Artigo Técnico – Reforma de torres de resfriamento exige capacitação tecnológica

Artigo Técnico - Reforma de Torres de Resfriamento, Torre de fibra de vidro contra-corrente com deck cônico
Torre de fibra de vidro contra-corrente com deck cônico

Reformar ou recapacitar uma torre de resfriamento requer conhecimento não só do equipamento em si, seus materiais construtivos e componentes, mas também das condições do local da instalação e do processo a que ela atende, a fim de evitar a utilização de produtos inadequados. Além disso, o conhecimento do equipamento visando planejar as atividades para a execução dos trabalhos de campo é de extrema importância, de forma que se obtenha o dimensionamento correto das equipes, equipamentos e ferramentas a serem utilizados e requisitos de segurança a serem cumpridos para evitar acidentes. Atingir o resultado previsto é a somatória das tecnologias de dimensionamento térmico, de fabricação dos componentes a serem utilizados e de equipes especializadas e experientes para a execução da obra.

As torres de resfriamento de água são equipamentos utilizados para dissipar o calor gerado nos mais diversos processos produtivos, em circuito fechado, que dominam a cena onde estão instaladas. Chamam a atenção não somente por suas dimensões, mas também pela forma construtiva, pelo volume de água que circula por elas e também pela névoa que lançam na atmosfera, principalmente em dias mais frios e úmidos.

Petróleo & Energia, Enchimento tipo grade: antifouling
Enchimento tipo grade: antifouling

Esta imponência, porém, nem sempre chama a atenção dos integrantes dos departamentos responsáveis para as peculiaridades de sua condição de operação e para os cuidados que requerem quanto à manutenção. E muito menos desperta nelas a necessidade de recapacitá-las, por meio de retrofittings parciais ou completos.

As torres são muito mais que uma caixa fechada, equipada com um ventilador, por onde circulam água e ar. O que ocorre no seu interior é bastante complexo: grande quantidade de água circulando por metro quadrado, entrando no topo a altas temperaturas e saindo fria na parte inferior. Além disso, o ar que entra por baixo tem uma determinada massa e temperatura, muda de direção e velocidade, aquece, aumenta de volume e densidade e é lançado na atmosfera com saturação de 100%.

Esse cenário operacional é complexo tanto por causa da qualidade da água que por ela circula, com materiais sólidos e biológicos que podem causar incrustações e formação de biofilme nos componentes internos, como em razão da qualidade do ar, que pode conter partículas em suspensão, principalmente se estiverem instaladas em ambientes contaminados.

As torres de resfriamento são excelentes lavadoras de gases, portanto, todos os contaminantes contidos no ar são carreados para a água, causando aumento na quantidade de sólidos em suspensão. Isso sem falar que, por ser um equipamento evaporativo no qual há o contato direto entre a água e o ar, a perda por evaporação concentra esses materiais na água, o que requer cuidados especiais, de forma que evitem problemas operacionais ao longo do tempo.

Petróleo & Energia, Enchimento tipo filme com canais cruzados
Enchimento tipo filme com canais cruzados

Problemas operacionais – A gravidade dos problemas operacionais depende basicamente da qualidade da água que circula pela torre e do tipo de enchimento adotado. Hoje são utilizados basicamente dois tipos de enchimento: a) o respingamento, composto por barras normalmente fabricadas com PVC extrudado, que podem ser tubos triangulares ou retangulares, cantoneiras ou barras chatas perfuradas, bandejas, entre outros, com grandes espaçamentos verticais e horizontais entre elas. Este tipo de enchimento tem capacidade de operar com maiores níveis de sólidos em suspensão, sólidos dissolvidos ou material orgânico, o que, de qualquer forma, não os torna invulneráveis em caso de excessos. b) filme, composto por blocos formados por folhas de PVC termoformadas, de canais cruzados, off-set ou verticais, ou grades de canais cruzados de PP injetado, os quais são muito mais eficientes na transferência de calor por fornecer maior taxa de troca por unidade de volume. Por outro lado, são mais suscetíveis a entupimento.

A contaminação dos enchimentos é a maior causa de problemas nas torres de resfriamento. O mecanismo básico é o seguinte: quando o controle microbiológico é bem feito, havendo sólidos em suspensão ou dissolvidos, estes podem se aderir aos elementos do enchimento. Mas o tempo para que o peso dos enchimentos se eleve é bastante grande, minimizando a possibilidade de colapso. De qualquer forma, o problema precisa ser controlado, pois ao longo do tempo a queda no rendimento térmico da torre pode requerer até a substituição dos enchimentos.

Por outro lado, quando não há um bom controle microbiológico, ocorre a formação de biofilme no interior do enchimento, oriundo dos excrementos dos micro-organismos (bactérias), que formam um produto conhecido como EPS (Substância Polimérica Extracelular), uma espécie de “cola” que favorece a aderência ao substrato não somente das próprias bactérias, mas também do material sólido dissolvido na água. Isso aumenta consideravelmente o peso do enchimento em curto espaço de tempo. As bactérias formadoras do biofilme têm no interior da torre o ambiente propício para sua proliferação: alta temperatura, nutrientes em abundância e oxigenação, cujo difícil combate deve ser feito por meio do tratamento químico da água, purga do sistema e controle da qualidade da água de reposição.

Petróleo & Energia, Respingamento com barras triangulares
Respingamento com barras triangulares

Água de reposição em uma torre de resfriamento é outro item que merece especial cuidado. Em virtude da evaporação de parte da água de circulação e da necessidade de realizar purgas para manter os níveis de sólidos em suspensão aceitáveis, há a necessidade de se repor tais perdas, incluindo as que ocorrem por arraste e respingamento. Normalmente, as fontes de água de reposição são os rios, lagos, poços artesianos ou em alguns casos água de reúso. Cada fonte de água de reposição tem sua característica própria e dependendo da sua qualidade os problemas acima mencionados podem se agravar e requerer reformas das torres com maior frequência.

Além dos problemas com a qualidade da água recirculante na torre, podem existir problemas quanto ao volume que circula por ela. Quando é aquém do especificado, há a chance de se criar áreas secas no enchimento e caminhos preferenciais ao ar. Se o volume for além do especificado, há a ocorrência de queda dos bicos aspersores do sistema de distribuição por excesso de pressão, com a consequente concentração de água em jatos que normalmente danificam os elementos do enchimento.

Todos esses problemas associados causam outros: contaminação dos eliminadores de gotas, elementos tipo “chicana” montados acima do sistema de distribuição de água com a finalidade de reter as gotas de água arrastadas pelo fluxo de ar movido pelo ventilador. Quando isso ocorre, há a contaminação de componentes do equipamento mecânico, como hélice, redutor de velocidade, motor e chassi. Gotas de água arrastadas pelo ventilador podem causar também erosão no bordo de ataque das pás de fibra de vidro das hélices.

Petróleo & Energia, Exemplo de contaminação em enchimento tipo filme...
Exemplo de contaminação em enchimento tipo filme…

Além dos problemas com o enchimento e eliminadores de gotas das torres, outros que normalmente afetam o equipamento e ocasionam a necessidade de reformas são o entupimento dos bicos pulverizadores e a corrosão, causada por águas muito contaminadas com sólidos em suspensão ou agressivas. Os componentes afetados são os tubos ou canaletas do sistema de distribuição de água e os metálicos, tais como estruturas e suportes internos, chassi suporte do equipamento mecânico, motores, hélices, redutores de velocidade, mancais, passarelas e guarda-corpos. Águas agressivas também podem atacar os componentes feitos de poliéster reforçado com fibra de vidro, um termofixo composto por fibras e resina, a qual, se atacada, deixa o laminado sem resistência mecânica.

Reformas – Originalmente, as torres de resfriamento eram construídas com estruturas de madeira. Nos Estados Unidos, eram utilizadas madeiras do tipo Red Wood ou Douglas Fir, de florestas renováveis, com peso específico em torno de 700 Kg/m³, parecida com o pinheiro brasileiro (Araucária). Essas madeiras sempre foram tratadas em autoclave, com fungicidas e bactericidas para garantir grande resistência ao ataque microbiológico. No Brasil, por falta de madeira similar e estações de tratamento, foram empregadas no passado madeiras de lei, como a peroba-rosa, ipê, maçaranduba, cumaru, entre outras. A exigência técnica principal era a de que tivessem peso específico em torno de 1.100 Kg/m³. Isso, aparentemente, isentava as madeiras de receber tratamento, por serem extremamente duras. Porém, apesar da resistência natural ao ataque microbiológico, na prática elas acabavam por sofrê-lo, principalmente nas regiões não inundadas da torre, onde a água tratada não agia.

Petróleo & Energia, ... e no equipamento mecânico da torre
… e no equipamento mecânico da torre

Muitas torres também foram e ainda são, em menor quantidade, construídas com estruturas de concreto armado, que demandam mais tempo para a instalação e custos mais altos. Torres com estruturas de aço-carbono também são comuns, seja com proteção por galvanização a fogo seja por pintura com tintas à base de epóxi. Fibra de vidro, em estruturas autoportantes ou projetadas com perfis pultrudados, da mesma forma, têm sido muito utilizadas, por serem duráveis, anticorrosivas, fáceis de montar e rápidas para produzir e fornecer, demandando menor tempo para instalação e menor custo final. O importante é salientar que, independentemente do material de construção, todas elas requerem cuidados com a manutenção e muitas necessitam de reformas periódicas ao longo da sua vida útil.

As torres com estruturas de madeira, ainda existentes no Brasil, têm sido reformadas com a utilização de perfis estruturais pultrudados de fibra de vidro, seja pela substituição total ou parcial. Hoje não se tem mais como realizar as reformas utilizando madeira, em virtude de restrições da legislação ambiental. Nesses casos, há de se fazer uma avaliação do estado das estruturas originais e se determinar quais os tipos de ataque existentes. Eles podem ser microbiológicos (apodrecimento: os micro-organismos se alimentam da celulose da madeira, deixando a lignina sem resistência mecânica) ou químicos (ataque da lignina, deixando as fibras de carbono expostas, sem o elemento de ligação: madeira fibrosa e esbranquiçada). As peças danificadas são substituídas por perfis estruturais de fibra de vidro pultrudada ou peças laminadas.

Já as torres com estrutura de aço-carbono com corrosão excessiva ou equipamentos com estruturas de fibra de vidro sob ataque químico devem ter os componentes danificados substituídos. No caso das estruturas de aço, a substituição pode ser feita com fibra de vidro pultrudada. Cuidados com a qualidade da água devem ser adotados para evitar que o processo se repita.

Petróleo & Energia, Estrutura de concreto: custo mais alto
Estrutura de concreto: custo mais alto

No caso das torres construídas com concreto armado, as reformas são mais demoradas e onerosas. São requeridas quando o ataque ao concreto ocorre principalmente em peças mais delgadas, com menor recobrimento da ferragem. O ataque ocorre nas armaduras internas das colunas, vigas e lajes, cuja corrosão destrói os elementos de ligação, expondo-as à atmosfera e ao fluido circulante. Os processos de recomposição das ferragens e de alvenaria devem ser criteriosos, de acordo com as normas aplicáveis, executado por empresa especializada.

Os internos também são alvo de muitos serviços de reforma. Enchimento, eliminadores de gotas e sistemas de distribuição de água necessitam de atenção quando ocorrem entupimentos, seja por incrustações ou por contaminações de micro-organismos. Nesses casos, pode haver apenas a necessidade de limpeza mecânica por hidrojateamento ou desobstrução de tubos e bicos pulverizadores. Mas também pode ser preciso substituir os componentes afetados, requerendo a desmontagem e a instalação dos componentes novos. É importante que se tenha o conhecimento da causa do problema, para que ele não volte a ocorrer em curto espaço de tempo.

Outras demandas – Estragos nos componentes mecânicos das torres podem exigir intervenções. É comum a substituição de rolamentos e retentores dos redutores de velocidade e mancais, a troca de correias e a recuperação das pás, cubos e parafusos das hélices, bem como a substituição de rolamentos dos motores elétricos, a remoção mecânica de camadas corroídas nos chassis e a posterior pintura de todos os componentes. As hélices devem ser balanceadas dinamicamente após sua recuperação, de forma que garantam que todo o conjunto opere dentro de limites seguros para evitar danos aos componentes giratórios.

Petróleo & Energia - Artigo Técnico - Reforma de Torres de Resfriamento, Tabela 1 - Curva Característica de DemandaA integridade das chaves detectoras de vibração deve ser investigada e preservada. Se for comprovada a necessidade, a substituição deve ser efetuada, uma vez que o componente é de extrema importância para garantir o bom funcionamento do conjunto mecânico, desativando-o em caso de anormalidades. Sensores piezométricos também podem ser instalados em substituição às chaves detectoras de vibração, que transmitem sinal ao SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) e monitoram o equipamento quanto à vibração durante todo o tempo de operação.

Quando da reforma do equipamento mecânico, deverá ser realizada a troca de óleo do redutor de velocidade, assim como a lubrificação dos rolamentos dos motores elétricos e mancais. Nas torres em que há um eixo de transmissão, este deverá ter seus elementos flexíveis verificados e substituídos, se necessário. Além disso, o alinhamento também deve ser feito por meio de equipamento de raio laser.

Outro ponto importante é o cuidado com o fechamento lateral das torres. As de concreto têm normalmente o fechamento lateral feito de alvenaria de blocos, que podem absorver água caso o material de impermeabilização tenha se deteriorado por causa da lixiviação pela água. Nesse caso, ele precisa ser recomposto.

As torres com fechamento lateral em placas, telhas ou painéis de fibra de vidro devem ser lavadas com detergente neutro ou então ter a sua superfície preparada e pintada com tinta à base de poliuretano. As juntas dos elementos de fechamento com vazamentos devem ser rejuntadas com material elástico, à base de poliuretano. Nos pontos onde há vazamentos, há o risco de formação de algas e limo e até o nascimento de plantas, em virtude das condições propícias.

Petróleo & Energia, Estrutura de fibra de vidro pultrudada
Estrutura de fibra de vidro pultrudada

Fazem parte ainda das preocupações a manutenção e a reforma dos componentes externos e acessórios das torres. Trata-se de escadas de acesso, passarelas, guarda-corpos, luminárias, conduítes, sistemas de lubrificação, válvulas, flanges e suas juntas, portas de acesso, postigos de inspeção, para-raios, entre vários outros. Todos podem sofrer a ação do ambiente no qual a torre está instalada, em alguns casos, agressivos em virtude do próprio ar efluente dos ventiladores, fontes poluidoras e de calor, ocasionadores principalmente de corrosão. Quando isso ocorrer, a recuperação deve ser feita por meio de preparo das superfícies e pintura, com tinta à base de epóxi, ou então pela substituição do elemento. Juntas devem ser trocadas, para a eliminação de vazamentos e válvulas, e lubrificadas, de forma que garantam sua perfeita condição de operação, permitindo o ajuste da vazão de água e pressão em cada uma das células.

É alvo da atenção dos técnicos de manutenção de torres as bacias de água fria. As torres de pequeno porte, normalmente até 50 m², podem ter as bacias construídas com fibra de vidro, já as de maior área de base, de concreto armado. Ambas requerem manutenção não só pelo acúmulo de materiais sedimentados no fundo como também por causa dos ataques químicos. As feitas de fibra de vidro podem ter a resina do laminado atacada, requerendo sua reconstituição por meio de laminação manual. As de concreto devem ter tratamento adequado das ferragens aparentes e reconstituição da superfície com argamassa e impermeabilização, importante não somente na bacia de água fria, mas em toda a parte interna das estruturas de concreto, principalmente pelo fato de se tratar de obras hidráulicas.

Por fim, todas as atividades de intervenção em uma torre de resfriamento de água devem ser realizadas por pessoal especializado, com experiência no trabalho, levando-se em consideração que as atividades ocorrem em altura elevada e que o interior da torre é um “ambiente confinado”. Devem ser adotados cuidados especiais de segurança, como o uso de andaimes especiais, linhas de vida, equipamentos de proteção individual e análise de risco. Serviços a quente só podem ser feitos quando não houver materiais combustíveis na composição da torre, ficando vetados nas construídas com componentes plásticos ou de fibra de vidro.

Recapacitação – O termo “recapacitação” é usado para definir os trabalhos de melhorias de uma torre de resfriamento. Isso significa tanto a adequação das variáveis operacionais às exigências de algum processo modificado ou o aumento efetivo da sua capacidade térmica, para atender a eventuais aumentos da capacidade produtiva de uma planta. Em ambos os casos é preciso estudar termicamente o equipamento com base nas condições operacionais requeridas e nas características do enchimento existente e de um novo a ser instalado, que forneça maior taxa de transferência de calor.

Petróleo & Energia, Vazamento em torre provoca surgimento de plantas
Vazamento em torre provoca surgimento de plantas

Quando foram desenvolvidos os enchimentos tipo filme, de canais cruzados, nas décadas de 50 e 60, desenvolvidos na Suécia pelo inventor Karl Munters, iniciou-se um processo de modernização revolucionário de torres de resfriamento antigas e obsoletas, que adotavam enchimento tipo respingamento, por barras de madeira. Diversas torres foram recapacitadas, desde as de pequeno até as de grande porte. Com o passar do tempo, chegou-se à conclusão de que os enchimentos, quando aplicados principalmente em torres de processos industriais, requeriam um tratamento de água tão acurado que seu custo tornaria inviável a operação, a ponto de diversas torres precisarem ser recapacitadas novamente com outros tipos de enchimento. Assim, passou-se a desenvolver enchimentos também do tipo filme, porém de canais verticais, do tipo off set ou grade, chamados antifouling, ou seja, antientupimento.

A recapacitação de uma torre consiste em explorar a capacidade de se utilizar o volume reservado no seu interior ao enchimento, utilizando outro tipo, de maior rendimento. A curva abaixo – padrão C.T.I. (Cooling Technology Institute) – demonstra o que ocorre. Para uma determinada condição de operação (vazão de água, temperatura de água quente, temperatura de água fria, temperatura de bulbo úmido do ar e potência instalada), se no enchimento original se tem uma determinada relação entre as massas de ar e água (L/G), com um determinado coeficiente global de troca de calor (KaV/L), no novo enchimento se deverá ter novos coeficientes de forma que as relações L/G e KaV/L sejam maiores.

Os dados são os seguintes:

Petróleo & Energia, Reforma de Torres de Resfriamento - Tabela 2 - Curva Padrão C.T.I. Cooling Technology Institute

 

 

Verifica-se que o enchimento B terá um rendimento maior que o enchimento A, com necessidade de uma massa menor de ar e por consequência uma menor potência consumida.

Da mesma forma, se a curva de demanda para uma nova condição operacional a ser atendida estiver mais acima, ou seja, se ela for mais severa, o enchimento B poderá atendê-la desde que a relação L/G seja igual ou próxima a 1,0, como no enchimento A.

Outras maneiras de se conseguir a recapacitação de uma torre, além da substituição do enchimento, são:

– Aumentar a potência instalada, de forma que se consiga maior massa de ar no interior da torre, com necessidade de respeito a determinados limites;

– Aumentar a altura dos difusores dos ventiladores, com a utilização de recuperadores de velocidade (Venturi), para se ganhar pressão dinâmica e por consequência potência;

– Substituir eliminadores de gotas por modelos mais eficientes e modernos, de menor perda de carga à passagem do ar;

– Melhorar a distribuição de água sobre o enchimento, por meio da substituição de todo o sistema ou apenas dos bicos pulverizadores;

– Substituir hélices obsoletas por outras mais modernas e eficientes.

Os estudos para a viabilização de uma recapacitação dependem primeiramente do conhecimento da condição atual de operação do sistema no qual a torre de resfriamento está instalada. Normalmente, as plantas são dimensionadas com folgas, assim como a torre de resfriamento. Com o passar do tempo, em virtude de adequações dos equipamentos instalados nos processos produtivos ou então por causa do aumento de produção, as condições originalmente adotadas passam a não ser mais realistas. Por essas razões, o ideal é fazer um teste de desempenho térmico da torre a ser recapacitada, para que se obtenha a real condição de operação e a partir dela determinar os novos dados operacionais a serem utilizados. Após a recapacitação, um novo teste é recomendado para confirmação dos resultados conseguidos e garantidos.

O AUTOR

O eng. Paulo Wilson Garcia Carneiro cursou Engenharia de Refrigeração e Ar-Condicionado na Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) e Engenharia Mecânica de Máquinas pela Universidade Braz Cubas. Iniciou a carreira no começo da década de 70 na Garcia & Bassi, empresa fabricante de torres de resfriamento de água genuinamente nacional, licenciada pela Lillie Hoffmann (EUA). Além de atuar em diferentes departamentos da empresa, Carneiro também participou de grandes projetos do Plano Siderúrgico e do Plano Petroquímico do governo federal, na CSN, Cosipa, Siderúrgica de Tubarão, Usiminas etc. No início dos anos 80, atuou como gerente técnico comercial da Kepler Weber S/A. Na empresa, proprietária da Garcia & Bassi e da Gema Equipamentos Industriais – esta licenciada por The Marley Company (EUA), maior fabricante de torres de resfriamento de água do mundo –, o engenheiro foi responsável pela fusão de tecnologias e pela promoção de integração de ambas em um produto único no Brasil.

Em 1984, Carneiro fundou a Vettor Comércio e Serviços, empresa que preside, para atuar nas atividades de consultoria, reformas, manutenção, testes de desempenho térmico e recapacitação de torres de resfriamento de água usadas em todos os segmentos do mercado, abrangendo materiais construtivos e desenhos.

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