En este tutorial veremos en qué consiste la expansión térmica de las tuberías y la influencia que tiene en el diseño de los sistemas de tuberías asociados.
El autor de este post es Juan Gutiérrez Yagüe.
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Primero un poco de teoría…
Todo cuerpo físico al que se le provoca un aumento de temperatura sufre cambios en sus dimensiones (dilataciones). Hay diferentes tipos de dilataciones, pero la que tiene especial importancia en las tuberías es la dilatación lineal.
La dilatación térmica lineal de las tuberías queda reflejada en la siguiente simple ecuación.
\Delta L=\alpha.\Delta T.L_{0}Donde,
𝛥L = Incremento de longitud (mm)
𝛼 = Coeficiente de dilatación lineal del material (mm/m.ºC)
𝛥T = Variación de temperatura (ºC)
Lo = Longitud inicial (m)
Supongamos entonces el siguiente ejemplo. Dentro de una nave industrial con una temperatura media de 20 ºC, tenemos una tubería de acero de 8 pulgadas y 4 metros de longitud, conectada a un tanque que evacua agua caliente a 60 ºC.
\Delta L~=~12~.~10^{-3}~.~(~60~-~20~)~.~4~=~1,93~mmCómo podemos ver la tubería sufrirá una expansión de casi 2 mm.
¿Por qué es importante en un sistema de tuberías?
Generalmente los sistemas de tuberías son entramados que conectan diferentes equipos (bombas, depósitos, turbinas, etc).
Supongamos ahora que en el ejemplo anterior, en vez de estar uno de los extremos de la tubería libre, estuviera conectado a otro equipo. Por ejemplo una bomba que succiona el agua caliente para entregarla a un consumidor.
Al estar los dos extremos anclados a los equipos (tubuladura del tanque y tubuladura de la bomba), la tubería no se puede expandir. Estaríamos impidiendo esa expansión térmica.
Impedir esa expansión térmica tiene un coste. Un coste de una fuerza que soportan las tubuladuras de los equipos y la propia tubería.
Para explicar este fenómeno gráficamente recurriremos a un software comercial especializado en el cálculo de la flexibilidad y stress de los sistemas de tuberías.
Hay varios programas en el mercado. Para este tutorial usaremos el programa CAEPIPE.
En su página web se puede descargar una versión de evaluación que para estos ejercicios cumple de sobra con nuestros objetivos. (https://www.sstusa.com/piping-software-download.php).
Primero vemos como el modelo creado de la tubería corresponde con nuestro ejemplo. Un tramo de tubería de 4 metros anclado por ambos lados. Recordamos que uno de los anclajes es la tubuladura del tanque y el otro es la tubuladura de la bomba.
Como es lógico y se ve en la imagen siguiente, el desplazamiento es cero. No existe dilatación porque se lo estamos impidiendo.
Como hemos dicho anteriormente, impedir la dilatación térmica tiene un coste. Una fuerza que hay que ejercer por ambos lados de la tubería para evitar que se dilate.
Según el análisis que nos devuelve el programa se puede ver como la fuerza que se ejerce en ambas tubuladuras (nodo 10 y nodo 20) es de 769 998 N.
Para ponerlo en perspectiva… Estamos hablando que cada tubuladura está soportando casi 770 000 N o lo que es lo mismo 78 490 kg… ¡Casi 79 toneladas de peso!… Evitar que la tubería se expanda apenas 2 mm conlleva ejercer una fuerza de 79 toneladas en cada tobera.
Las tubuladuras de los equipos no serán capaces de soportar esa fuerza. Estaríamos trabajando fuera de norma y en una situación de rotura de tubuladuras y tubería.
Vemos por tanto que no parece buena idea restringir la dilatación térmica de las tuberías. No hacerlo sobrecarga las toberas de los equipos y la propia tubería.
Para evitar la situación anterior hay que asegurar realizar un conveniente diseño flexible. De ello trataremos en un tutorial posterior llamado Diseño Flexible en Tuberías.
Resumen y conclusiones
En este tutorial hemos visto en que se basa la expansión térmica en las tuberías. A partir de esa base teórica hemos podido comprobar que el diseño más sencillo, que a priori es conectar los equipos en línea recta, es la peor idea posible.
Se ha comprobado analíticamente gracias al programa CAEPIPE la elevada carga que soportan las tubuladuras, y el riesgo que ésto supone. Es por tanto fundamental realizar un diseño flexible que evite elevadas tensiones en tubuladuras y tuberías.
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