Si consideramos un tramo de un tubo expuesto a una variación de temperatura, encontramos que este manifiesta variaciones tanto en el diámetro, como en el espesor y en su longitud. Al proyectista de líneas de tubería Conduit poco podrían interesar las primeras dos variaciones, dado que estos pueden crecer o decrecer libremente; sin embargo, la longitud, generalmente de gran magnitud y con extremos fijados a concreto y otros equipos (como válvulas, calderas, maquinas, etc.), es objeto de minucioso estudio para evitar eventuales daños debido a sus efectos de dilatación acompañados de grandes esfuerzos.
Dilatación de tuberías metálicas.
La variación de longitud ΔL se obtiene multiplicando la longitud L por el coeficiente de dilatación y la variación de temperatura ΔT, es decir:
ΔL = L * α * ΔT
Fuerzas generadas por la dilatación.
Es importante tener una idea de la magnitud de las fuerzas originadas por la dilatación y/o contracción térmica de una línea de tubería Conduit para comprender nuestra insistencia en el minucioso estudio de la dilatación en tuberías donde la variación térmica es apreciable.
Los daños registrados en turbinas, válvulas y en la misma línea de tubería Conduit pueden llegar a ser Cuantiosos al no tener en cuenta estos importantes esfuerzos incontenibles para cualquier construcción mecánica racional.
Si consideramos un tramo de tubo empotrado entre dos soportes, y expuesto a un aumento de temperatura, observamos que la dilatación axial del mismo genera una fuerza F contra los empotramientos en ambos sentidos, y dado que el área transversal de un tubo, está constituida por una corona, la fórmula queda de la siguiente manera:
Fᴅ = (Eᴛ * TT/ 4 (Dꜰ - Dꞁ) * α * ΔT) / 1,000,000
Como podemos apreciar en la fórmula, estos esfuerzos dependen del largo de la línea, por lo que se pueden presentar en cualquier instalación donde la dilatación no sea considerada, causando severos daños.
Soluciones convencionales carente de juntas de expansión.
El más conocido recurso para eludir los esfuerzos axiales consiste en convertir éstos en deflexiones laterales. Esto se consigue dándole a la línea forma de L, Z u Ω como muestran las figuras a, b y c.
Métodos recomendados para minimizar el efecto de la elongación de la tubería metálica.
Esto solo se puede realizar en líneas de pequeños diámetros o en aquellas cuya longitud es relativamente superior con respecto a su diámetro.
La instalación de accesorios de conexión, así como equipos (p.e. válvulas), se recomienda en la línea neutra (LN) indicada en los diagramas.
A continuación, veremos algunos cálculos considerando tubería Conduit de aluminio libre de cobre, que pueden ser de interés para el usuario y/o proyectista.
Cálculo de dilatación.
Para el cálculo de elongación de una línea de tubería Conduit metálica instalada en tramos rectos, donde hay variaciones significativas de temperatura se requiere emplear la siguiente fórmula.
ΔL = L * α * ΔT
Donde ΔL es la longitud de expansión expresada en milímetros, L es la longitud de la línea a evaluar (100 metros para efecto de cálculo), α es el coeficiente de dilatación del metal a evaluar (0.0234 para el aluminio), y ΔT es el incremento de temperatura a la que está expuesta la línea (consideramos 30°C la temperatura mínima de noche en zonas costeras, y 65°C la alcanzada por la tubería en la hora más cálida del día).
Sustituyendo los valores en la fórmula, obtenemos lo siguiente:
ΔL = 100m * 0.0234 * (65° C - 30°C)
ΔL = 100m * 0.0234 * 35
ΔL = 81.90 mm = 8.19 cms.
Por lo que podemos concluir que en una línea de 100 metros de tubería Conduit de aluminio libre de cobre, instalada en un ambiente con un diferencial de 35°C, la línea se expande 8.19 centímetros.
Cálculo de fuerza.
La fórmula para el cálculo de la fuerza originada por la dilatación en una línea de tubería Conduit metálica es la siguiente:
Fᴅ = (Eᴛ * Aм * α * ΔT) / 1,000,000
Donde Eᴛ es el módulo de elasticidad (en el caso del aluminio es de 700,000 kgs/cm²), Aм es la sección transversal del tubo (expresada en cm²), α es el coeficiente de dilatación del metal (0.0234 mm/m °C en el caso del aluminio) y ΔT el diferencial de temperatura (en grados °C). Sustituyendo los valores en la formula obtenemos lo siguiente:
Fᴅ = [700,000 * TT/4 (2.66²- 2.10²) * 0.0234 * (65°C - 30°C)] / 1,000,000
Que nos da un resultado de 1.2 toneladas, la cual convirtiendo las a kilos, nos da una fuerza de 1,200 kilos.
Cálculo de colocación de omegas.
Arreglo tipo Omega.
La colocación de Ω (Omega) es la solución más sencilla para disminuir el efecto de la dilatación de tubería Conduit en tramos rectos, para lo cual debemos considerar que cada Ω absorberá de manera aproximada 19mm de expansión.
Esto hace necesario un cálculo de la cantidad de arreglos que hay que instalar dependiendo del resultado de la dilatación en las líneas a instalar.
NΩ = (ΔL * 10) /19
Por ejemplo, consideremos una línea de tubería Conduit de aluminio de 180 m de longitud que sufre una dilatación lineal (ΔL) de 15 cms., sustituyendo los datos en la fórmula obtenemos lo siguiente:
NΩ= (15 * 10) / 19 = 7.8 = 8
Considerando que la línea es de 180 metros, se deberá instalar un arreglo cada 22.5 metros.
Es importante recordar que las dimensiones de las Ω (omega), se deberán calcular de acuerdo al diámetro de la línea de tubería a instalar.
A lo largo de este blog, hemos destacado la importancia de comprender la magnitud de las fuerzas generadas por la dilatación y/o contracción térmica en una línea de tubería Conduit. Es fundamental tener presente que los daños observados los equipos y en la propia línea de tubería pueden ser significativos si no se consideran estos esfuerzos inevitables, los cuales son críticos para cualquier estructura mecánica adecuada.
