Torres de Resfriamento: Monitoramento de condição para evitar falhas

Torres de resfriamento são sistemas que tem o objetivo de transferir o calor residual de um processo térmico para a atmosfera. Utilizando para isso uma corrente de água ou outro fluido a uma temperatura mais baixa. Por isso, o mecanismo é parte de uma extensa gama de aplicações, desde climatização de ambientes até a geração de energia.

Desta forma, as torres estão presentes em: usinas (açúcar, etanol, termoelétricas e nucleares), siderúrgicas, indústrias químicas, petroquímicas, de papel e celulose etc.

Para muitas destas aplicações, o controle de temperaturas dos processos é indispensável. Nelas, quase toda a produção é interrompida se o limite do parâmetro é ultrapassado.

Nestes casos, as torres de resfriamento são máquinas críticas. Garantir, portanto, a disponibilidade e confiabilidade destes ativos significa evitar perdas de eficiência nos processos ou paradas de produção e, consequentemente, perdas financeiras.

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Construção e Princípio de Operação

As configurações construtivas e os princípios de funcionamento de torres de resfriamento são diversos. Um dos tipos mais utilizados é a torre seca de tiragem mecânica para resfriamento de água, cujo funcionamento depende de conjuntos eletromecânicos.

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 são baixas, o ventilador opera em baixas velocidades de rotação (em torno de 120 a 300 rpm). Por isso, o motor aciona o ventilador com auxílio de redutores de velocidade de correia e polia ou caixa de engrenagens.

Em geral, nos ventiladores axiais, monta-se um difusor com as funções de direcionar. Assim, aumenta-se a velocidade do ar, preservando-se as pás.

Já nos ventiladores centrífugos, quem realiza estas funções é a voluta, conforme exemplificado na Figura abaixo.

O controle do funcionamento de uma torre de resfriamento ocorre por medidas e ajustes da temperatura de saída do ar úmido dentro de limites pré-estabelecidos.

Controle realizado pela regulação da vazão de ar através da torre. Dessa forma, o controle eletrônico desliga o ventilador quando se atinge o limite de temperatura inferior 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 para o 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), a maior recorrência de falhas está relacionada ao motor elétrico, seguido pelo redutor de engrenagens.

Os defeitos em motores e redutores de engrenagens se agravam pelo fato de estarem sujeitos a muitas partidas, paradas e variações de carga em um curto espaço de tempo.

Além disto, a montagem dos redutores ocorre no interior da torre. Isto é, 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 estão relacionados às pás, dentre eles: desbalanceamento, inclinação ou elevação inadequada; pás trincadas, corroídas ou quebradas.

O desbalanceamento de pás pode ocorrer por meio de muitos mecanismos diferentes. Dentre elas a 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. Com a evolução do problema, ocorrerá defeitos em outros componentes, como empeno de eixos e problemas em rolamentos e engrenagens.

O maior risco da operação sob estas condições é a ocorrência de choques mecânicos entre a pá desbalanceada e o difusor. Essa tensão, concentrada no corpo da pá próximo da conexão com o cubo do ventilador, começa a aparecer trincas que pode gerar a quebra da pá por fadiga.

Uma pá quebrada pode danificar as outras, o difusor ou toda uma célula, forçando o recondicionamento ou a troca de vários componentes.

A causa do modo de falha pode ser folgas no ventilador ou no difusor, eixo empenado ou excessivas amplitudes de ressonância na partida da máquina. Todos estes defeitos, portanto, têm maior potencial de causa de falha catastrófica caso o conjunto seja mau dimensionado.

Frequência de rotação do motor

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 estado 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 das torres

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. Assim, 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 acontece após procedimentos de manutenção que exigem a desmontagem e remontagem dos componentes.

Rolamentos podem apresentar defeitos em suas pistas, elementos rolantes e gaiolas. Por isso, as causas são: falhas, contaminação ou inadequação na lubrificação. Defeitos que podem ainda 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, apresenta uma particularidade em algumas torres de resfriamento. Leia mais: Desalinhamento de Eixos e sua contribuição nas Falhas Mecânicas (dynamox.net)

Entre o motor e o redutor há um longo eixo flutuante com acoplamentos flexíveis em ambas as extremidades. Assim, 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.

Os Desafios da Manutenção nas Torres de Resfriamento

A própria natureza da construção e operação destas torres representa desafios para a manutenção baseada em condição. O monitoramento offline de vibração e temperatura tradicional demanda parar a operação da máquina.

Isto é, colocar o transdutor no ponto determinado, religá-la, aguardá-la atingir a rotação de operação e fazer a coleta. Repete-se este processo para cada ponto enquanto se segue procedimentos de segurança, processo que pode demorar mais de uma hora.

Neste tipo de monitoramento, coleta-se os sinais sob um único regime de rotação e carga. Situação que não fornece informações suficientes sobre todos os diferentes padrões da condição do conjunto.

Leia mais: Torres de Resfriamento e seus desafios na manutenção (dynamox.net)

Monitoramento eficiente de Torres de Resfriamento

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 fixos nos pontos de coleta. Os dispositivos coletam continuamente os sinais de vibração em três direções e temperatura, comunicando-se remotamente para a plataforma virtual de visualização e análise dos dados.

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;

Assim, sensores de vibração e temperatura auxiliam na identificação das alterações no funcionamento de máquinas e auxiliam no monitoramento e identificação de defeitos.

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