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Junta de expansión en un intercambiador de calor
Hola Luis,
He acabado el tema 14 referente a las juntas de expansión y te quería preguntar sobre las expansiones térmicas en el caso de un intercambiador de calor dónde se debe poner la junta de expansión, imagino que en la entrada?, ¿Es así?. ¿En alguna tubuladura más?. ¿Dependerá de los cálculos en cada caso?.
¿En el caso de los hornos?. ¿En las salidas?.
Saludos.
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1 Respuesta
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Hola Iñaki,
Este tipo de sistemas es conveniente estudiarlos en detalle en cada caso, ten en cuenta que la finalidad de una junta de expansión es a grandes rasgos:
- Evitar la sobrecarga en la tubuladura del equipo (provocando su deformación plástica a consecuencia de los SIF de la propia unión)
- Evitar transmitir vibraciones al resto de la instalación por parte del equipo (si las hubiera)
- Prevenir que una unión bridada sometida a tensiones excesivas, presente fugas por desplazamientos no deseados
Dicho esto, para colocar una junta de expansión en un equipo como un intercambiador de calor, un horno o una caldera (Equipos que por su construcción, generalmente de calderería metálica, presentan coeficientes de expansión propios y dilataciones térmicas por su propio modo de operación) es necesario hacerse las siguientes preguntas:
- ¿Qué cargas está transmitiendo la tubería de conexión al equipo? Ésta primera pregunta aplica a cualquier clase de equipo, tenga dilatación térmica propia, o no, por ejemplo, una bomba centrífuga, un tanque, un compresor, etc.
Si la respuesta es positiva, es decir, que nuestra tubería durante su operación experimenta un desplazamiento significativo, que se traduce en tensiones significativas en la tubuladura del equipo, (sobrepasando los límites establecidos por el fabricante, o por la Normativa que rige el diseño del equipo) lo primero que debemos considerar es “re-rutear” la tubería, es decir, inventarnos otro recorrido de conexión de la línea que permita absorber los desplazamientos mediante la propia tubería (como dirigir las expansiones a una lira de expansión o a un codo lejano). Si esto no fuera posible, entonces sí es necesario colocar una junta de expansión, que absorba parte de éste desplazamiento y “libere” la carga en el equipo.
- ¿Qué cargas está transmitiendo el equipo a la tubería?En el caso de equipos que presentan su propia dilatación, como los que describes en tu pregunta, es necesario hacerse también esta segunda pregunta.
Un intercambiador de calor (por ejemplo un carcasa tubo) va a tener, por un lado, las tubuladuras de entrada y salida del fluido frío, y por otro, las tubuladuras de entrada y salida del fluido caliente, cada una de las cuales presentará una temperatura de operación diferente.
Estas tubuladuras, a su vez, irán soldadas a la carcasa del equipo, generalmente de construcción metálica, que presentará un coeficiente de expansión determinado ( por regla general será el fabricante quien, sabiendo las temperaturas de diseño, nos podrá facilitar los datos de desplazamiento en sus tubuladuras) .
Por lo tanto, necesitamos evaluar si los desplazamientos experimentados por las tubuladuras del equipo, sobrecargarán mi sistema. Para ello es necesario hacer un estudio de estrés algo más complejo, en el que usamos el comando “imposed displacement” de Autopipe donde, básicamente, le decimos a nuestro sistema que bajo una temperatura determinada, un anclaje rígido (que simula el punto de conexión a un equipo) se moverá una determinada cantidad de milímetros en una determinada dirección. Bajo esta premisa, evaluamos cuál es la carga total que experimenta el sistema y si estamos por debajo de los máximos admisibles.
Si estamos por debajo de los máximos admisibles, tocaría comprobar la integridad de la Brida (Tema 8) y, si se verifican los criterios de rigidez y estanqueidad determinados por la Normativa ASME Sección VIII (o realizamos un estudio de elementos finitos, otra opción posible) podríamos afirmar que no necesitamos junta de expansión o, en caso de no cumplir las tensiones máximas admisibles en la unión bridada, tendríamos que valorar, en primer lugar, inventarnos un nuevo ruteado para la tubería, que dirija las expansiones a lugar seguro de la instalación y, como última instancia, colocar una junta de expansión.
———–Hasta aquí el razonamiento que deberíais seguir para determinar si es necesario una junta de expansión en un equipo que trabaja a alta temperatura y, generalmente, está fabricado en calderería.
¿Cuál es mi experiencia personal?
Generalmente, si no son intercambiadores de calor con un salto térmico muy acusado, no se producen grandes desplazamientos en las boquillas, ya que la propia TEMA (Normativa de diseño de intercambiadores) da pautas para colocar una junta de expansión embebida en el cuerpo del propio intercambiador, para que sea ésta quien absorba las dilataciones de la carcasa del equipo.
Por lo que para decidir si necesitas una junta de expansión es necesario evaluar las tensiones que introduce la tubería en el punto de conexión al equipo y verificar que estamos bajo los límites del fabricante,
- Si cumplimos el requisito y estamos por debajo de los máximos admisibles: No necesitamos junta
- Si no cumplimos, y estamos por encima de los máximos admisibles: Probaríamos a dirigir las expansiones de nuestra tubería hacia codos o liras de expansión, diseñando un nuevo ruteado y, como último recurso, usaríamos la junta de expansión. Ten en cuenta que poner una junta siempre será más caro que comprar más metros de tubo para definir una geometría nueva que absorba las dilataciones.
Lamento no tener una respuesta única e irrevocable para todos los casos, Iñaki, pero como ves, hay muchas variables en juego que deben ser tenidas en cuenta. De hecho, tenemos en la programación de nuevos cursos de 2021, realizar un curso de diseño de intercambiadores de calor, para poder abarcar este tema de forma extensa y detallada.
Espero haberte arrojado algo de luz sobre el tema y muchas gracias por preguntar por el foro! Seguro que el resto de alumnos encuentran muy interesante este post,
Un Saludo y Ánimo, ya estas cerca de terminar el curso!
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