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Técnicas criogénicas aplicadas al reacondicionamiento de componentes mecánicos y eléctricos en sistemas de generación de energía
Javier Jacobo del Río Aguirre La
utilización de técnicas criogénicas para la eliminación de contaminación
superficial se presenta como una alternativa a los métodos tradicionales de
limpieza, ofreciendo resultados óptimos en un tiempo reducido y siendo
económicamente competitivo con otros sistemas.
Estas técnicas se basan en la
utilización de partículas de CO2 sólido a baja temperatura y suponen un avance
en la búsqueda continua de la industria de soluciones que minimicen los costes
al mismo tiempo que permiten un mantenimiento de alta calidad. Además presenta
la gran ventaja de ser técnicas seguras para el personal, instalaciones y el
medio ambiente.
Se expone aquí la limpieza criogénica como una alternativa a
los métodos tradicionales, mostrando sus principios de funcionamiento, ventajas
y aplicaciones. Se presenta asimismo su uso en el reacondicionamiento de
alternadores mediante un caso práctico.
Principios físicos
La criogénesis es una parte de la física que se puede definir como la ciencia que estudia los fenómenos que tienen lugar a muy baja temperatura. La limpieza mediante técnicas criogénicas se basa en el impacto de pellets de dióxido de carbono sólido a gran velocidad sobre la superficie cuya suciedad se pretende eliminar, aprovechando el efecto limpiador que se describe más abajo. Los pellets de CO2, también llamado hielo seco, son partículas de dióxido de carbono sólido a -78,5ºC. Estas partículas son regulares, sin partes angulosas y pueden presentar distintos tamaños, siendo los de ¼ de pulgada por 1/8 de pulgada (aproximadamente 3 mm por 8 mm) los más apropiados para aplicaciones de limpieza. La limpieza con hielo seco se basa en tres principios físicos cuyos efectos trabajan conjuntamente constituyendo una efectiva herramienta de limpieza. Estos son los siguientes: • Energía cinética. A los pellets de hielo seco se les confiere una energía cinética acelerándolos hasta una velocidad determinada y controlada, que se transfiere al substrato depositado sobre la superficie a limpiar extrayendo de ésta la suciedad. Es el mismo efecto que produce la limpieza con otros métodos basados en el chorreo de partículas a presión: arena, agua, partículas de maíz (EE.UU), etc. Al igual que en otras tecnologías basadas en la propulsión de partículas a presión, las condiciones de limpieza pueden cambiarse controlando la velocidad y el tamaño de las partículas. No obstante, el sistema de limpieza con CO2 sólido no se basa únicamente en la utilización de la energía cinética como agente limpiador, sino que actúa conjuntamente con los efectos que se explican a continuación• Diferenciales térmicos. Cuando se produce el impacto de las partículas de hielo seco sobre la superficie se crea un pequeño diferencial térmico provocando roturas en la unión entre la superficie y el material contaminante que facilita el proceso de desprendimiento.
La mayoría de los componentes tienen coeficientes de dilatación térmica diferentes. Al enfriarse, la superficie y la suciedad se contraen de forma diferente dado las diferencias en sus coeficientes de expansión térmica. Esta contracción no uniforme hace que se debilite el vínculo entre la capa de contaminación y la superficie a limpiar, favoreciendo el desprendimiento.
• Cuando el hielo seco impacta con la superficie objeto de la limpieza y explota pasando a fase gaseosa, tiende a invadir roturas y poros de la capa contaminante. Luego se calienta rápidamente y se expande empujando el contaminante fuera del substrato, rompiendo su unión y contribuyendo al proceso de limpieza. En inglés se denomina reverse fracturing (rotura inversa) y se trata de otro efecto que contribuye a debilitar la adhesión de los contaminantes a la superficie objeto de la limpieza, facilitando el efecto limpiador de la energía cinética.
La
energía cinética, los diferentes coeficientes de dilatación térmica y el efecto
de reverse fracturing actúan conjuntamente constituyendo un único método
de limpieza. Los dos últimos debilitan la adhesión de la contaminación a la
superficie facilitando el proceso de desprendimiento debido a la energía
cinética.
Con la utilización de técnicas criogénicas no se producen residuos
secundarios, siendo los únicos productos resultantes el CO2 gaseoso, procedente
de la sublimación de los pellets, y la suciedad extraída.
| La figura 1 muestra la
disposición de los equipos durante el ensayo. El sistema consta de una tolva
dosificadora que alimenta una rueda de cangilones, movida por un motor neumático, una pistola de inyección con regulador para el motor y un compresor de aire. El funcionamiento es completamente neumático. |
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| En la figura 2 se observan las conexiones de la tolva dosificadora con los demás elementos del sistema. |
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Características de la limpieza criogénica
La eliminación de contaminación con sistemas basados en técnicas criogénicas presenta una serie de propiedades que pueden hacerla ventajosa respecto a otras técnicas de limpieza:
• No se producen residuos secundarios, como en la limpieza con inyección de arena o partículas de maíz. Simplemente se produce gas CO2 que pasa a la atmósfera.
• Es una limpieza rápida. No suele requerir grandes trabajos de preparación previa ni limpieza posterior de la zona de trabajo.
• No presenta costes elevados, ya que no se tiene que recoger/tratar desechos secundarios y no hacen falta actividades de limpieza posteriores en la zona de trabajo. La materia prima no es cara y el trabajo es rápido
• Puede ser fácilmente robotizable.
• Es segura, tanto para el personal encargado de realizar la limpieza como para los equipos a limpiar. Asimismo el impacto ambiental es bajo.
• Los productos utilizados son químicamente inertes y no corrosivos. Además los pellets de hielo seco son poco abrasivos y no dañan la superficie a limpiar.
Aplicaciones La limpieza con pellets de CO2 aporta en general una serie de ventajas (no produce residuos secundarios, seguridad para el personal y elementos a limpiar, ventajas de tiempo y/o coste de la limpieza) que hacen aconsejable considerar su empleo cuando se requiera efectuar cualquier trabajo de limpieza. Prácticamente cualquier producto que se limpia con agua a presión, chorro de arena u otros métodos similares puede limpiarse con pellets de hielo seco.Aplicación al reacondicionamiento de alternadores. Caso práctico
Antecedentes
Con la
nueva situación de competitividad en el mercado eléctrico español, el
mantenimiento adquiere una relevancia especial para asegurar la fiabilidad y
disponibilidad de los generadores.
A lo largo de la vida útil de un
alternador se puede producir una pérdida de rendimiento, debido entre otros
factores a la acumulación de suciedad en la superficie del estator que produce
pérdida de refrigeración con sus consecuencias en el rendimiento y
envejecimiento de la unidad.
Habitualmente, Unión Fenosa Producción
Hidráulica realizaba la limpieza de sus alternadores mediante líquido
dieléctrico. Con el objetivo de contribuir a una correcta conservación de los
alternadores hidráulicos en óptimas condiciones de operación se consideró la
posibilidad de utilizar técnicas criogénicas para la limpieza de los
generadores.
Se decidió uti-lizar estas nuevas técnicas para la limpieza del
grupo 2 de la central hidráulica de Belesar con el objetivo de evaluar su
funcionamiento, dentro del denominado proyecto CEODOS. De los tres grupos que
componen esta central, los grupos 1 y 3 habían sido rebobinados en 1986 y 1997,
quedando únicamente el grupo 2 con su estator original. Se pretende por una
parte evitar la sustitución del estator de la máquina –cuyo reemplazo total o
parcial había sido considerado- y comprobar la utilidad de la técnica empleada
para prolongar la vida útil de esta unidad y máquinas similares.
El
alternador del grupo 2 presentaba un alto nivel de contaminación por grafito y
aceite. El año anterior se habían limpiado parcialmente las cabezas de bobina
con disolventes. Los canales de ventilación del núcleo del estator se
encontraban prácticamente obstruidos por completo, lo que sin duda había
incrementado considerablemente la temperatura de trabajo de la máquina. Se había
limitado su potencia por problemas de excesivo calentamiento.
• Puede ser difícil alcanzar algunas zonas a limpiar dependiendo de la geometría de la máquina, si bien es una porción muy pequeña (aproximadamente el 1%). Este problema es poco importante y se tiene también con otros métodos de limpieza
• Después del proceso de limpieza fue necesario repintar la máquina. En principio, en máquinas no tan envejecidas puede no ser necesario repintar
• Tras la limpieza hubo que realizar algunas pequeñas reparaciones antes de pintar, encintando partes deterioradas que se encontraban en mal estado antes de comenzar la limpieza
• Con la limpieza criogénica se produce un polvo muy fino proveniente de la suciedad dado que no se añade ninguna otra partícula o humedad al contaminante. El estator debe cubrirse convenientemente y recuperar el polvo creado para que éste no se escape y esparza por la zona de trabajo. Estos problemas pueden ser solucionables tomando precauciones y trabajando con cuidado. Pueden recogerse por vacío o filtros.
Durante la limpieza de la unidad 2 de Belesar se tuvo algún problema en este sentido, quedando partículas en suspensión en el aire que ensuciaron parte de la planta siendo necesaria una limpieza posterior.
• Se requiere especial cuidado para limpiar las cabezas de bobina. La limpieza en alternadores se tiene que realizar con más cuidado que la limpieza criogénica de otras superficies, dado que puede ser agresiva para el aislamiento del bobinado.
Se observaron las siguientes ventajas de la limpieza con hielo seco:
• Se eliminó la suciedad que obstruía los canales de ventilación, difícilmente eliminable limpiando a mano con líquido dieléctrico. Los resultados de la limpieza son mucho mejores que los obtenidos anteriormente, eliminando residuos que no se podían extraer con el método habitual.
• Se produjo un descenso significativo en la temperaturas de operación de la máquina, objetivo principal de la limpieza.
• Se realizó en un período de tiempo menor con unos resultados mucho mejores que limpiando con líquido dieléctrico.
• Los costes pueden ser del orden de la limpieza con disolventes. En este sentido se debe valorar también los beneficios económicos derivados de un mayor rendimiento y la prolongación de vida útil de la máquina, conseguidos al tener unos resultados mucho mejores en la limpieza
• La única sustancia que queda como consecuencia de la limpieza es el CO2 gaseoso y la suciedad extraída, sin generarse otros residuos. Los disolventes químicos más efectivos están cuestionados por motivos medioam-bientales.
Los objetivos iniciales de mejorar las condiciones de operación de la máquina con un descenso significativo de la temperatura y reducción de las pérdidas sin necesidad de sustituir el bobinado y/o núcleo del estator se consiguieron a través del proceso realizado.
La limpieza criogénica presenta además ventajas importantes sobre otras técnicas, como la limpieza con vapor de agua y disolventes que supone una preparación mayor y un largo proceso de secado posterior a la limpieza. En EE.UU también se realiza la limpieza con partículas de maíz (corncob) que produce una gran cantidad de desechos, que pueden ser peligrosos en el caso de que la suciedad del alternador lo sea, y requiere más tiempo, incluyendo preparativos y limpieza posterior de la zona de trabajo.
Conclusiones En general, la utilización de técnicas criogénicas para la eliminación de suciedad en superficies contaminadas ofrece resultados óptimos, sin producir más residuos que el propio CO2 y la suciedad eliminada y dejando la zona de trabajo sin necesidad de reacondicionamiento una vez realizada la tarea. Unido esto a la seguridad del trabajo con hielo seco lo convierten en una alternativa competitiva que debe considerarse en cualquier proceso de limpieza que se necesite ejecutar.• Grado de suciedad de la máquina: si es alto, las técnicas criogénicas pueden resultar ideales ya que se obtienen resultados excelentes. Si la máquina está poco contaminada puede resultar suficiente con una limpieza a mano con disolventes
• Disponibilidad de la máquina: la limpieza criogénica permite ejecutar los trabajos con mayor rapidez, resultando especialmente interesantes para situaciones en las que se tengan restricciones de tiempo importantes.
• Es posible que haya que proceder a pintar el alternador total o parcialmente tras la limpieza, debiendo considerarse la posibilidad antes de que ésta se lleve a cabo.
Para alternadores que presenten un alto grado de suciedad y/o restricciones de tiempo importantes la limpieza con técnicas criogénicas es una opción muy ventajosa con la que se obtienen resultados óptimos.
