Cómo elegir el instrumento de medición de temperatura adecuado para aplicaciones de vapor

El vapor se diferencia de la mayoría de los medios que se miden en un proceso industrial. Funciona a altas temperaturas, realiza ciclos frecuentes y presenta una relación directa y predecible entre la presión y la temperatura.

Si has leído nuestros artículos sobre cómo la temperatura del fluido afecta al rendimiento de los transductores de presión o la protección de los manómetros con sifones de vapor, ya sabrás que el vapor puede suponer una mayor exigencia para un instrumento que el agua o el aire. Este artículo analiza el aspecto relacionado con la temperatura, incluyendo cómo seleccionar el sensor, indicador o interruptor adecuado para un sistema de vapor.

¿En qué se diferencia el vapor de otros procesos industriales?

El vapor es exigente porque combina un calor intenso con cambios constantes de temperatura provocados por la presión.

• El vapor saturado se mantiene a una temperatura de saturación específica para una presión determinada. Si el vapor permanece saturado, un cambio en la presión produce un cambio de temperatura correspondiente.
  
  

• El vapor sobrecalentado se encuentra por encima de la temperatura de saturación correspondiente a su presión. Se utiliza habitualmente en aplicaciones en seco, de alta presión y de alta energía, incluida la generación de energía mediante turbinas de vapor.

Los sistemas de vapor también están sometidos a ciclos frecuentes. Las trampas de vapor se abren y se cierran, las calderas aumentan y reducen su potencia, y el condensado se forma y se vuelve a evaporar. Por ello, los instrumentos de medición de temperatura que se utilizan en sistemas de vapor deben soportar ciclos térmicos y choques térmicos ocasionales, en lugar de limitarse a medir una temperatura constante del proceso.

Esta combinación de calor, sensibilidad a la presión y ciclos hace que la selección de instrumentos para aplicaciones con vapor sea diferente de la selección para aplicaciones más frías y estables.

¿Cómo influye la relación entre la presión y la temperatura en la elección de los instrumentos?

Dado que la temperatura del vapor saturado está directamente relacionada con su presión, es posible calcular la temperatura de funcionamiento de una tubería de vapor a partir de su punto de consigna de presión. Esta relación debe servir de guía a la hora de seleccionar el rango de temperatura antes de evaluar un instrumento concreto.

El gráfico que se muestra a continuación se basa en datos estándar sobre las propiedades del vapor saturado. Ilustra cómo varía la temperatura en función de la presión a lo largo de la curva.

Figura 1. Relación entre la presión y la temperatura del vapor saturado

A 0 psig, el vapor saturado alcanza aproximadamente los 212 °F. A 15 psig, presión habitual en los circuitos de esterilización y de calentamiento a baja presión, la temperatura aumenta hasta aproximadamente los 250 °F. A 100 psig, alcanza unos 338 °F, y a 250 psig, supera los 400 °F.

El La referencia de propiedades termofísicas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ofrece una fuente de acceso libre al conjunto completo de datos cuando se requieren cálculos de diseño detallados.

Lo más importante es que el efecto de un cambio de presión depende del punto de la curva de presión-temperatura en el que se encuentre el sistema. Por lo tanto, el rango y la precisión del instrumento deben basarse en la presión real de funcionamiento del sistema, la variación de presión prevista y la temperatura del vapor correspondiente.

¿Cuándo se debe utilizar un RTD o un termopar en aplicaciones con vapor?

Detectores de temperatura por resistencia (RTD) y los termopares se utilizan cuando una aplicación de vapor requiere datos continuos de la temperatura del proceso, en lugar de una lectura visual local. Entre las aplicaciones habituales se incluyen los colectores de calderas, las tuberías de vapor sobrecalentado y los intercambiadores de calor de vapor a proceso.

El sensor de temperatura Ashcroft® S50 eses un ejemplo de cómo estas dos tecnologías de detección pueden satisfacer distintos requisitos operativos.

• RTD: Los RTD Pt100 o Pt1000 con una curva de platino 385 pueden abarcar temperaturas comprendidas entre -196 °C y 600 °C. Las clases de precisión incluyen las clases A, B y AA, de conformidadcon la norma IEC 60751. Esta combinación de rango, precisión y repetibilidad hace que los RTD sean muy adecuados para aplicaciones con vapor saturado y sobrecalentamiento moderado.
  
  
• Termopares: Los termopares ofrecen un rango de medición más amplio. Un termopar de tipo K, por ejemplo, puede alcanzar temperaturas de hasta 1.200 °C. Esto lo convierte en la mejor opción para vapor sobrecalentado a altas temperaturas, gases de combustión y otras aplicaciones que superan el rango de funcionamiento de un RTD.
  
  
• Instalación y homologaciones: Los RTD y los termopares están disponibles con FM, ATEX e IECEx para zonas peligrosas cercanas a calderas y colectores de vapor de proceso. Los diseños con resorte y de montaje DIN pueden ayudar a mantener la punta del sensor correctamente asentada en el pozo termométrico a medida que las tuberías se expanden y contraen durante los ciclos térmicos.

Cuando la precisión y la repetibilidad dentro de un rango de temperatura moderado son las prioridades, un RTD suele ser el punto de partida adecuado. Cuando la aplicación implica un sobrecalentamiento extremo, un termopar ofrece un mayor margen de temperatura.

¿Qué función desempeña un termómetro bimetálico en un sistema de vapor?

Un termómetro bimetálico permite obtener una lectura rápida y local de la temperatura sin necesidad de alimentación eléctrica ni de una señal transmitida. Entre los puntos de medición habituales se incluyen los colectores de vapor, las tuberías de retorno de condensado y los equipos montados sobre bastidor que se inspeccionan durante las rondas de los operarios.

El termómetro bimetálico Ashcroft® EL es un ejemplo de ello. Su diseño relleno de silicona ayuda a reducir las oscilaciones de la aguja provocadas por las vibraciones cerca de bombas, purgadores de vapor y otros equipos. Su conexión Everyangle™ gira 360 grados, lo que permite orientar la esfera para que sea visible independientemente de la orientación de las tuberías.

Un pozo termométrico es necesario cuando se instala un termómetro bimetálico en una aplicación a presión, lo que incluye la mayoría de las tuberías de vapor industriales. El pozo termométrico separa el elemento sensor del contacto directo con el proceso, lo protege de la corrosión y de daños físicos, y permite retirar el termómetro para su mantenimiento o calibración sin necesidad de detener la tubería. Se trata del equivalente, en el lado de la temperatura, de lo que hace un sifón de vapor para un manómetro.

¿Pueden los interruptores térmicos activar alarmas y paradas?

Sí. Un interruptor de temperatura responde al calor de forma muy similar a como un interruptor de presión responde a la presión. Cuando el proceso alcanza una temperatura preestablecida, el interruptor activa un microinterruptor de acción instantánea que puede activar una alarma visual o acústica, desencadenar un apagado automático o realizar ambas funciones con una configuración de doble punto de consigna.

Los interruptores de temperatura Ashcroft® T4 y T7 son ejemplos de cómo las configuraciones de los interruptores pueden adaptarse a los distintos requisitos de los sistemas de vapor. El El interruptor de temperatura Ashcroft® T4 cuenta con un único punto de consigna ajustable en todo su rango. El modelos de la serie LT de Ashcroft® ofrecen dos puntos de consigna independientes, lo que permite una respuesta por etapas, como una alarma inicial seguida de una parada automática.

Estas configuraciones pueden gestionar los controles de los quemadores, las funciones de seguridad de la caldera y los enclavamientos de procesos a alta temperatura.

Hay dos aspectos adicionales que revisten especial importancia en el servicio de vapor:

1. Protección para entornos peligrosos:El Ashcroft® T7 es a prueba de explosiones y cumple con el nivel SIL 3, lo que lo hace adecuado para determinadas ubicaciones de Clase I, División 1 situadas cerca de salas de calderas y sistemas de procesamiento químico.
2. Distancia respecto al proceso: Es posible que sea necesario separar un interruptor de temperatura instalado en una tubería de vapor caliente de la conexión al proceso para proteger la carcasa del interruptor del calor excesivo. 

La configuración de montaje remoto del modelo T7 está disponible con longitudes de capilar superiores a 25 pies. Esto permite que el bulbo sensor permanezca en el punto de medición caliente, mientras que el cuerpo del interruptor se instala en un lugar más frío y accesible.

¿En qué se diferencian los instrumentos de medición de temperatura para aplicaciones de vapor?

¿Cómo se protegen los instrumentos de medición de temperatura del calor y la presión del vapor?

Un pozo termométrico es uno de los accesorios más importantes para los instrumentos de medición de temperatura utilizados en aplicaciones de vapor a presión. Separa el elemento sensor del contacto directo con el proceso, protegiendo así al instrumento de la corrosión, la erosión y las tensiones físicas provocadas por los ciclos térmicos. Además, permite retirar, sustituir o calibrar el instrumento sin necesidad de vaciar el sistema ni detener el proceso.

La elección del material del pozo termométrico es igualmente importante. El acero inoxidable se utiliza habitualmente en aplicaciones de vapor, ya que puede soportar altas temperaturas y la exposición al condensado. No obstante, siempre debe confirmarse la compatibilidad de los materiales en función de las condiciones específicas del proceso. Consulte nuestra Guía de selección de materiales para obtener más información. 

La longitud de inserción también debe ajustarse al tamaño de la tubería y a la instalación. Una inserción adecuada sitúa la punta sensora dentro del flujo activo, donde puede medir la temperatura representativa del proceso, en lugar de la capa límite más fría cercana a la pared de la tubería.

Puntos clave

• La temperatura del vapor saturado viene determinada por la presión. Comprueba la posición del sistema en la curva de presión-temperatura antes de seleccionar el rango de un instrumento.
• Los RTD ofrecen precisión y repetibilidad para vapor saturado y moderadamente sobrecalentado, mientras que los termopares son adecuados para niveles más altos de sobrecalentamiento y temperaturas de proceso extremas.
• Los termómetros bimetálicos proporcionan lecturas rápidas y locales sin necesidad de alimentación eléctrica. Las instalaciones de vapor a presión también requerirán un pozo termométrico.
• Los interruptores de temperatura pueden activar alarmas y paradas. Las configuraciones de montaje a distancia ayudan a proteger el cuerpo del interruptor del calor excesivo del proceso.
• Un pozo termométrico correctamente especificado protege el instrumento de medición de temperatura, garantiza la fiabilidad de la medición y permite realizar tareas de mantenimiento sin necesidad de detener el proceso.

Más información

Si tienes alguna duda concreta sobre cómo elegir instrumentos de medición de temperatura para tu aplicación de vapor, consulta los recursos adicionales que figuran a continuación o ponte en contacto con nosotros para hablar con un experto en productos. Mientras tanto, descarga nuestra guía para conocer nuestra gama completa de soluciones de medición de temperatura.