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Por qué debes considerar la expansión y contracción cuando diseñas sistemas de tuberías

By: Jorge Solorio on January 20th, 2022

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Por qué debes considerar la expansión y contracción cuando diseñas sistemas de tuberías

SISTEMAS DE TUBERÍAS  |  HERRAMIENTAS

La expansión y la contracción lineal afectan a los materiales tanto metálicos como termoplásticos. Si no lo consideras durante el diseño del sistema, la fluctuación de longitud puede costarte caro.

 

Infografía de diseño del Sistema de tubería CPVC para la expansión térmica Lee el post completo más abajo o revisa la Infografía de Expansión Térmica para un resumen instantáneo de esta publicación de blog.

 

Todos los materiales tienen propiedades térmicas inherentes que afectan sus características dependiendo de la cantidad de calor o frío al que están expuestos. Cuanto más calor se aplica, más materiales tienden a expandirse y suavizarse; mientras más frías sean las condiciones, más tenderán a contraerse y endurecerse.

 

En el caso de los sistemas de tuberías, lo que más nos preocupa es la expansión y contracción lineal, que afecta a los materiales de tuberías tanto metálicos como termoplásticos. Si no lo tomas en cuenta durante el diseño de tu sistema, la fluctuación de longitud puede ocasionar problemas costosos. Esto es especialmente cierto para los sistemas de plantas industriales, que a menudo someten la tubería a temperaturas y presiones extremas.

 

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Por ejemplo, si un tramo de tubería está restringido en ambos extremos a medida que se calienta, la expansión lineal causará tensión de compresión en el material. Cuando esta fuerza indebida exceda la tensión permisible en el material, dará como resultado daños en la tubería y potencialmente en los soportes, conexiones y válvulas.

 

Dependiendo del alcance de ese daño, las plantas pueden verse obligadas a realizar reparaciones frecuentes, cerrar procesos y potencialmente reemplazar el sistema de tuberías prematuramente.

 

Afortunadamente, aunque la expansión y la contracción son inevitables, puedes eludir fácilmente sus consecuencias si planeas el diseño adecuado. Específicamente, empleando uno de los siguientes mecanismos de deflexión:

➡️ Bucles de expansión

➡️ Compensaciones de expansión

➡️ Cambios de dirección

➡️ Juntas de expansión

 

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Antes de explicar cómo implementar cada mecanismo, debemos analizar los cuatro factores que influyen en el diseño de un sistema de tuberías.

 

Factores de diseño a considerar

 

1. Cantidad de expansión lineal

La cantidad que una tubería se expandirá y contraerá dependerá de tres factores:

  • Coeficiente de expansión lineal

Todo material de tubería tiene un coeficiente de expansión térmica lineal. Dicho coeficiente dice que “por cada grado de cambio de temperatura, el material tendrá X cantidad de expansión lineal”. Para calcular este coeficiente se realizan pruebas empíricas en todo el material de tubería.

En el gráfico siguiente puedes ver que, en diferentes materiales de tubería, cambia la longitud a medida que cambia la temperatura.

 

Expansión lineal de HDPE, PP, PVDF, CPVC, cobre y acero

  • Diferencial de temperatura

El diferencial de temperatura es el rango de temperatura al que está expuesta la tubería. En otras palabras, la diferencia entre la tubería más fría y la más caliente será desde el momento de la instalación hasta su vida útil.

Para determinar el diferencial de temperatura de su tubería, considera lo siguiente:

  1. ¿Cuál es la temperatura en la instalación? En un espacio acondicionado, esta puede ser una de las temperaturas extremas que alcanzará.
  2. ¿Cuál es la temperatura del fluido que fluye a través de la tubería, y esa temperatura del fluido será constante?
  3. Si la tubería está al aire libre, ¿cuál es el cambio climático estacional?
  • Longitud de la tubería

Cuanto más larga es la tubería, más se expandirá o contraerá. Esencialmente, cada pie adicional de material tiene un efecto aditivo sobre cuánto se expandirá o contraerá la tubería.

 

2. Tensión de trabajo

La tensión de trabajo es la cantidad máxima de tensión a la que se puede someter un material cuando se usa. Todo el material de tubería puede soportar cierto grado de movimiento sin sacrificar su integridad estructural.

 

3. Módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad es una medida de rigidez. Es una propiedad intrínseca del material de tubería que expresa la capacidad del material para alargarse o comprimirse cuando se aplica una fuerza.

 

4. Diámetro exterior de la tubería

El diámetro exterior afecta la capacidad de la tubería para desviar la tensión. Por ejemplo, una tubería de CPVC de 100 pies sometida a una temperatura máxima de 120° F (48.8° C) y una temperatura mínima de 80°F (26.6° C) se expandirá 1.6 pulgadas (4.06 cm), independientemente del diámetro exterior de la tubería. Pero una tubería de 1 pulgada (2.54 cm) puede desviar más tensión que una tubería de 6 pulgadas (15.24 cm), por lo que el mecanismo de deflexión (longitud total del bucle) solo necesita tener 2.47 pies (75.28 cm) de largo para una tubería de 1 pulgada (2.54 cm). En la misma situación, una tubería de 6 pulgadas (15.24 cm) necesitará un mecanismo de deflexión de 5.55 pies (169. 16 cm) de largo.

 

Los cuatro mecanismos de deflexión de un sistema de tubería

Dependiendo del área donde corra la tubería, los ingenieros tienen cuatro opciones de mecanismos de deflexión para tomar en cuenta la expansión y contracción térmica. Cada uno permite un cierto grado de movimiento para ayudar a prevenir las tensiones de compresión.

 

Para ayudar a ilustrar cada mecanismo, incluimos un escenario de tramo de tubería con las siguientes dimensiones:

  • Material de la tubería: CPVC
  • Diámetro de la tubería: 4 pulgadas (10.16 cm)
  • Tramo de la tubería: 100 pies (30.48 m)
  • Diferencial de temperatura: 40°
    • Temperatura máxima: 120°F (48.8° C)
    • Temperatura mínima: 80°F (26.6° C)

Para esta situación, la expansión lineal de la tubería es de 1.6 pulgadas (4.06 cm).

 

1. Bucle de expansión

Este mecanismo tiende a ser la elección preferible de los ingenieros.

Diagrama de circuito de expansión del sistema de tuberías

Cómo funciona: en medio de un tramo de tubería se configura una “U” y su centro se restringe con un soporte. Cada lado del tramo de la tubería que entra a la U se cuelga con un sujetador o guía, lo que permite que la tubería se mueva hacia adelante y hacia atrás. A medida que se expande, la abertura de la U se estrecha, y con la contracción de la tubería, la abertura de la U se ensancha.

Usando el ejemplo y la imagen proporcionada: L representa la longitud total del bucle, con 2/5L representando cada porción vertical, y 1/5 L representando la sección transversal horizontal en donde se coloca la restricción.

  • L = 54.8 in.
  • 1/5 L = 11.0 in.
  • 2/5 L = 21.9 in.

 

2. Compensación de expansión

Este mecanismo se utiliza cuando la tubería necesita evitar estructuras fijas.

Diagrama de compensación de expansión del sistema de tuberías

Cómo funciona: colocado en el centro de un tramo de tubería, cada codo permite un cierto grado de desviación, al igual que la longitud vertical de la tubería. El extremo de cada tramo se establece mediante sujetadores o guías situados a una distancia definida del codo. Usando el diagrama de arriba, a medida que la tubería se expande, los codos superior e inferior presionarán hacia adentro, causando que la longitud vertical se incline hacia la derecha. Con la contracción, la tubería vertical se inclinará hacia la izquierda.

Usando el ejemplo y la imagen proporcionada: L representa la longitud total de la compensación del sujetador o guía en un extremo al opuesto. 1/4 L significa la distancia desde el sujetador o guía hasta el codo más cercano. 1/2 L representa la sección perpendicular de la tubería.

  • L = 54.8 in.
  • 1/4 L = 13.7 in.
  • 1/2 L = 27.4 in.

 

3. Cambio de dirección

Todo sistema de tuberías incluye naturalmente cambios en la dirección, que también se pueden usar como mecanismos de deflexión.

Diagrama de cambio de dirección de expansión del sistema de tuberías

Cómo funciona: en el extremo del tramo largo de la tubería, el codo de la esquina y la tubería contigua pueden permitir cierto grado de movimiento. Si la tubería contigua es suficientemente larga, como ingeniero puedes colocar un sujetador o guía a una distancia definida lejos del codo, para tener en cuenta tanto la expansión como la contracción.

Usando el ejemplo y la imagen proporcionada: L representa la distancia desde el codo al sujetador o guía.

  • L = 54.8 in.

Nota: debes tener en cuenta el espaciamiento mínimo del soporte de la tubería cuando consideras el uso de un cambio de dirección para el ajuste de expansión y contracción.

 

4. Junta de expansión

Este mecanismo se usa a menudo en áreas estrechas y cerradas en las que es difícil incluir cualquier bucle de expansión o compensación.

Las juntas de expansión son conjuntos especializados que actúan como un amortiguador que permite que la tubería se mueva libremente dentro de otra tubería, manteniendo el sellado necesario. Esta suele ser una opción más costosa y se usa como último recurso.

 

Calcula el mecanismo de expansión térmica para un sistema de CPVC

Para ayudar a los ingenieros a diseñar sistemas de CPVC Corzan®, desarrollamos una Calculadora de expansión de tuberías. Esperamos que sea útil para ti como lo ha sido para otros proyectos de uso industrial.

Simplemente necesitas ingresar la longitud y el diámetro de la tubería, así como las temperaturas máximas y mínimas del sistema, y la calculadora te proporcionará las dimensiones requeridas para: bucle de expansión, compensación de expansión y cambio de dirección utilizando una tubería de CPVC Corzan®.

 

Recuerda: las tuberías no están exentas a las leyes de la naturaleza. Nunca está de más armar e instalar un bucle más grande de lo requerido.