Medición de la presión en aplicaciones criogénicas

Este artículo se publicó originalmente el 30 de enero de 2023 y se actualizó el 6 de agosto de 2025.

Los gases licuados, como el nitrógeno, el oxígeno y el helio, se utilizan en muchas aplicaciones criogénicas. Estos sistemas funcionan a temperaturas extremadamente bajas, normalmente por debajo de -150 °F, e introducen un conjunto único de retos en la medición de la presión. Los instrumentos expuestos a estas condiciones deben soportar un intenso estrés térmico, la posible fragilidad de los materiales y limitaciones de diseño debidas a restricciones de espacio.

En Ashcroft, entendemos las implicaciones de estas condiciones y sabemos cómo tomar precauciones para prepararse para un posible fallo del manómetro. Nuestra experiencia en medición de presión en relación con los sistemas industriales, incluyendo aplicaciones criogénicas, ayuda a garantizar un rendimiento fiable, la seguridad del proceso y la protección de los instrumentos a largo plazo.

Lea este artículo para saber más sobre criogenia, cómo medir la presión en estas aplicaciones y cómo proteger sus instrumentos de los efectos de las temperaturas muy bajas.

¿Qué es la criogenia??

La criogenia es el campo de la ciencia y la ingeniería que se ocupa de la producción y el comportamiento de materiales y sistemas que funcionan a temperaturas muy bajas. Aunque las definiciones varían ligeramente, el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST ) define la criogenia como todo lo que implica temperaturas inferiores a -153 °C (-243,4 °F). Uno de los usos más comunes es el nitrógeno líquido, cuya temperatura es de -195 °C (-320 °F).

En temperaturas tan bajas:

• Los gases, como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno, se convierten en líquidos
• La mayoría de los metales, salvo el acero inoxidable 316, se contraen y pueden volverse quebradizos.
• Los elastómeros y polímeros comunes pueden endurecerse o agrietarse
  
• Los fluidos y materiales de relleno estándar pueden volverse inestables

En estas condiciones extremas, la instrumentación estándar suele ser inadecuada si no se modifica o protege.

Dónde se utiliza la medición de la presión criogénica

Los sistemas criogénicos se encuentran en una gran variedad de industrias en las que se procesan o almacenan fluidos a baja temperatura. Algunos ejemplos de aplicaciones son:

• Transporte y almacenamiento de gas natural licuado (GNL)
• Sistemas de energía de hidrógeno e infraestructuras de abastecimiento
• Bombonas de gases medicinales y suministro
• Criopreservación de materiales biológicos
• Congelación y transporte de productos alimenticios
• Refrigeración por gas inerte durante el tratamiento térmico industrial
• Propulsión aeroespacial y sistemas de combustible para cohetes

Una aplicación criogénica especialmente sensible es el oxígeno líquido, utilizado en entornos aeroespaciales, médicos y farmacéuticos. En atmósferas enriquecidas con oxígeno, los materiales que son combustibles en el aire pueden inflamarse más fácilmente y arder con mayor intensidad.

Los instrumentos a presión utilizados en servicio con oxígeno deben limpiarse adecuadamente para que sean compatibles con el oxígeno. Esto incluye la eliminación de aceites, grasas u otros contaminantes que puedan inflamarse y provocar un fallo catastrófico.

Retos de la medición de la presión criogénica

La medición de la presión en sistemas criogénicos es más compleja que en aplicaciones de temperatura estándar. Las temperaturas extremadamente bajas afectan no sólo a los medios del proceso, sino también al rendimiento y la durabilidad del instrumento de medición. Sin las precauciones adecuadas, incluso un manómetro o transductor de presión bien construido puede fallar rápidamente o proporcionar lecturas inexactas.

Además de los problemas de temperatura comentados anteriormente, a continuación se exponen otros dos retos comunes a los que se enfrentan los ingenieros en estos entornos, y por qué son esenciales un aislamiento y una selección de materiales adecuados.

1. El montaje directo no se recomienda para aplicaciones criogénicas.

Aunque las partes húmedas pueden ser de acero inoxidable 316, la mayoría de los instrumentos incluyen juntas, sellos o componentes internos que no están diseñados para la exposición al frío extremo. La exposición a estas condiciones puede provocar:

• Agrietamiento o endurecimiento de la junta
• Congelación de los fluidos de llenado
• Deformación mecánica de los elementos sensores
  

Estos riesgos pueden provocar un fallo rápido y completo del instrumento. Proteger el instrumento de estas bajas temperaturas es fundamental para realizar mediciones fiables.

2. Los materiales de proceso deben ser compatibles en aplicaciones criogénicas

Siempre que el medio sea compatible, el acero inoxidable suele ser el mejor material para el servicio criogénico y a baja temperatura. Otros materiales aceptables son:

• Bronce
• Monel

Sin embargo, deben evitarse los calibres de tubos de acero, ya que la ductilidad del acero al carbono disminuye significativamente en condiciones criogénicas, lo que aumenta el riesgo de fallo por fragilidad.

Cómo medir la presión en aplicaciones criogénicas

Para medir la presión con precisión en sistemas criogénicos, los instrumentos deben aislarse térmicamente del proceso de frío. Esto se consigue normalmente utilizando sifones o capilares que permiten que la señal de presión llegue al instrumento manteniéndolo a temperatura ambiente o cerca de ella. Aquí encontrará más detalles sobre ambos métodos: 

1. Sifones capilares para montaje remoto en aplicaciones criogénicas

Accesorios, como el Línea Capilar Ashcroft® 1115A, son tubos flexibles de acero inoxidable que conectan el instrumento al proceso a distancia. Esto permite que el calor del ambiente proteja al medidor o transmisor. Las líneas capilares son ideales para montajes remotos e instalaciones que requieren aislamiento de vibraciones o un acceso más fácil a los instrumentos.

Ofrecen: 

• Presiones nominales de hasta 10.000 psi
• Temperatura de funcionamiento: de -300 °F a 750 °F
• Construcción de acero inoxidable con revestimiento opcional de PVC 
• Longitudes de 1 a 100 pies

2. Sifones MicroTube™ y Mini-MicroTube™ para espacios compactos

Donde el espacio es limitado o el montaje remoto es poco práctico, Ashcroft 2098 y 2198 Sifones MicroTube proporcionan un método compacto para aislar los instrumentos del proceso criogénico. Estos sifones en espiral disipan el calor eficazmente en un espacio reducido, permitiendo una conexión directa segura a la línea de proceso sin comprometer la integridad de la medición.

Ofrecen:

• Protección hasta 800 °F (modelo 2198) y 600 °F (modelo 2098) siempre que se utilicen en un entorno de temperatura ambiente.
• Presiones nominales de 5.000 psi y 3.000 psi, respectivamente
  
• Componentes húmedos de acero inoxidable 316L, preferibles para temperaturas extremadamente bajas
  
• Instalación compacta para espacios reducidos

Figura 1: Lista de comprobación del manómetro criogénico

¿Quiere saber más?

Con lo que ha aprendido sobre la medición de la presión en aplicaciones criogénicas, tiene una mejor idea de cómo proteger sus instrumentos y su sistema. Para obtener más información sobre laprotección contra la temperatura, aquí tiene algunos artículos relacionados:

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