a temperatura dos componentes, algo importante em um sistema de natureza térmica;
  • elimina-se a necessidade de parada da operação para medição dos dados;
  • diminui-se o tempo gasto pelo analista com o processo de medição;
  • o padrão da condição da máquina é conhecido em todos os regimes de rotação e carga em que ela opera;
  • aumenta-se a compreensão sobre os modos de falha e a responsividade da equipe de manutenção aos defeitos , aumentando a confiabilidade do equipamento;
  • consequentemente, aumenta-se sua disponibilidade pela diminuição de paradas para manutenção corretiva e preditiva;

Sensores de vibração e temperatura são comumente usados ​​para identificar as alterações no funcionamento de máquinas e podem auxiliar no monitoramento e identificação de defeitos no conjunto motor dos ventiladores de torres de resfriamento. Essa é a proposta de valor do DynaPredict, data logger Bluetooth com sensores de aceleração triaxial e temperatura, bateria com três anos de duração que realiza análise espectral e permite a interpretação dos dados no conforto de uma sala afastada do chão de fábrica. Clique aqui e saiba mais sobre a solução DynaPredict.

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