Sistema de resfriamento industrial: diagnosticando capacidade insuficiente

1. Descrição e escopo do problema

Este guia aborda o problema operacional crítico dos sistemas de refrigeração industrial que não conseguem manter as temperaturas de processo desejadas, indicando capacidade insuficiente para rejeitar a carga de calor. Esta condição pode levar à redução da eficiência da produção, comprometimento da qualidade do produto, aumento do consumo de energia e falha prematura do equipamento. Os sintomas normalmente se manifestam como temperaturas elevadas de fluidos (água gelada, líquido refrigerante, água do condensador) além dos pontos de ajuste especificados, ciclos de resfriamento prolongados ou alarmes frequentes de alta temperatura de equipamentos de processo associados. Este procedimento de diagnóstico é aplicável a uma ampla gama de sistemas de resfriamento industrial, incluindo resfriadores de compressão de vapor (resfriados a ar e resfriados a água), resfriadores de absorção, torres de resfriamento, resfriadores secos, trocadores de calor e redes de bombeamento e tubulação associadas. Isto é classificado como um problema crítico que requer atenção imediata para evitar danos ao sistema ou desligamento da produção.

2. Precauções de segurança

AVISO: Antes de qualquer trabalho de diagnóstico ou manutenção em sistemas de refrigeração industrial, é obrigatória a adesão estrita aos protocolos de segurança. O não cumprimento pode resultar em ferimentos graves ou morte.

• Bloqueio/Etiquetagem (LOTO): Sempre aplique os procedimentos LOTO (ANSI/ASSE Z244.1) para isolar todas as fontes de energia, incluindo elétrica, mecânica, hidráulica, pneumática, química e térmica. Verifique o estado de energia zero usando equipamento de teste apropriado.
• Equipamento de proteção individual (EPI): Use EPI apropriado, incluindo óculos de segurança (ANSI Z87.1), luvas resistentes a produtos químicos, capacete, proteção auditiva e botas com biqueira de aço. Ao manusear refrigerantes, use proteção facial completa e luvas criogênicas.
• Manuseio de refrigerante: Os refrigerantes podem causar queimaduras, asfixia e podem se decompor em substâncias perigosas quando expostos a altas temperaturas. Garanta ventilação adequada. Siga as diretrizes da Seção 608 da EPA para recuperação e manuseio de refrigerante.
• Altas Pressões: Os sistemas de refrigeração operam sob pressões significativas. Tenha extremo cuidado ao trabalhar próximo a linhas, recipientes ou componentes pressurizados. Use manômetros com faixas apropriadas.
• Superfícies e fluidos quentes: Componentes como compressores, serpentinas de condensador e linhas de água quente podem atingir altas temperaturas. Deixe os sistemas esfriarem antes de tocá-los.
• Máquinas rotativas: ventiladores de torres de resfriamento, impulsores de bombas e componentes de compressores apresentam riscos de emaranhamento. Certifique-se de que todas as proteções estejam instaladas antes de reenergizar.
• Exposição a produtos químicos: O manuseio de produtos químicos para tratamento de água requer EPI específico e adesão às Fichas de Dados de Segurança (SDS).
• Espaços Confinados: A entrada em reservatórios de torres de resfriamento ou grandes embarcações pode exigir procedimentos de entrada em espaços confinados (OSHA 29 CFR 1910.146).

3. Ferramentas de diagnóstico necessárias

4. Lista de verificação de avaliação inicial

Antes de iniciar o diagnóstico detalhado, realize uma inspeção visual completa e colete dados operacionais do sistema. Isso fornece um contexto crucial e muitas vezes pode agilizar a identificação do problema.

5. Fluxograma de Diagnóstico Sistemático

Siga esta árvore de decisão para diagnosticar sistematicamente a causa raiz da capacidade de refrigeração insuficiente.

1. Sintoma: o sistema de resfriamento não consegue manter a temperatura de processo desejada.
   1. O resfriador (ou unidade de resfriamento primária) está funcionando continuamente e em plena carga?
      • Se NÃO:
        1. Verifique se há alarmes ou bloqueio no controlador. Resolva o problema de controle, se houver.
        2. Verifique os pontos de ajuste adequados.
        3. Verifique se há alimentação elétrica inadequada ou disjuntores desarmados (DMM para verificar a tensão na unidade).
        4. Verifique a operação do contator/partida do compressor.
        5. Investigue as entradas de controle (sensores de temperatura, interruptores de fluxo) quanto a leituras ou operação incorretas.
        6. Volte à Etapa 1.
      • Se SIM: Prossiga com a carga de refrigerante e rejeição de calor.
   2. O sub-resfriamento do refrigerante na saída da linha de líquido está dentro das especificações do fabricante? (Use manômetros e termômetro digital)
      • Se NÃO (o sub-resfriamento estiver muito baixo): Causa provável: Carga insuficiente de refrigerante ou restrição na linha de líquido.
        1. Isole e repare quaisquer vazamentos de refrigerante detectados (detector de vazamento).
        2. Evacue e recarregue o refrigerante de acordo com as especificações do OEM.
        3. Se houver suspeita de restrição, isole e inspecione os componentes da linha de líquido (por exemplo, filtro secador, válvula solenóide, TXV).
        4. Volte à Etapa 1.
      • Se NÃO (o sub-resfriamento for muito alto): Causa provável: sobrecarga de refrigerante ou obstrução do condensador/restrição do fluxo de ar.
        1. Verifique a operação do ventilador/bomba do condensador e o fluxo de ar/fluxo de água.
        2. Inspecione as bobinas do condensador quanto a incrustações. Limpe se necessário.
        3. Se a sobrecarga for confirmada, recupere o excesso de refrigerante de acordo com as especificações do OEM.
        4. Volte à Etapa 1.
      • Se SIM: Prossiga com a rejeição de calor e fluxo de fluido.
   3. A temperatura de aproximação do condensador (temperatura de saída do líquido do condensador - temperatura de saída da água do condensador) está dentro dos limites especificados (normalmente 2-5°C ou 4-9°F)?
      • Se NÃO (abordagem muito alta): Causa provável: Má rejeição de calor no condensador/torre de resfriamento.
        1. Para sistemas resfriados a água:
           • Verifique o fluxo de água do condensador (medidor de vazão ultrassônico) em relação ao projeto.
           • Inspecione a operação da bomba de água do condensador (consumo de corrente, analisador de vibração).
           • Verifique a operação do ventilador da torre de resfriamento e o fluxo de ar (anemômetro).
           • Inspecione o enchimento da torre de resfriamento e os bicos quanto a incrustações, danos ou má distribuição de água.
           • Inspecione o trocador de calor da água do condensador quanto a incrustações (câmera térmica, pressão diferencial no trocador).
           • Realizar análise química de tratamento de água (kit de teste de qualidade da água).
        2. Para sistemas resfriados a ar:
           • Inspecione as serpentinas do condensador quanto a bloqueios (detritos, sujeira, fluxo de ar restrito). Limpe se necessário.
           • Verifique a operação do ventilador do condensador (consumo de corrente, RPM).
        3. Volte à Etapa 1.
      • Se SIM: Prossiga para o evaporador e processe o fluxo do fluido.
   4. A temperatura de aproximação do evaporador (temperatura de saída da água gelada - temperatura de saída do refrigerante do evaporador) está dentro dos limites especificados (normalmente 3-6°C ou 5-11°F)?
      • Se NÃO (abordagem muito alta): causa provável: má transferência de calor no evaporador ou fluxo insuficiente de água gelada.
        1. Verifique o fluxo de água gelada (medidor de vazão ultrassônico) em relação ao projeto.
        2. Inspecione a operação da bomba de água gelada (consumo de corrente, analisador de vibração).
        3. Verifique os filtros do sistema de água gelada quanto a bloqueios.
        4. Inspecione o trocador de calor/evaporador de água gelada quanto a incrustações (câmera térmica, pressão diferencial no trocador).
        5. Verifique as válvulas de balanceamento ou válvulas de desvio quanto à posição correta ou mau funcionamento.
        6. Volte à Etapa 1.
      • Se SIM: Causa provável: Carga térmica excessiva do processo.
        1. Confirme a carga térmica atual do processo em relação ao projeto do sistema (revise a documentação do processo).
        2. Inspecione o isolamento do processo quanto a danos ou degradação.
        3. Revise as mudanças recentes nos processos ou equipamentos de produção.
        4. Se a carga de calor for realmente excessiva, avalie a atualização da capacidade do sistema ou o resfriamento suplementar.
        5. Volte à Etapa 1.

6. Matriz de Causa-Falha

7. Análise de causa raiz para cada falha

7.1. Carga insuficiente de refrigerante

Por que isso acontece: A subcarga de refrigerante quase invariavelmente indica um vazamento no circuito de refrigeração selado. Vazamentos podem ocorrer em juntas soldadas, conexões alargadas, hastes de válvulas, vedações de eixo de compressor ou através de corrosão em bobinas. Menos comumente, a evacuação e carregamento inadequados durante a instalação ou manutenção podem resultar em uma carga curta. Uma carga insuficiente reduz a quantidade de refrigerante disponível para absorver o calor no evaporador, levando a pressões de sucção mais baixas, maior superaquecimento e capacidade de resfriamento reduzida. O compressor trabalha mais com menos efeito.

Como confirmar: Use um detector de vazamento de refrigerante calibrado para rastrear sistematicamente todas as juntas, válvulas e bobinas. Confirme medindo as pressões de sucção e descarga, temperatura da linha de líquido e superaquecimento. Um sistema com carga insuficiente exibirá baixa pressão de sucção, baixa temperatura da linha de líquido e alto superaquecimento, com consumo de corrente do compressor potencialmente menor que o normal devido à carga reduzida. A formação de gelo nas serpentinas do evaporador é um forte indicador.

Danos se não forem resolvidos: A subcarga persistente faz com que o compressor funcione continuamente sem atingir o ponto de ajuste, levando a um maior desgaste, potencial superaquecimento e eventual falha devido à falta de lubrificante (o refrigerante transporta óleo). A capacidade reduzida também sobrecarrega o equipamento de processo devido às elevadas temperaturas operacionais.

7.2. Sobrecarga de refrigerante/gases não condensáveis

Por que isso acontece: A sobrecarga normalmente ocorre durante a manutenção, quando os técnicos adicionam refrigerante sem pesar a carga com precisão, muitas vezes tentando compensar o desempenho inferior percebido. Gases não condensáveis ​​(principalmente ar, nitrogênio) entram no sistema através de vazamentos no lado de baixa pressão quando o sistema é desligado ou durante procedimentos de evacuação inadequados. Ambas as condições aumentam a pressão e a temperatura do condensador, reduzindo o diferencial de pressão através do dispositivo de expansão e dificultando a rejeição de calor.

Como confirmar: Um sistema sobrecarregado apresentará alta pressão de descarga, alta pressão na linha de líquido e alto subresfriamento. O consumo de corrente do compressor pode ser elevado. Gases não condensáveis ​​também resultarão em alta pressão de descarga, mas a temperatura na saída do condensador será significativamente maior que a temperatura de saturação correspondente à pressão de descarga. Uma câmera térmica pode revelar uma distribuição desigual de temperatura na bobina do condensador com a presença de não condensáveis.

Danos se não forem resolvidos: Pressões de descarga excessivamente altas aumentam a carga no compressor, causando superaquecimento, desgaste prematuro de componentes internos e possível ativação da válvula de alívio de pressão. A eficiência reduzida de rejeição de calor desperdiça energia. A alta pressão também pode danificar as válvulas de expansão.

7.3. Fluxo insuficiente de água/fluido

Por que isso acontece: Este é um problema comum que afeta os circuitos de água gelada e de água do condensador. As causas incluem: desgaste do impulsor da bomba, degradação do motor, falha no acoplamento do motor, cavitação, filtros ou filtros entupidos, válvulas de isolamento ou balanceamento parcialmente fechadas, retenção de ar no sistema de tubulação ou aumento da resistência do sistema devido a incrustações. O fluxo reduzido limita diretamente a taxa na qual o calor pode ser transportado de ou para os trocadores de calor.

Como confirmar: Use um medidor de vazão ultrassônico para medir a vazão real e compará-la com as especificações do projeto. Meça a pressão diferencial entre bombas, filtros e trocadores de calor. Uma vazão baixa com alto consumo de corrente da bomba e/ou vibração excessiva (analisada por um analisador de vibração) sugere problemas mecânicos da bomba. Uma alta pressão diferencial em um filtro indica bloqueio. A imagem térmica pode mostrar estratificação de temperatura em tubos, indicativa de baixo fluxo ou bolsas de ar.

Danos se não forem resolvidos: Fluxo insuficiente leva a uma má transferência de calor em evaporadores e condensadores, causando dificuldades no sistema de resfriamento. Isso pode causar ciclos curtos do compressor, alarmes incômodos, congelamento das bobinas do evaporador e danos por cavitação da bomba. A cavitação persistente corrói os impulsores e as carcaças da bomba.

7.4. Incrustação do trocador de calor (evaporador e condensador)

Por que isso acontece: A incrustação é o acúmulo de materiais indesejados em superfícies de transferência de calor, como incrustações (carbonato de cálcio, silicato de magnésio), produtos de corrosão (óxidos de ferro), crescimento biológico (algas, bactérias, biofilme) e sólidos em suspensão (silte, lama, contaminantes de processo). Isto atua como uma camada isolante, impedindo gravemente a transferência eficiente de calor. A incrustação é exacerbada pelo mau tratamento da água, pela elevada dureza da água ou pela filtração inadequada.

Como confirmar: Meça a temperatura de aproximação do trocador de calor; uma temperatura de aproximação alta (saída de líquido do condensador menos saída de água do condensador, ou saída de água gelada menos saída de refrigerante do evaporador) indica incrustação. Meça a pressão diferencial no trocador de calor. Um ΔP alto sugere bloqueio interno. Uma câmera térmica pode revelar uma distribuição desigual de temperatura na superfície do trocador de calor. A inspeção visual (quando possível, por exemplo, enchimento da torre de resfriamento, cabeçotes de casco e tubo) confirmará depósitos.

Danos se não forem resolvidos: A incrustação reduz drasticamente a eficiência da transferência de calor, forçando o sistema de resfriamento a operar com cargas mais altas do compressor e tempos de funcionamento mais longos, consumindo energia excessiva. Isso pode levar a pressões perigosamente altas (incrustação no condensador) ou congelamento (incrustação no evaporador), resultando em falha de componente ou desligamento do sistema. A corrosão sob os depósitos também é uma preocupação significativa, levando a vazamentos.

7.5. Rejeição de calor ineficaz na torre de resfriamento/condensador resfriado a ar

Por que isso acontece: Para chillers resfriados a água, a torre de resfriamento é fundamental para rejeitar o calor. A rejeição ineficaz de calor pode ser causada por: fluxo de ar insuficiente (falha no motor do ventilador, lâminas danificadas, deslizamento da correia, telas de entrada de ar entupidas), má distribuição de água (bicos entupidos, enchimento danificado), meio de enchimento sujo, baixo nível de água no reservatório ou recirculação do ar de descarga quente de volta para a entrada da torre. Para condensadores resfriados a ar, serpentinas sujas ou falhas no ventilador são as principais causas.

Como confirmar: Use um anemômetro para verificar o fluxo de ar no enchimento da torre de resfriamento ou nas serpentinas do condensador. Inspecione a operação do ventilador, o consumo de corrente do motor e a tensão da correia. Verifique visualmente o meio de enchimento, os bicos de pulverização e a distribuição de água. Use uma câmera térmica para identificar pontos quentes ou padrões de resfriamento irregulares. Avaliar a temperatura de aproximação da torre de resfriamento (água fria saindo da torre menos bulbo úmido ambiente); uma temperatura de aproximação alta indica desempenho ruim.

Danos se não forem resolvidos: A má rejeição de calor causa temperaturas elevadas da água do condensador (para sistemas resfriados a água) ou temperaturas de condensação do refrigerante (para sistemas resfriados a ar). Isto aumenta diretamente a pressão de descarga do compressor, levando às mesmas consequências negativas que a sobrecarga de refrigerante: eficiência reduzida, aumento do consumo de energia e falha prematura do compressor.

8. Procedimentos de resolução passo a passo

8.1. Resolvendo a carga insuficiente de refrigerante

AVISO: Certifique-se de que o sistema esteja despressurizado com segurança antes de quebrar qualquer linha de refrigerante. Sempre use EPI apropriado.

1. Isolar o sistema e recuperar o refrigerante: Aplicar LOTO. Conecte a unidade de recuperação de refrigerante às portas de serviço do sistema. Recupere todo o refrigerante em um cilindro de recuperação certificado de acordo com os regulamentos da Seção 608 da EPA.
2. Detecção e reparo de vazamentos: Use um detector eletrônico de vazamento sensível ou um kit de corante UV para localizar todos os locais de vazamento. Repare os vazamentos por brasagem, substituindo componentes defeituosos (por exemplo, núcleo da válvula, porca de alargamento, seção da bobina) ou reapertando as conexões.
3. Evacuação: Conecte uma bomba de vácuo e um medidor de mícron. Evacue o sistema a pelo menos 500 mícrons (0,5 Torr) e mantenha o vácuo por no mínimo 15 minutos para garantir que todos os materiais não condensáveis ​​e umidade sejam removidos. Monitore o aumento do vácuo.
4. Recarga: pese a carga precisa de refrigerante conforme especificado pelo OEM na placa de identificação da unidade. Carregue como líquido na linha de líquido usando uma balança de carga. NÃO sobrecarregue.
5. Inicialização e verificação do sistema: restaure a energia. Inicie o sistema de refrigeração. Monitore as pressões de sucção e descarga, temperatura da linha de líquido, superaquecimento e subresfriamento. Confirme se os valores estão dentro das especificações do OEM. Verifique o diferencial adequado de temperatura do evaporador e a operação estável.

8.2. Resolvendo sobrecarga de refrigerante/gases não condensáveis

AVISO: A recuperação do refrigerante requer equipamento e treinamento especializados. Evite liberar refrigerantes para a atmosfera.

1. Isolar o sistema e recuperar o excesso/todo o refrigerante: Aplicar LOTO. Conecte a unidade de recuperação. Se estiver sobrecarregado, recupere lentamente o refrigerante até que o peso de carga desejado seja alcançado ou o sistema seja totalmente recuperado se houver suspeita de não condensáveis.
2. Para não condensáveis: se o problema for o problema de não condensáveis, após a recuperação completa, realize a detecção de vazamento no lado de baixa pressão para identificar pontos de entrada (por exemplo, linha de sucção, evaporador). Reparar vazamentos.
3. Evacuação: Evacue o sistema até 500 mícrons e segure, conforme 8.1.3.
4. Recarga: Pese a carga precisa de refrigerante OEM conforme 8.1.4.
5. Inicialização e verificação do sistema: restaure a energia. Inicie o sistema de refrigeração. Monitore pressões, temperaturas, superaquecimento e subresfriamento. Confirme a temperatura adequada de aproximação do condensador.

8.3. Resolvendo Fluxo Insuficiente de Água/Fluido

AVISO: Bloqueie/sinalize todas as bombas e circuitos elétricos associados antes de abrir filtros ou trabalhar na tubulação. Esteja ciente da energia térmica armazenada em fluidos quentes.

1. Isolar e drenar: Aplique LOTO na(s) bomba(s) afetada(s). Feche as válvulas de isolamento ao redor da seção a ser trabalhada e drene se necessário.
2. Limpar filtros/filtros: Abra e limpe completamente os filtros em Y ou filtros de cartucho. Inspecione o meio filtrante quanto a danos. Substitua se necessário.
3. Inspecione as válvulas: verifique se todas as válvulas de isolamento, balanceamento e controle estão na posição operacional correta (totalmente abertas ou ajustadas corretamente). Repare ou substitua válvulas com defeito.
4. Inspecione as bombas: inspecione visualmente o acoplamento da bomba quanto a danos e ouça se há cavitação. Se houver suspeita de problemas graves, remova a bomba para inspecionar o desgaste do impulsor, a integridade da vedação e a condição do rolamento. Substitua os componentes desgastados ou o conjunto da bomba. Consulte ASME B73.1 (para bombas de processo químico) ou normas semelhantes para alinhamento e instalação.
5. Sangria de Ar: Abra sistematicamente as aberturas de ventilação nos pontos altos do sistema de tubulação para remover qualquer ar preso, garantindo o fluxo contínuo do fluido.
6. Verificar fluxo: restaure a energia e a operação. Use um medidor de vazão ultrassônico para confirmar as taxas de vazão do projeto. Meça a pressão diferencial entre filtros e trocadores de calor para confirmar a remoção do bloqueio.

8.4. Resolvendo Incrustações no Trocador de Calor

AVISO: A limpeza química envolve substâncias perigosas. Use EPI completo (proteção facial, luvas/roupas resistentes a produtos químicos). Siga a FDS e os procedimentos de contenção de derramamentos. Bloqueie/sinalize todas as bombas e válvulas associadas.

1. Isole o trocador de calor: aplique LOTO. Feche as válvulas de isolamento e drene o lado do fluido do trocador de calor a ser limpo.
2. Limpeza mecânica (quando possível): Para trocadores de casco e tubos, remova as tampas das extremidades e escove mecanicamente os tubos. Para placa e moldura, desmonte e limpe manualmente as placas. Para enchimento da torre de resfriamento, lavagem sob pressão ou limpeza manual.
3. Limpeza Química: Se a limpeza mecânica for insuficiente ou impraticável (por exemplo, trocadores de placas soldadas), execute uma limpeza química de circulação usando um agente descalcificante ou de remoção biológica confiável. Siga as instruções do fabricante quanto à concentração química, temperatura e tempo de contato. Garanta o descarte adequado de produtos químicos usados.
4. Lavar e Neutralizar: Após a limpeza, lave completamente o trocador com água limpa. Se foram utilizados produtos químicos, garanta a neutralização para uma faixa de pH segura (6,5-8,5) antes de retornar ao serviço.
5. Inspecione e verifique: Remonte o trocador de calor. Restaure o fluxo de fluido. Meça a pressão diferencial e aproxime-se da temperatura. Confirme se as leituras estão dentro das especificações do OEM para um trocador limpo.

8.5. Resolvendo rejeição de calor ineficaz em torre de resfriamento/condensador resfriado a ar

AVISO: Bloqueie/sinalize os motores dos ventiladores da torre de resfriamento e as bombas associadas antes de entrar na torre ou trabalhar em seus componentes. As lâminas rotativas são um perigo grave. Trabalhar em altura requer proteção contra quedas.

1. Aplicar LOTO: Isole toda a energia do ventilador da torre de resfriamento e das bombas associadas.
2. Limpar as bobinas/preenchimento: Para condensadores resfriados a ar, use ar ou água de alta pressão para limpar as aletas da bobina de sujeira e detritos. Para torres de resfriamento, lave sob pressão ou limpe manualmente o meio de enchimento, os eliminadores de deriva e o reservatório. Limpe quaisquer detritos das entradas de ar.
3. Inspecione e repare os bicos/distribuição: Inspecione os bicos de pulverização da torre de resfriamento quanto a entupimentos ou danos. Substitua os bicos defeituosos. Garanta uma distribuição uniforme da água sobre o enchimento.
4. Inspecione o sistema do ventilador: verifique as pás do ventilador quanto a danos ou ajuste de inclinação. Inspecione o motor do ventilador (rolamentos, fiação), correias de transmissão (tensão, desgaste) e caixa de engrenagens (nível de óleo, vazamentos). Repare ou substitua conforme necessário. Consulte ANSI/AMCA 210 para testes de ventiladores.
5. Verifique o nível e o tratamento da água: confirme se o nível de água do reservatório da torre de resfriamento está correto. Colete amostras de água para análise química e ajuste o programa de tratamento de água para evitar futuras incrustações/incrustações.
6. Verificar operação: restaure a energia. Ligue o ventilador e as bombas. Use um anemômetro para confirmar o fluxo de ar do projeto. Monitore a temperatura de aproximação da torre de resfriamento e a temperatura da água do condensador que entra no chiller.

9. Medidas Preventivas

10. Peças sobressalentes e componentes

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11. Referências

• Norma ANSI/ASHRAE 15, Norma de Segurança para Sistemas de Refrigeração.
• Norma ANSI/ASHRAE 34, Designação e Classificação de Segurança de Refrigerantes.
• Manual ASHRAE - Sistemas e Equipamentos HVAC.
• ASME B31.5, Tubulação de refrigeração e componentes de transferência de calor.
• NFPA 70, Código Elétrico Nacional (NEC).
• OSHA 29 CFR 1910.147, O Controle de Energia Perigosa (Lockout/Tagout).
• Seção 608 da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), Regulamentos de Gerenciamento de Refrigerantes.
• Manuais de solução de problemas OEM para modelos específicos de chillers, torres de resfriamento e bombas.