¿Cuándo se debe utilizar un pozo termométrico Vortex?

Se debe utilizar un pozo termométrico de vórtice cuando un pozo termométrico estándar no pueda soportar con seguridad las fuerzas de vibración generadas por un flujo de proceso a alta velocidad o no supere el cálculo de la frecuencia de estela.

En muchas industrias de procesos, los pozo termométricos protegen los sensores de temperatura de la presión del sistema, los flujos a alta velocidad y los medios corrosivos, al tiempo que permiten retirar el instrumento de medición de temperatura sin necesidad de detener el proceso. Sin embargo, elegir un pozo termométrico inadecuado puede acarrear graves consecuencias. En determinadas condiciones de funcionamiento, las vibraciones provocadas por el flujo pueden provocar el fallo de un pozo termométrico, lo que pone en riesgo el proceso, los equipos y el personal.

Ashcroft cuenta con décadas de experiencia ayudando a los ingenieros a seleccionar pozo termométricos para aplicaciones de proceso exigentes. Aunque los pozo termométricos con brida son la opción preferida en muchas instalaciones debido a su diseño y su coste, hay situaciones en las que un pozo termométrico de vórtice es la solución más segura y fiable.

En este artículo descubrirás cuáles son las causas de los fallos en los pozo termométricos, cómo los cálculos de la frecuencia de estela ayudan a determinar su idoneidad y cuándo merece la pena la inversión adicional que supone un pozo termométrico de vórtice.

¿Qué provoca el fallo de un pozo termométrico?

En aplicaciones de alta velocidad, un pozo termométrico puede fallar cuando el fluido del proceso fluye a través del vástago del mismo, creando un fenómeno conocido como «formación de vórtices». Esto ocurre cuando los cambios en el momento del flujo generan vórtices alternos detrás del pozo termométrico, lo que provoca que este oscile. Si estas vibraciones se vuelven excesivas, el pozo termométrico puede sufrir fatiga y, finalmente, fallar.

Hay varios factores que determinan si estas oscilaciones se convierten en un problema:

• Los fluidos que circulan a velocidades más elevadas aumentan la probabilidad de que se produzcan vórtices de desprendimiento.
• La frecuencia de la estela depende del diámetro del pozo termométrico y de la velocidad del fluido de proceso.
• Si la frecuencia de la estela se sitúa dentro de un margen de aproximadamente el 20 % de la frecuencia natural del pozo termométrico, puede producirse resonancia.
• La resonancia aumenta considerablemente la vibración, lo que puede provocar el fallo del pozo termométrico, daños en el instrumento de medición de temperatura y la interrupción del proceso.

Cuando la velocidad del proceso es relativamente baja, la probabilidad de que se produzcan vibraciones perjudiciales se reduce considerablemente.

Figura 1. Ejemplo de turbulencia de estela

Para garantizar que un pozo termométrico pueda funcionar con seguridad en estas condiciones, la ASME ha desarrollado el cálculo de la frecuencia de estela (WFC) como parte de la norma ASME PTC 19.3 TW-2016. La norma evalúa las fuerzas externas, estáticas y dinámicas que actúan sobre el pozo termométrico y las compara con los límites de diseño del dispositivo.

Para obtener más información, lee ¿En qué consiste el cálculo de la frecuencia de estela de un pozo termométrico?

¿Qué datos se necesitan para calcular la frecuencia de estela?

Para calcular la frecuencia de estela se necesitan seis datos clave de la aplicación, con el fin de determinar si un pozo termométrico puede funcionar con seguridad en las condiciones de su proceso. Cuando solicite al fabricante el cálculo de la frecuencia de estela, debe estar preparado para facilitar la siguiente información.

Figura 2. Información necesaria para el cálculo de la frecuencia de estela

¿Qué ocurre si un pozo termométrico no supera el cálculo de la frecuencia de despertar?

Si un pozo termométrico no supera el cálculo de la frecuencia de estela, se debe modificar su diseño o sustituirlo por otro que pueda soportar con seguridad las condiciones de funcionamiento.

Una vez evaluada la información necesaria de la solicitud, el cálculo de la frecuencia de estela determina la probabilidad de fallo basándose en cuatro criterios principales:

• Límite de tensión oscilante (dinámica): si las fuerzas de resistencia y sustentación que provocan la oscilación superan la tensión admisible del pozo termométrico, el dispositivo puede fallar.
• Límite de tensión en régimen estacionario: si la carga continua supera la tensión admisible del material del pozo termométrico, este puede fallar.
• Límite de presión hidrostática: si la presión de proceso aplicada supera la presión nominal del pozo termométrico, puede producirse un fallo.
• Límite de frecuencia: Si la frecuencia natural del pozo termométrico se aproxima demasiado a la frecuencia de estela generada por el fluido en movimiento, puede producirse una resonancia perjudicial.

El pozo termométrico debe cumplir satisfactoriamente los cuatro criterios antes de que pueda considerarse adecuado para la aplicación.

El hecho de que el cálculo de la frecuencia de estela no sea correcto no significa automáticamente que se necesite un pozo termométrico de vórtice. En muchas aplicaciones, basta con modificar las dimensiones de un pozo termométrico estándar para cumplir los requisitos de la ASME. Por lo general, el pozo termométrico de vórtice se convierte en la solución preferida cuando esas modificaciones no son viables o la aplicación sigue estando fuera de los límites aceptables.

¿Por qué conviene utilizar un pozo termométrico de vórtice?

Un pozo termométrico de vórtice está diseñado para reducir la formación de vórtices, lo que lo convierte en una solución eficaz para aplicaciones de alta velocidad en las que un pozo termométrico estándar podría no funcionar de forma segura.

Cuando un pozo termométrico con brida estándar no cumple los requisitos de la norma ASMEPTC 19.3 TW-2016, los ingenieros suelen tener dos opciones:

• Modifica el pozo termométrico para que se ajuste al cálculo de la frecuencia de estela.
• Sustitúyelo por un pozo termométrico de vórtice.

Aunque la segunda opción supone un coste inicial más elevado, puede ayudar a evitar fallos catastróficos que podrían dañar los equipos, interrumpir la producción o generar condiciones de funcionamiento inseguras.

A modo de comparación, el precio de un pozo termométrico con brida estándar suele oscilar entre 125 y 2.000 dólares aproximadamente , mientras que el de un pozo termométrico de vórtice suele oscilar entre 900 y 5.000 dólares, dependiendo de los materiales, el tamaño y los requisitos de la aplicación. Sin embargo, el coste de sustituir un pozo termométrico averiado o de recuperarse de una parada no planificada puede superar con creces la inversión inicial.

¿Cómo reduce las vibraciones un pozo térmico de vórtice?

Un pozo térmico de vórtice utiliza nervaduras helicoidales a lo largo del vástago para interrumpir la formación de vórtices antes de que se produzcan vibraciones perjudiciales.

Diseñadas mediante dinámica de fluidos computacional (CFD), las aletas helicoidales evitan la formación de vórtices y reducen la amplitud de las oscilaciones en más de un 90 % en comparación con un pozo termométrico estándar de barra redonda. A lo largo del pozo termométrico, las aletas también favorecen un flujo transversal que no se da en un diseño convencional, al tiempo que permiten soportar la carga de presión máxima admisible utilizando las dimensiones originales del vástago.

Figura 3. Pozo termométrico Vortex de Aschroft®

Puzo térmico estándar frente a puzo térmico de vórtice

La elección entre un pozo termométrico estándar y uno de vórtice depende de la aplicación, las condiciones del proceso y los resultados del cálculo de la frecuencia de estela.

Pozo termométrico estándar

Ideal para:

• La mayoría de las aplicaciones en procesos industriales
• Velocidades de proceso moderadas
• Aplicaciones que superan con éxito el cálculo de la frecuencia de activación
• Proyectos en los que se da prioridad a un coste inicial más bajo

Puede ser necesario:

• Cálculo de la frecuencia de estela
• Modificaciones dimensionales para cumplir los requisitos de la ASME
• Collares de soporte u otras modificaciones de diseño en algunas aplicaciones de alto caudal

Termopozo vórtex

Ideal para:

• Aplicaciones de procesos de alta velocidad
• Instalaciones en las que el cálculo de la frecuencia de activación no es correcto
• Aplicaciones en las que no resulta viable modificar un pozo termométrico estándar

Ventajas:

• Reduce considerablemente la formación de vórtices
• Elimina la necesidad de calcular la frecuencia de activación
• Permite longitudes de inmersión mayores
• Simplifica la instalación y la sustitución
• Mejora la fiabilidad a largo plazo en aplicaciones exigentes

Puntos clave

La elección del pozo termométrico adecuado no se limita a cumplir los requisitos de presión y temperatura. La velocidad del flujo, la vibración y la frecuencia de estela desempeñan un papel importante a la hora de determinar si un pozo termométrico puede funcionar de forma segura y fiable.

Aunque un pozo termométrico con brida estándar es la solución preferida para muchas aplicaciones, un pozo termométrico de vórtice puede proporcionar la protección adicional necesaria cuando un flujo a alta velocidad genera condiciones que podrían provocar el fallo del pozo termométrico. Realizar un cálculo de la frecuencia de estela en una fase temprana del proceso de diseño ayuda a garantizar la solución más segura y adecuada para su aplicación.

Más información sobre la selección de pozo termométrico

Cada aplicación presenta unas condiciones de funcionamiento únicas. Comprender cómo interactúan la frecuencia de estela, la velocidad del flujo y el diseño del pozo termométrico puede ayudarle a mejorar la fiabilidad de las mediciones y, al mismo tiempo, reducir el riesgo de fallos prematuros.

Si desea obtener más información sobre cómo elegir el pozo termométrico adecuado, póngase en contacto con nosotros para hablar con un experto en productos.