Las torres de enfriamiento son sistemas que tienen como objetivo transferir el calor residual de un proceso térmico a la atmósfera. Utilizando una corriente de agua u otro fluido a una temperatura más baja. Por ello, este mecanismo forma parte de una amplia gama de aplicaciones, desde la climatización de ambientes hasta la generación de energía.
De esta forma, las torres se emplean en: plantas eléctricas (azúcar, etanol, termoeléctricas y nucleares), siderúrgicas, industrias químicas, petroquímicas, de papel y celulosa, etc.
Para muchas de estas aplicaciones, el control de temperatura de los procesos es indispensable. En ellas, casi toda la producción se interrumpe si se sobrepasa el límite del parámetro.
En estos casos, las torres de enfriamiento son máquinas críticas. Garantizar la disponibilidad y fiabilidad de estos activos significa, por tanto, evitar pérdidas de eficiencia en los procesos o paradas de producción y, en consecuencia, pérdidas económicas.
Construcción y Principio de Funcionamiento
Las configuraciones constructivas y los principios de funcionamiento de las torres de enfriamiento son diversos. Uno de los tipos más utilizados, es la torre seca de tiro mecánico para enfriamiento de agua, cuyo funcionamiento depende de conjuntos electromecánicos.
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 pequeñas 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 a 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.
En general, en los ventiladores axiales se monta un difusor con la función de direccionar. De este modo, se aumenta la velocidad del aire preservando las aspas.
En el caso de los ventiladores centrífugos, la voluta realiza estas funciones, como se muestra en la figura siguiente.
El control del funcionamiento de una torre de enfriamiento se realiza midiendo y ajustando la temperatura de salida del aire húmedo dentro de unos límites preestablecidos.
Este control se consigue regulando el caudal de aire que atraviesa la torre. De este modo, el control electrónico apaga el ventilador cuando se alcanza el límite inferior de temperatura y lo enciende cuando se alcanza el límite superior.
En estos ciclos, el motor eléctrico está sometido a un régimen de servicio no continuo, con diversas paradas y arranques sucesivos. Mediante un inversor de frecuencia en el accionamiento del motor, el ventilador funciona a distintas velocidades de rotación para un control proporcional de la capacidad.
Defectos en las Torres de Enfriamiento
El conjunto electromecánico formado por el motor, reductor y ventilador es la mayor causa de defectos que provocan paradas para mantenimiento en las torres de enfriamiento.
Según un estudio del Bristol-Myers Squibb (Industria biofarmacéutica global), las fallas más recurrentes están relacionadas con el motor eléctrico, seguido del reductor de engranajes.
Los defectos en motores y reductores de engranajes se ven agravados por el hecho de que están sometidos a muchas puestas en marcha, paradas y variaciones de carga en un corto espacio de tiempo.
Además, el montaje de los reductores se realiza en el interior de la torre. Allí es donde están expuestos a la agresión del ambiente húmedo con pequeñas gotas de agua tratada químicamente.
Los defectos de los ventiladores son menos recurrentes, sin embargo, se aplica el Principio de Pareto: la causa menos frecuente es responsable de la mayor parte de los efectos, ya que la mayor parte de las fallas catastróficas en las torres de enfriamiento están relacionadas con los ventiladores.
Defectos y Fallas del Ventilador
Los principales defectos de los ventiladores están relacionados con las aspas, entre ellos: desbalance, inclinación o elevación inadecuada; aspas agrietadas, corroídas o rotas.
El desbalance de las aspas puede ocurrir a través de muchos mecanismos diferentes. Entre ellos se incluyen la acumulación de contaminantes, desgaste, grietas, roturas, corrosión, obstrucción del orificio de eliminación de condensado, imperfecciones geométricas e incluso la colocación incorrecta de masas correctoras de balanceo.
Este tipo de defecto es conocido por causar altas amplitudes de vibración que propagan esfuerzos dinámicos excesivos a través de todo el sistema. Con la evolución del problema, se producirán defectos en otros componentes, como deformación del eje y problemas con rodamientos y engranajes.
El mayor riesgo de funcionar en estas condiciones es la ocurrencia de choques mecánicos entre el aspa desbalanceada y el difusor. Esta tensión, concentrada en el cuerpo del aspa próximo a la conexión con el cubo del ventilador, empieza a aparecer grietas que pueden provocar la rotura de la aspa por fatiga.
Una aspa rota puede damnificar las demás, el difusor o una célula entera, obligando a reacondicionar o sustituir varios componentes.
La causa del modo de falla puede ser una holgura en el ventilador o el difusor, un eje deformado o amplitudes de resonancia excesivas en el arranque de la máquina. Por lo tanto, todos estos defectos tienen un mayor potencial de provocar una falla catastrófica si el conjunto está mal dimensionado.
Frecuencia de rotación del motor
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).
Por ejemplo, si se tiene un motor con una velocidad de 1700 rpm que suministra potencia a un ventilador de 6 aspas que gira a 280 rpm, se obtiene una frecuencia de paso de las aspas de 1680 rpm. Esto representa una diferencia de tan solo 20 rpm entre 1xRPM y 1xPP.
Cuando ondas con frecuencias próximas interactúan entre sí, se produce el fenómeno conocido como golpeteo, en el que sus amplitudes se suman periódicamente.
En otras palabras, el nivel de vibración se amplifica periódicamente en relación con el estado sin el fenómeno de golpeteo.
Como resultado, las ya de por sí grandes magnitudes de vibración procedentes de defectos como el desbalance de las aspas también se amplifican, aumentando el riesgo de fallas catastróficas.
Defectos del motor y reductor de las torres
En los reductores de engranajes, las mayores preocupaciones son los defectos de engranajes y rodamientos. Los engranajes de reductores son susceptibles de sufrir un desgaste excesivo, grietas y rotura de dientes. Así, las principales causas de estos defectos son la sobrecarga del reductor y la desalineación entre engranajes.
Los reductores de engranajes se someten a menudo a cargas superiores a las previstas en el diseño, con el fin de aumentar la producción o compensar deficiencias en el dimensionamiento del conjunto motorreductor.
Por otro lado, la desalineación entre engranajes se produce tras procedimientos de mantenimiento que exigen desmontar y volver a montar los componentes.
Los rodamientos pueden presentar defectos en sus pistas de rodadura, elementos rodantes y jaulas. Las causas son: fallas, contaminación o lubricación inadecuada. Los defectos también pueden ser síntomas de otros defectos en el conjunto, como el desbalanceo del ventilador y la desalineación en relación con el eje del motor.
Además de ser uno de los defectos mas recurrentes, la desalineación presenta una particularidad en algunas torres de enfriamiento. Obtén más información: Desalineación del eje y su contribución a fallas mecánicas (dynamox.net)
Entre el motor y el reductor hay un largo eje fluctuante con acoplamientos flexibles en ambos extremos. Devido a esta configuración, el eje actúa como una palanca para los esfuerzos dinámicos causados por la desalineación.
Estas tensiones actúan directamente sobre los rodamientos, los engranajes y las juntas del reductor, además de los límites de diseño de estos elementos.
Esto provoca defectos en las pistas de rodadura o elementos rodantes de los rodamientos, grietas, roturas y desgaste avanzado de los dientes de los engranajes.
Las juntas pueden desgastarse hasta el punto de permitir fugas de aceite, exponiendo a los engranajes al riesgo de trabajar sin la lubricación adecuada.
Los retos del mantenimiento de las torres de enfriamiento
La propia naturaleza de la construcción y el funcionamiento de estas torres plantea retos para el mantenimiento basado en el estado. El monitoreo tradicional fuera de línea de la vibración y la temperatura requiere detener el funcionamiento de la máquina.
En otras palabras, colocar el transductor en el punto determinado, volver a encenderla, esperar a que alcance la velocidad de funcionamiento y realizar la recolección. Este proceso se repite para cada punto mientras se siguen los procedimientos de seguridad, un proceso que puede demorar más de una hora.
En este tipo de monitoreo, las señales se recolectan bajo un único régimen de rotación y carga. Esto no proporciona información suficiente sobre todos los diferentes patrones del estado del conjunto.
Obtén más información: Las Torres de Refrigeración y sus retos de mantenimiento (dynamox.net)
Monitoreo eficiente de las Torres de Enfriamiento
Una respuesta adecuada para afrontar todos estos retos es el monitoreo continuo del estado utilizando las nuevas tecnologías disponibles en el mercado del mantenimiento.
Actualmente, es posible utilizar sensores fijos en los puntos de recolección. Estos dispositivos recolectan continuamente las señales de vibración en tres direcciones y temperatura, y se comunican de forma remota con una plataforma virtual que permite visualizar y analizar los datos.
Usando esta metodología:
- Reduce la exposición del analista a riesgos relacionados con el ruido excesivo y el difícil acceso a los componentes en altura y en el interior de la torre;
- La temperatura de los componentes se mide continuamente, lo que es importante en un sistema de naturaleza térmica;
- Se elimina la necesidad de detener la operación para medir los datos;
- Se reduce el tiempo empleado por el analista en el proceso de medición;
- El patrón del estado de la máquina es conocido en todos los regímenes de rotación y carga en los que funciona;
- Aumenta la comprensión de los modos de falla y la capacidad de respuesta del equipo de mantenimiento ante los defectos, lo que aumenta la fiabilidad del equipo;
- En consecuencia, se aumenta su disponibilidad al reducir las paradas por mantenimiento correctivo y predictivo.
De este modo, los sensores de vibración y temperatura ayudan a identificar cambios en el funcionamiento de máquinas y ayudan a monitorear e identificar defectos.
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