Sistemas de resfriamento de tocha para corte a arco plasma

Os sistemas de resfriamento a água para cortadores a plasma são muito parecidos com os que são usados em motores automotivos: os dois usam água e líquido refrigerante, uma bomba, mangueiras de resfriamento e um permutador de calor para remover a energia da fonte de calor. Em um automóvel, a fonte de calor é a câmara de combustão dentro do motor, que opera a temperaturas maiores de 2.000 ºF. Em uma tocha a plasma, a fonte de calor é a câmara de plasma dentro da tocha, onde a temperatura do arco pode exceder 22.000 ºF.

Uma tocha a plasma, como um motor, é resfriada por uma combinação de radiação, convecção e condução. A energia sai do arco na forma de raios ultravioletas intensos. O calor converge para fora da tocha e das peças da tocha por meio do gás ou ar em movimento. E, por fim, o sistema de resfriamento a água conduz o calor para longe das peças da tocha para o líquido refrigerante.

O que acontece quando o a refrigeração condutiva é reduzida, por causa de um problema em um componente no sistema de resfriamento? O sistema superaquece rapidamente. Qualquer um que já tenha passado pela situação do carro superaquecer, sabe como é inconveniente ficar parado na beira da estrada com um veículo fumegante e lidar com os consequentes gastos em consertos infindáveis, geralmente a compra de novos radiadores, mangueiras, gaxeta do cabeçote ou até mesmo bloco do motor. Quando o sistema a plasma se superaquece, geralmente perde-se tempo e dinheiro. Um sistema a plasma superaquecido causará o rápido desgaste das peças da tocha e, com o tempo, a queima da tocha e dos cabos. Se o problema continuar sem conserto, talvez seja necessário substituir um motor e uma bomba. Contudo, o tempo de paralisação e as despesas decorrentes do superaquecimento podem ser evitados. Conhecer o sistema e seus componentes ajudará você a localizar os problemas quando ocorrerem e evitará futuras falhas, por meio da manutenção preventiva.

O sistema de resfriamento

Um sistema de resfriamento PAC típico é formado por uma tocha, um motor, uma bomba, linhas de resfriamento, fluxostato, filtro, permutador de calor e reservatório. Esse artigo abordará cada um desses componentes e descreverá problemas comuns, procedimentos de localização de defeitos e de manutenção.

Tocha a plasma

As tochas a plasma que operam a 100-150 A e além (15 kVA) exigem resfriamento a água, para evitar o superaquecimento da tocha e das peças. A figura 1 é um corte transversal de tocha a plasma, mostrando as passagens internas da água de resfriamento. O eletrodo de cobre gera um arco plasma e fica próximo da fonte de calor, o que faz com que precise de resfriamento direto. A maioria dos eletrodos de alta potência é usinada com fresa oca para permitir um maior resfriamento na ponta: um tubo de água se estende nessa área fresada, com pouco afastamento e alinhado precisamente ao eletrodo, (geralmente 0,015 até 0,020 pol de espaço por lado) e oferece um fluxo de líquido refrigerante de alta velocidade na superfície interna traseira do eletrodo. Nesse design de tocha, o bico é também resfriado pela água.

Problemas comuns em tochas:

• Tocha entupida: Com o tempo, as tochas podem ficar entupidas com partículas. Partículas de cobre derretido de eletrodos defeituosos podem tampar pequenos buracos e reduzir ou interromper a vazão de água.
• Tubo de água danificado: Se o tubo de água estiver torto, danificado na extremidade ou não estiver rosqueado corretamente na tocha, a vazão de água de resfriamento será reduzida.
• Tocha com vazamento: Anéis retentores danificados ou superfícies de vedação de anéis retentores com defeito podem causar vazamento do fluido de resfriamento. Os tubos e conexões na parte traseira da tocha podem gotejar líquido refrigerante, baixando os níveis no tanque.

Figura 1 - passagens de resfriamento da tocha a plasma

Líquido refrigerante

Figura 2 - Líquido refrigerante da tocha

O líquido refrigerante da tocha é uma mistura de água deionizada, etileno ou propileno glicol para baixar o ponto de congelamento. Muitas oficinas usam apenas água deionizada, caso não haja risco de congelamento. A água deionizada deve ser usada porque não contém íons condutivos que podem causar problemas no sistema. O etileno (ou o propileno glicol) é o mesmo agente usado nos sistemas de resfriamento automotivo. Contudo, o anticongelante automotivo jamais deve ser usado em um sistema a plasma! A maioria dos anticongelantes comerciais tem materiais que estancam pequenos vazamentos. Isso os torna inadequados para uso em uma tocha a plasma.

Problemas comuns no líquido refrigerante:

• Contaminação: Com o tempo, o líquido refrigerante pode ficar contaminado com pedaços de mangueira, fios ou cobre provenientes de peças danificadas, sujeira, ferrugem, algas ou outros agentes contaminantes. Esses contaminantes reduzem a eficiência da refrigeração e diminuem a faixa de fluxo. Pode ser necessário enxaguar o sistema, colocar um novo filtro e líquido refrigerante novo.
• Condutividade muito alta: Se a condutividade do líquido refrigerante for muito alta, ou ao contrário, se a resistividade for muito baixa, a eletricidade pode ser conduzida pela água de resfriamento na tocha. Isso pode fazer com que o arco plasma tenha uma partida difícil quando a tocha escorva um arco entre o eletrodo e o bico. Até mesmo um líquido refrigerante novo que não seguiu as especificações pode não atender aos requisitos de condutividade do sistema. É melhor usar o líquido refrigerante do OEM ou testar periodicamente a condutividade do líquido refrigerante usando um testador especial. O nível recomendado é entre 0,5 e 18 microSiemens/cm. (veja Figura 3)

Figura 3 - Medindo a condutividade de líquido refrigerante

Motor da bomba

Geralmente, os motores e bombas nos sistemas a plasma são acoplados diretamente. Normalmente, a durabilidade de um motor é longa (vários anos), a menos que haja obstruções no sistema que façam com que o motor e a bomba trabalhem com mais dificuldade.

As bombas de palhetas rotativas são geralmente usadas em sistemas a plasma, pois são relativamente simples e robustas. Geralmente, são chamadas de bombas de palhetas de carbono, já que as palhetas em movimento da bomba são feitas de carbono. Geralmente, essas bombas são ajustáveis por meio de um parafuso de passagem que aumenta ou reduz a pressão operacional e o fluxo da bomba.

Problemas comuns em bombas:

• Desgaste normal da bomba: É normal ocorrer algum desgaste das palhetas de carbono devido à fricção e ao calor proveniente do uso constante. Ajustar a bomba pode compensar essa condição.
• Desgaste excessivo da bomba: Os rolamentos nessas bombas podem se desgastar com o tempo, gerando ruído e calor excessivo, e, em última instância, falhas na bomba. O material nas palhetas da bomba pode se desgastar até que a bomba não desenvolva pressão. Essas peças podem ser substituídas, caso a bomba seja enviada para recondicionamento na fábrica ou caso precise ser trocada.
• Filtro da bomba entupido: Existe um pequeno filtro de tela na maioria das bombas de palhetas rotativas. Esse filtro pode entupir com partículas, restringindo o fluxo.

Figura 4 - Ajustando a pressão da bomba

Figura 5 - Palhetas de carbono na bomba

Figura 6 - Removendo o filtro da bomba

Linhas de resfriamento

As linhas de resfriamento são mangueiras que transportam o líquido refrigerante para e da tocha a plasma. Elas normalmente também incluem os cabos de alimentação CC. Resfriar os cabos de alimentação a água impede que cabos com diversos fios de cobre ou estanhados superaqueçam. Em aplicações mecanizadas, as linhas de resfriamento normalmente são direcionadas por uma esteira porta-cabos flexível ou por cima da máquina de corte.

Problemas comuns nas linhas de resfriamento:

• Vazamentos: Mangueiras rachadas, cortadas ou derretidas podem deixar vazar fluido refrigerante em áreas que não podem ser vistas. Um ponto comum de vazamento é logo acima da tocha, dentro do tubo de montagem.
• Obstruções: As obstruções no fluxo se formam geralmente na linha de retorno da tocha a plasma ao recirculador. Os detritos se acumulam nos cabos de retorno, restringindo o fluxo. Os cabos de cobre estanhados da alimentação também podem se quebrar devido à constante flexão, fazendo com que filamentos de cobre entupam as extremidades das mangueiras. Obstruções nos cabos causam redução no fluxo e aumentam o desgaste na bomba e no motor.

Figura 7 - Corte da mangueira para mostrar o cabo de alimentação

Fluxostato

Os fluxostatos são projetados para evitar uma falha catastrófica da tocha e das peças caso o fluxo do líquido refrigerante esteja baixo. Os dispositivos do tipo guia de bloqueio de latão são frequentemente usados com um microinterruptor que deve estar acionado para que o sistema funcione.

Problemas comuns em fluxostatos:

• Falha mecânica: o fluxo do líquido refrigerante aciona uma guia mecânica. A guia pode fica na posição aberta ou fechada, gerando uma condição de falha ou ausência de falha, mesmo em condições de baixo fluxo. A parte mecânica pode, às vezes, ser removida e limpa, mas é melhor substitui-la.
• Falha elétrica: A falha na chave elétrica é muito menos comum, mas pode ocorrer caso os contatos da chave estejam desgastados.
• “Desconexão”: Não é raro encontrar fluxostatos “desconectados” do sistema em localizações de defeitos anteriores. É uma prática perigosa, já que o fluxostato é um recurso de segurança que evita falhas mais graves na tocha devido ao superaquecimento.

Figura 8 - Fluxostato

Figura 9 - Filtro do líquido refrigerante

Filtros

A maior parte dos sistemas usa um filtro de partículas para remover a contaminação do líquido refrigerante da tocha. Esses filtros são parecidos com os filtros de tratamento de água disponíveis no mercado – geralmente se usa um filtro de papel de 5 mícron ou um filtro deionizador. Eles devem ser substituídos a cada poucos meses ou sempre que o fluxo no sistema diminuir.

Problemas comuns em filtros de fluxo:

• Filtro contaminado
• Filtro incorreto ou ausência de filtro

 

Permutadores de calor

Figura 10 - Imagens frontais e traseiras dos permutadores de calor

Os permutadores de calor para sistemas de resfriamento a plasma geralmente são compostos por uma combinação de radiador e ventilador. Os ventiladores direcionam o fluxo de ar pelo radiador para remover o calor do líquido refrigerante da tocha. Alguns sistemas usam um resfriador refrigerado para diminuir a temperatura do líquido refrigerante da tocha.

Problemas comuns em permutadores de calor:

• Queima do motor do ventilador: Todos os ventiladores devem ser verificados periodicamente para garantir o correto funcionamento.
• Eficiência reduzida: Acúmulo de sujeira nas aletas de resfriamento reduz a eficiência da refrigeração. O radiador deve ser limpo periodicamente com ar comprimido.

 

Reservatórios de líquido refrigerante

Figure 11 - Reservatório de líquido refrigerante com chave de temperatura e nível

O reservatório de líquido refrigerante é um tanque de plástico ou metal para armazenar o líquido refrigerante da tocha. Os indicadores de nível, interruptores com boia e chaves de temperatura são geralmente instalados no tanque para evitar superaquecimento. O reservatório de líquido refrigerante deve ser verificado diariamente e reabastecido, quando necessário, para garantir que sempre haja líquido refrigerante suficiente. Se os níveis de líquido refrigerante estiverem muito baixos, é possível que entre ar na corrente do líquido refrigerante, o que reduz o resfriamento. Se o sistema estiver travado, o nível baixo do líquido refrigerante pode causar desligamento intermitente ou total. Se o sistema não estiver travado, o ar pode fazer com que a bomba superaqueça e falhe.

Problemas comuns em reservatórios de líquido refrigerante:

• Contaminação por partículas: As partículas podem se acumular no fundo do tanque. Ele deve ser limpo e retirado. Pode ser que seja necessário remover o tanque e limpá-lo a vapor periodicamente.
• Nível do líquido refrigerante inadequado.

 

Localização de defeitos do sistema

Figura 12 - Fluxômetros de líquido

Os componentes individuais no sistema de resfriamento de plasma são todos projetados para garantir uma coisa: uma faixa adequada de fluxo volumétrico para a tocha para fins de resfriamento. O fluxo é geralmente medido em galões por minuto (gpm) ou litros por minuto (lpm). Cada tocha tem um requisito de fluxo específico que pode ser obtido na seção de especificações do manual do operador. As faixas de fluxo típicas são de 1 a 1,5 galão por minuto. Aqui está um guia passo a passo para verificar o fluxo de líquido refrigerante adequado e localizar defeitos ou problemas no fluxo.

CUIDADO! Sempre leia o seu manual do operador e conheça todas as precauções de segurança antes de realizar a manutenção e a localização de defeitos em um sistema a plasma.

1. Remova as peças da tocha: Ao localizar os defeitos, comece pela tocha. Remova os consumíveis e verifique se há sinais de superaquecimento, contaminação ou danos.
2. Ligue a bomba do líquido refrigerante. (Talvez você precise de um assistente para manter a bomba funcionando durante a medição do fluxo e para reabastecer o nível do líquido refrigerante, caso a quantidade diminua.) O líquido refrigerante deve fluir diretamente do centro do tubo de resfriamento para a tocha.
3. Meça o fluxo de suprimento de líquido refrigerante para a tocha: Use um balde para coletar o líquido refrigerante que é descarregado do tubo de refrigeração. Colete o líquido refrigerante com um intervalo de 30 segundos, então desligue a bomba. Meça o volume de líquido refrigerante em galões ou litros. Converta esse volume para uma faixa de fluxo, dividindo os galões coletados pelo intervalo de tempo (meio minuto) para obter a medida de galões por minuto (gpm) ou litros por minuto (lpm). Compare essa medida com a faixa de fluxo especificada no manual do operador. O fluxo em uma tocha desobstruída (sem as peças) deve exceder bastante as especificações do fabricante. Se não for o caso, verifique os seguintes fatores:
   • Pressão da bomba muito baixa — ajuste a bomba.
   • Filtro de tela na bomba obstruído — limpe.
   • Obstrução da linha de suprimento da tocha ou tocha — retire os detritos com ar comprimido ou troque.
4. Monte a tocha novamente: Usando peças novas e limpas, monte a tocha novamente. As peças devem estar posicionadas corretamente para uma sincronização correta de verificação de fluxo
5. Meça o fluxo de retorno do líquido refrigerante a partir da tocha: A faixa de fluxo do líquido refrigerante deve ser medida no retorno ao reservatório de líquido refrigerante. Desconecte a mangueira de plástico do tanque do líquido refrigerante. Novamente, use um balde e peça a ajuda de um assistente para coletar a água em um intervalo de 30 segundos, então desligue a bomba. Converta a medida para gpm. Compare essa faixa de fluxo com a especificação do fabricante. Se a faixa de gpm não exceder as especificações do fabricante, verifique os seguintes fatores:
   • Pressão da bomba muito baixa — ajuste a bomba.
   • Obstrução da linha de retorno do líquido refrigerante ou tocha — retire os detritos com ar comprimido ou troque.
   • Radiador obstruído — use um lavador de alta pressão para limpar ou troque.
   • Filtro de papel obstruído — troque ou remova temporariamente para localizar os defeitos.

Se necessário, o fluxo pode ser verificado no lado a jusante de cada componente suspeito até que se encontre a restrição. Uma alternativa ao teste do balde é comprar um fluxômetro barato desenvolvido para medição de fluxo de líquidos na faixa de 0 a 2 gpm. Esse aparelho simples pode ser instalado permanentemente no lado de retorno do sistema no reservatório. É uma ótima ferramenta visual para cuidar da manutenção do sistema a plasma e um seguro barato contra uma avaria dispendiosa.