[pt] Problemas com incrustações em equipamentos são frequentes em equipamentos de resfriamento de mancais de turbinas hidráulicas e hidrogeradores, drasticamente comprometendo a sua eficiência de operação. Pesquisas aplicadas buscam a eficiência térmica dos trocadores de calor por meio da mitigação do fouling formado nesses equipamentos. Esta dissertação de mestrado tem por objetivo avaliar a eficácia de uma alternativa tecnológica de limpeza dos tubos do trocador de calor que faz uso de esferas abrasivas para mitigar indesejáveis incrustações em trocadores de calor utilizados no arrefecimento de hidrogeradores. A motivação da pesquisa deu-se no contexto do projeto de PeD Light-Aneel Ref.: 07/2011, Proposição de solução inovadora para o sistema de resfriamento dos hidrogeradores da Usina Fontes Nova, desenvolvido pelo Programa de Pós-graduação em Metrologia da PUC-Rio. Superando o desafio de oferecer um método de limpeza que evita a raspagem mecânica e o uso de produtos químicos, o trabalho construiu um equipamento e validou uma alternativa tecnológica de limpeza, que opera on-line, portanto sem a necessidade de parada técnica da usina para realizar a manutenção. A metodologia utilizada fundamenta-se na análise do desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando assistido pelo sistema proposto. Dentre os resultados, destacam-se (i) o caráter prático da alternativa de limpeza proposta, que realiza a limpeza sem a necessidade de interromper a geração e (ii) o estudo da velocidade ótima das esferas para assegurar eficácia do processo de desobstrução dos trocadores. Os resultados favoráveis dos testes de desempenho realizados em laboratório e no campo consubstanciam a conclusão do trabalho, permitindo validar a técnica e o protótipo de equipamento construído para ser utilizado nas condições reais de operação da usina. / [en] Formation and deposit of fouling is a common problem encountered in heat exchangers, bearings of hydraulic and hydro turbines, drastically reducing their operation efficiency. Applied research continuously seeks for gains in thermal efficiency by encouraging fouling mitigation in the internal passages of heat exchangers. This dissertation aims to evaluate the effectiveness of a technological alternative for cleaning heat exchanger tubes by the use of abrasive spheres to mitigate undesirable fouling in heat exchangers used in hydro generators cooling. The motivation of the research took place in the context of the ReD project Light- Aneel 07/2011, entitled Innovative solution for fouling mitigation of heat exchangers used in the cooling system of the Fontes Nova Power Plant, developed by the postgraduate Metrology Programme of Catholic University of Rio de Janeiro, financed under a Brazilian government regulated R&D Programme. Overcoming the challenge of providing a cleaning method that prevents the mechanical scraping and the use of chemicals, a prototype of an equipment was built and validated as a technological alternative cleaning tool, which operates online, therefore without the need to shutdown the power plant to perform the heat exchanger maintenance. The methodology is based on the analysis of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when assisted by the envisioned system. Among the results achieved, the work highlights (i) the practical character of the cleaning alternative proposed, which performs the cleaning without the need to interrupt the electrical energy generation and (ii) the study of the optimum speed that must be imposed to the abrasive spheres to ensure effectiveness of the unclogging process of the exchangers. The favourable results emerged from the performance tests carried out in the laboratory and in the field environments substantiate the conclusion of the work, validating the technical method and the prototype of the equipment to operate in the real conditions of the power plant.

[pt] A dissertação de mestrado tem por objetivo estudar a indesejável formação do fouling no sistema de arrefecimento dos hidrogeradores da usina hidrelétrica Fontes Nova com vistas a propor técnicas alternativas para a sua mitigação. Mais especificamente, avaliar o desempenho de uma técnica antifouling que expõe o escoamento à ação de um campo elétrico externo. A pesquisa foi motivada (i) pela perspectiva de contribuir para o entendimento do complexo fenômeno de formação e mitigação do fouling e (ii) pelo desafio de propor um método on-line, não invasivo, de simples operação, em contraposição aos métodos de limpeza mecânica e química normalmente ofensores do meio ambiente e que requerem a interrupção da geração. Desenvolvido no contexto do projeto de PeD Light/Aneel Ref. OKE 06-07 intitulado Tecnologia de tratamento de água de refrigeração da usina Fontes Nova, a pesquisa, de natureza experimental e quantitativa, desenvolveu-se com base numa metodologia que avalia o desempenho hidrodinâmico e térmico do trocador de calor quando submetido à ação do dispositivo antifouling estudado. Os resultados do trabalho permitiram concluir que a incrustação predominante é de natureza Bio (biofouling) e que embora o dispositivo não invasivo iniba a formação dos indesejáveis micro-organismos que obstruem o trocador e afetam a sua eficácia de operação ele não elimina o problema. A partir dessa constatação, uma técnica alternativa de limpeza on-line que faz uso de esferas abrasivas foi concebida e projetada para promover a limpeza do trocador de calor em operação. / [en] The objective of the master thesis is to study the undesirable formation of fouling in the cooling system of hydroeletric generators of Fontes Nova Power Plant with the view to propose an alternatives techniques for its mitigation. more specifically, to assess the performance of an antifouling device that exposes the flow to the action of an external electric field. The research was motivated by the perspective of contributing to the understanding of the complex phenomenon associated with the formation and mitigation of fouling and by the challenge of proposin an alternate on-line, non-invasive method, of simple operation, contrasting to conventional of mechanical and chemical cleaning methods that normally offender the environment and requires interruption of the generation. Developed in the context of the project R and D light/aneel Ref. OKE 06-07 entitled Technology for treatment of refrigeration water of the Fontes Nova Power Plant, the research, of quantitative and experimental nature, was developed based on a methodology that assess the of hydrodynamic and thermal performance of the heat exchanger when submitted to the action of the antifouling device studied. The results of the work support the conclusion that the fouling is of a biological nature (biofouling) and that although the non-invasive device inhibits the formation of the unwanted microorganisms that block the exchanger and affect its effectiveness of operation it does not eliminate the problem. An alternative on-line cleaning technique that makes use of abrasive spheres was designed and engineered to clean the heat exchanger in operation.

[pt] Incrustações em trocadores de calor são inevitáveis e provocam a redução da sua efetividade térmica e aumento nos custos de bombeamento. Esta dissertação objetiva validar um dispositivo alternativo de limpeza de trocadores de calor, que automatiza o processo e não requer a interrupção do processo industrial que faz uso de trocadores. A motivação da pesquisa resultou do desafio imposto ao Programa de Metrologia da PUC-Rio para conceber uma solução inovadora para realizar a limpeza on-line de trocadores de calor de hidrogeradores, viabilizada com financiamento do setor elétrico e que motivou esta dissertação. A metodologia de desenvolvimento da pesquisa de mestrado perseguiu duas estratégias de otimização: (i) aprimorar a hidrodinâmica dos circuitos hidráulicos do dispositivo de limpeza concebido, visando reduzir custos de bombeamento e (ii) simular o número de ciclos mínimos de limpeza para assegurar que todos os tubos do trocador de calor sejam visitados por artefatos de limpeza. Dentre os resultados consolidados, destacam-se: (i) melhoria dos fluxos hidrodinâmicos nos distintos tramos hidráulicos do dispositivo servo-hidráulico de limpeza; (ii) confiabilidade metrológica do sistema de medição embarcada no equipamento e (iii) desenvolvimento de modelagem probabilística capaz de prever o número de ciclos de limpeza capaz de assegurar eficácia do procedimento de limpeza do trocador, o que contribui para o seu entendimento. Os ensaios de desempenho realizados em laboratório suportam a conclusão de que a pesquisa de mestrado foi capaz de validar e disponibilizar uma versão hidrodinamicamente mais eficiente e operacionalmente mais eficaz do dispositivo de limpeza originalmente concebido. / [en] Fouling in heat exchangers is inevitable and causes a reduction in their thermal effectiveness and an increase in pumping costs. This dissertation aims to validate an alternative heat exchanger cleaning device, which automates the process and does not require the interruption of the industrial process that uses exchangers. The motivation for the research resulted from the challenge imposed on the Metrology Program at PUC-Rio to devise an innovative solution to perform the online cleaning of hydrogenerator heat exchangers, made possible with financing from the electricity sector and which motivated this dissertation. The master s research development methodology pursued two optimization strategies: (i) improving the hydrodynamics of the hydraulic circuits of the designed cleaning device, aiming to reduce pumping costs and (ii) simulating the number of minimum cleaning cycles to ensure that all the tubes of the heat exchanger are visited by cleaning artefacts. Among the consolidated results, the following stand out: (i) improvement of hydrodynamic flows in the different hydraulic sections of the servo-hydraulic cleaning device; (ii) metrological reliability of the measurement system embarked in the equipment and (iii) development of probabilistic modeling capable of predicting the number of cleaning cycles capable of ensuring the efficiency of the exchanger cleaning procedure, which contributes to its understanding. The performance tests performed in the laboratory support the conclusion that the master s research was able to validate and make available a hydrodynamically more efficient and operationally more effective version of the cleaning device originally designed.