Históricamente, los ventiladores de las Torres de Refrigeración y los Enfriadores de Aire Industriales han carecido de monitoreo y control del rendimiento en su diseño. Además, cuando puestos en marcha, se los someten a planes de mantenimiento e inspección que no están a la altura de su importancia para la producción industrial.
Las figuras 1 y 2 muestran disposiciones típicas de Torres de Refrigeración y Enfriadores de Aire.
Figura 1 - Torre de Refrigeración Industrial, imagen por FanTR (2020)
Figura 2 - Enfriador de Aire Industrial, imagen cedida por el cliente (2011)
La consecuencia de ello es la aparición de fallos en esos equipos, con daños causados también a otros componentes relacionados a su funcionamiento: ejes de transmisión, acoplamientos, posiblemente la caja de cambios y el motor eléctrico en Torres de Refrigeración, y conjuntos de transmisión, ejes y cojinetes en Enfriadores de Aire. Además, hay que tener en cuenta las pérdidas de producción asociadas o el riesgo de que se produzcan.
El objetivo de este artículo es señalar a los responsables de la Ingeniería de Mantenimiento, Fiabilidad y Explotación de esos equipos la necesidad de incluir en los planes de mantenimiento algunas acciones de inspección e intervención, así como de implantar instrumentación de seguimiento y control. Esas acciones contribuyen a mantener el programa de producción de la Unidad Industrial, tratando de reducir los fallos en esos equipos y ajustándolos a las condiciones operativas.
El ventilador, su estructura típica y su entorno de trabajo
El Ventilador de las Torres de Refrigeración y Enfriadores de Aire es un equipo sencillo con pocos componentes, como se muestra en la figura 3.
Figura 3 - Imagen de un ventilador típico, imagen por FanTR (2024)
El rotor del ventilador FanTR está formado por los siguientes componentes:
- Centro neurálgico;
- Discos inferiores y anillo superior;
- Elementos de fijación, consistentes en tornillos de máquina o kits, tuercas y arandelas lisas;
- Cojinete partido de aluminio o acero inoxidable;
- Aspa, de material compuesto de fibra de vidrio, recubierta en el borde de ataque con cinta de acero inoxidable.
Funcionan de forma continua durante campañas operativas que pueden variar de 1 a 4 años y están sometidos a condiciones ambientales agresivas, en el caso de las Torres de Refrigeración, y a altas temperaturas, en el caso de los Enfriadores de Aire.
Durante ese periodo, la Fiabilidad de cada componente debe ser suficiente para evitar que se produzcan fallos.
Fallos y componentes críticos
A lo largo de años supervisando montajes, mantenimientos, inspecciones y análisis de fallos, se verifica que algunos componentes del ventilador son más críticos que otros cuando se trata de fallos.
Considerándose los ventiladores de Torres de Refrigeración, los elementos de fijación (tornillos, pernos, tuercas y arandelas) son los que han mostrado el menor Tiempo Medio entre Fallos (Mean Time Between Failure – MTBF). Se trata de componentes que trabajan bajo tensiones cíclicas y condiciones de corrosión severas, lo que provoca fallos por fatiga debido a corrosión.
Las Figuras 4 y 5 muestran situaciones en las que los elementos de fijación han fallado o estaban a punto de fallar:
Figura 4: Funcionamiento defectuoso del tornillo de fijación del cojinete partido de las aspas, por Informe de Análisis de Fallos (2017)
En el caso de la Figura 5, el análisis de fallos mostró que el ventilador había estado en funcionamiento durante casi cinco años sin ninguna inspección.
Figura 5: Tornillos con corrosión avanzada en funcionamiento, imagen cedida por el cliente (2019)
La figura 5 muestra las cabezas de los tornillos completamente "enchapadas" por el ataque corrosivo del producto de la Torre. Se constató que ellos habían pasado por dos campañas operativas de dos años sin ser sustituidos.
En los Enfriadores de Aire, el factor que acelera la aparición de fallos es la temperatura de los serpentines, tubos con aletas por los que pasa el producto calentado. Los elementos de fijación son los que presentan más fallos.
Como consecuencia de un cambio en el procedimiento operativo, cuando el equipo se detiene, ya sea para mantenimiento o inspección, los ventiladores se paralizan sin que el producto calentado salga de circulación, creando un aumento de temperatura en el plano del Ventilador, expandiendo los tornillos y reduciendo la estanqueidad inicial de las aspas. Cuando se reanuda el funcionamiento, la falta de estanqueidad permite que la aspa se desplace hacia la pared circular del Enfriador de Aire, bloqueando el rotor en su conjunto. La Figura 6 muestra el aspa atascada en la pared circular de un Enfriador de Aire en el que se produjo la situación descrita.
Figura 6: Aspa contra la pared del Enfriador de Aire, imagen cedida por el cliente (2019)
Se ha detectado un tipo característico de fallo por fatiga en los Enfriadores de Aire antiguos, cuyas aspas son de aluminio. Ese fallo se muestra en la Figura 7.
Figura 7 – Grieta en el cuello del aspa de aluminio, imagen cedida por el cliente (2019)
En los Ventiladores de Torres de Refrigeración, el aspa es otro componente que puede mostrar un desgaste excesivo, debido a condiciones de funcionamiento anormales. El "arrastre" excesivo de gotas, causado por un fallo en el llenado y en los eliminadores de gotas, acelera el desgaste en los bordes de ataque y de salida.
Los demás componentes (el centro neurálgico, el disco inferior, el anillo superior y los cojinetes partidos) tienen una larga vida útil y requieren inspección en las intervenciones programadas.
Recomendación sobre Fiabilidad
Lo que queremos en términos de Fiabilidad es que el ventilador, ya sea de la Torre de Refrigeración o del Enfriador de Aire, no falle durante el periodo de campaña, afectando al programa de producción y aumentando los costes de mantenimiento.
Para ello, la base de datos de registros de inspección y mantenimiento se convierte en el punto de partida para establecer la periodicidad y el alcance de la intervención.
En ausencia de una base de datos de ese tipo, las inspecciones de los componentes críticos, como elementos de fijación, cuerpos de aspa, cojinetes, correas y poleas, deben realizarse entre campañas, paradas programadas o generales, con el fin de evaluar el nivel de degradación de cada componente y definir así la nueva periodicidad de inspección / intervención.
Plan de Inspección y Mantenimiento Sugerido
Las recomendaciones para el equipo de mantenimiento de estos ventiladores se enumeran a continuación en la Tabla 1.
Para ventiladores de Torres de Refrigeración, recomendamos:
Tabla 1 – Recomendaciones de inspección y mantenimiento – Ventiladores de Torres de Refrigeración
Para ventiladores de Enfriadores de Aire, recomendamos:
Tabla 2 - Recomendaciones de inspección y mantenimiento – Ventiladores de Enfriadores de Aire
Sugerencias de Mejora
Al principio de este artículo, abordamos que muchas instalaciones de ventiladores de Torres de Refrigeración y Enfriadores de Aire carecen de sistemas de control y monitorización del estado. En las Torres de Refrigeración, en las que existe un eje de transmisión entre la caja de cambios y el motor eléctrico, algunas organizaciones han adoptado la rutina de leer la vibración en el motor eléctrico, obteniendo señales que no permiten un buen diagnóstico de lo que ocurre internamente en la célula, ventilador y caja de cambios.
Se puede observar que la ingeniería de mantenimiento y fiabilidad ya ha implantado en otras instalaciones:
- Modernización de los antiguos ventiladores, sustituyéndolos por equipos con diseños aerodinámicos avanzados que les permiten funcionar con mejor rendimiento debido al menor consumo de energía en el motor eléctrico, mayor caudal de aire, menor ruido, además de ser más ligeros que sus predecesores y más fáciles de montar y desmontar (mejor mantenibilidad).
- Sensores de vibración en los ejes de entrada y salida de la caja de cambios, capaces de almacenar señales de vibración en las 3 direcciones (vertical, horizontal y axial) y a la temperatura superficial del punto instalado. Esos sensores son capaces de transmitir esos datos por Bluetooth hasta una cierta distancia del captador, ya sea un teléfono móvil, una tableta, etc.
- Variador de Frecuencia (VF) en uno de los ventiladores, para permitir modular el uso del ventilador en función del intercambio de calor en la Torre. El VF está controlado por un PLC, que recibe una señal del transmisor de temperatura del agua que sale de la Torre y vuelve a la planta industrial (agua fría).
Consideraciones Finales
En los últimos años, las Torres de Refrigeración y los Enfriadores de Aire han recibido una mayor atención por parte de la Ingeniería de Mantenimiento y Fiabilidad. Se observa que los Planes de Mantenimiento e Inspecciones se han adecuado más a la función de esos equipos en sus instalaciones industriales.
Muchas industrias han adoptado la modernización, sustituyendo los ventiladores por equipos con mejor perfil aerodinámico y mayor rendimiento operativo.
Junto con la revisión de los Planes de Inspección, se incluyeron dispositivos de monitorización del estado y un sistema de control para adaptar mejor los equipos a las condiciones de funcionamiento.
El resultado medido por algunas organizaciones fue operar campañas enteras sin que fallaran los ventiladores. Además de las ganancias en consumo energético y en la ventilación de la Torre de Refrigeración y de los Enfriadores de Aire.
Por Emerson Carlos Assunção Sanches
Ingeniero Mecánico, Máster en Mecatrónica por la UFBa, trabajando en el Mantenimiento de Equipos Rotativos desde 1978 y en Fiabilidad desde 2009. Cursos de formación en Ingeniería de Fiabilidad en Reliasoft/Compass. Trabajos realizados en plantas cementeras, siderúrgicas y petroquímicas. Actualmente es profesor de grado y posgrado de la asignatura Fiabilidad en Cimatec. Correo electrónico: eng_spec@terra.com.br
