Absorción de dilataciones en instalaciones de fluido térmico

Introducción

Dilatación es la variación de dimensiones que experimenta un cuerpo cuando se modifica la temperatura a que se encuentra expuesto. Es muy importante tratar correctamente la absorción de dilataciones en instalaciones de fluido térmico.

En las instalaciones transmisoras de calor, ya sean de vapor o con mayor razón, de fluido térmico, las temperaturas de servicio que pueden alcanzarse son elevadas y por ello el fenómeno de la dilatación de las tuberías y sus posibles consecuencias hay que tenerlo muy en cuenta.

Algo de teoría

A fin de apreciar con un ejemplo, la magnitud de las fuerzas que las dilataciones producen y la importancia de un correcto diseño que elimine cualquier tipo de riesgo por dicha causa, supongamos un tramo de tubería de 10 metros de longitud l, de diámetro 3”, material ASME SA 106 Gr. B – acero al carbono específico para servicio a alta temperatura -, fijada totalmente en sus extremos y por tanto sin posibilidad de dilatar libremente.

El montaje de la tubería ha sido realizado a temperatura ambiente, 20 ºC, siendo la temperatura de servicio máxima prevista 300 ºC.

En estas condiciones y según las características del material, su coeficiente de dilatación térmica lineal α (2), tiene un valor promedio en esas temperaturas de 1.44E-05 m/(m•°C) y la dilatación prevista en el momento de alcanzar la máxima temperatura será de:

Con esta dilatación de 40,4 mm, la tensión a la que está sometida la tubería es:

siendo E el módulo de elasticidad(3) o módulo de Young del material

Esta tensión aplicada a la tubería es muy superior al límite elástico(1) a la temperatura de servicio Sy/T = 188.06 N/mm².

Si hablamos en términos de presión, la tubería realiza una presión de 7444 bar sobre los puntos a los que se encuentra sujeta, que como reacción aplican una fuerza de igual magnitud – fuerzas de compresión -.

Estos valores no son sorprendentes, ya que la fuerza asociada a la tensión producida es de 362 Toneladas-fuerza:

siendo S la sección interior de la tubería de 3 “, S= 4768.56 mm2

Si no conseguimos absorber la dilatación producida, la tubería sufriría deformaciones permanentes – deformaciones plásticas -, con pandeo y rotura de la misma al superarse la tensión de rotura del material a la temperatura de servicio Su/T= 413.69 N/mm²..

Se adjunta hoja de cálculo Excel para cálculo de dilataciones.

Tipos de dilataciones

Existen diferentes posibilidades para la absorción de dilataciones en instalaciones de fluido térmico:

• De diseño de la instalación o también llamado sistema de autocompensación. Sólo interviene el propio trazado de la tubería para absorber la dilatación.
• De figuras de deformación. Con curvas y gestos artificiales de tubería adoptados al ser imposible adoptar un sistema autocompensado. Podemos considerar tres tipos según su forma geométrica, en “U” en “V” y en “Z”
• Compensadores o juntas de dilatación. Elemento específico de deformación mecánica de reducido espacio

En próximos capítulos explicaremos más específicamente estas soluciones y las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas.

NOTAS:

• El límite elástico es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Tensiones superiores a este límite, provocan que el material experimente un comportamiento plástico, deformaciones permanentes y no pueda recuperar espontáneamente su forma original al retirar las tensiones
• El coeficiente de dilatación es el cambio de longitud por unidad de longitud y grado de temperatura, característico de cada material
• Característica de un material elástico que indica el comportamiento del mismo según la dirección en la que se aplica una fuerza