Absorció de dilatacions en instal·lacions de fluid tèrmic

Dilatació és la variació de dimensions que experimenta un cos quan es modifica la temperatura a que es troba exposat. Es molt important tractar correctament l’absorció de dilatacions en instal·lacions de fluid tèrmic.

En les instal•lacions transmissores de calor, ja siguin de vapor o amb major raó, de fluid tèrmic, les temperatures de servei que poden aconseguir-se són elevades i per això el fenomen de la dilatació de les canonades i les seves possibles conseqüències ha de ser correctament tractat.

Amb la finalitat d’apreciar amb un exemple, la magnitud de les forces que les dilatacions produeixen i la importància d’un correcte disseny que elimini qualsevol tipus de risc per aquesta causa, suposem un tram de canonada de 10 metres de longitud l, de diàmetre 3”, material ASME SA 106 Gr. B – acer al carboni específic per a servei a alta temperatura -, fixada totalment en els seus extrems i per tant sense possibilitat de dilatar lliurement.

El muntatge de la canonada ha estat realitzat a temperatura ambient, 20 ºC, sent la temperatura de servei màxima prevista 300 ºC.

En aquestes condicions i segons les característiques del material, el seu coeficient de dilatació tèrmica lineal α (2), té un valor mitjà en aquestes temperatures de 1.44E-05 m/(m•°C) i la dilatació prevista al moment d’aconseguir la màxima temperatura serà de:

Amb aquesta dilatació de 40,4 mm, la tensió a la que està sotmesa la canonada és:

essent E el mòdul d’elasticitat(3) o mòdul de Young del material

Aquesta tensió aplicada a la canonada és molt superior al límit elàstic(1) a la temperatura de servei Sy/T = 188.06 N/mm².

Si parlem en termes de pressió, la canonada realitza una pressió de 7444 bar sobre els punts als quals es troba subjecta, que com a reacció apliquen una força d’igual magnitud – forces de compressió -.

Aquests valors no són sorprenents, ja que la força associada a la tensió produïda és de 362 Tones-força:

essent S la secció interior de la canonada de 3 “, S= 4768.56 mm2

Si no aconseguim absorbir la dilatació produïda, la canonada sofriria deformacions permanents – deformacions plàstiques -, amb curvatura i trencament de la mateixa en superar-se la tensió de trencament del material a la temperatura de servei Su/T= 413.69 N/mm².

S’adjunta full de càlcul Excel per a càlcul de dilatacions.

Existeixen diferents possibilitats per a l’absorció de les dilatacions a instal·lacions de fluid tèrmic:

• De disseny de la instal•lació o també anomenat sistema de autocompensació. Només intervé el propi traçat de la canonada per absorbir la dilatació.
• De figures de deformació. Amb corbes i gestos artificials de canonada adoptats en ser impossible adoptar un sistema autocompensat. Podem considerar tres tipus segons la seva forma geomètrica, en “O”, en “V” i en “Z”.
• Compensadors o juntes de dilatació. Element específic de deformació mecànica de reduït espai

En propers capítols explicarem més específicament aquestes solucions i els avantatges i inconvenients de cadascuna d’elles.

NOTES:

• El límit elàstic és la tensió màxima que un material pot suportar sense sofrir deformacions permanents. Tensions superiors a aquest límit, provoquen que el material experimenti un comportament plàstic, deformacions permanents i no pugui recuperar espontàniament la seva forma original en retirar les tensions.
• El coeficient de diltació és el canvi de longitud per unitat de longitud i grau de temperatura, característic de cada material.
• Característica d’un material elàstic que indica el comportament del mateix segons l’adreça en la qual s’aplica una força.