Cuándo utilizar termopozos rectos, cónicos o escalonados

Garantizar lecturas de temperatura precisas y fiables en aplicaciones industriales exigentes es vital. El reto consiste en proteger el sensor de temperatura de los efectos dañinos de los medios corrosivos, la alta presión y la velocidad en las aplicaciones industriales. Ahí es donde los termopozos pueden ayudar. Sin embargo, con tantos tipos de termopozos y estilos de mangos de termopozo, puede que no esté claro cómo seleccionar el correcto para su aplicación. 

Como fabricante líder de instrumentos de temperatura, Ashcroft ofrece múltiples estilos de termopozos, incluyendo roscados, bridados, soldados por encastre, soldados y sanitarios. Cada estilo se puede fabricar con uno de los tres tipos de vástago: recto, cónico o escalonado. Dependiendo del tipo de vástago, la resistencia, el tiempo de respuesta del sensor y la resistencia a las vibraciones se verán afectados. El tipo que elija dependerá en última instancia de las exigencias de la aplicación.

Lea este artículo para conocer las diferencias entre los tipos de termopozos, sus principales ventajas y aplicaciones, y para comprender cómo factores como los cálculos de frecuencia de estela pueden ayudarle a tomar las decisiones más informadas y eficaces.

Tres tipos de mangos de termopozo 

Los termopozos son componentes fundamentales de los sistemas de medición de temperatura, ya que protegen los sensores y garantizan lecturas precisas en entornos de proceso difíciles o dinámicos. Pero su capacidad para cumplir su función depende de algo más que de su material o de la conexión al proceso. También depende de la geometría del vástago.

Los vástagos de los termopares tienen tres formas principales: rectos, cónicos y escalonados. Cada tipo ofrece características mecánicas y de medición distintas. Seleccionar el tipo de vástago adecuado es fundamental para garantizar la precisión del sensor, la durabilidad mecánica y el cumplimiento de las normas de seguridad en su aplicación.

Figura 1. Tres tipos de termopozos

La forma del vástago afecta directamente a la resistencia del termopozo a las tensiones inducidas por el flujo, a su rapidez de respuesta a los cambios de temperatura y a su integración con el instrumento de temperatura.

A continuación se describen las principales características, ventajas y casos de uso de cada diseño de vástago.

1. Termopozos de vástago recto

Los termopozos de vástago recto son los más básicos de los tres tipos y presentan un diámetro exterior uniforme desde la conexión de proceso hasta la punta. Su diseño sencillo y su consistencia estructural facilitan su producción, pero no siempre son la mejor opción para aplicaciones corrosivas y de flujo estático.

Ventajas del vástago recto:

• El grosor constante de la pared ayuda a mantener la integridad estructural en entornos de alta corrosión o erosión, especialmente cuando se utiliza con aleaciones resistentes a la corrosión.
• La distribución estable de la masa ofrece índices predecibles de transferencia de calor en entornos no turbulentos.

Aplicaciones:

• Muy adecuado para condiciones estáticas o de baja velocidad, como mediciones en tanques o sistemas con una turbulencia de flujo mínima.
• A menudo se seleccionan para gas a baja presión servicio de líquidos ligeros, o aplicaciones donde la carga dinámica es insignificante.

Limitaciones:

• La geometría recta da lugar a una frecuencia natural más baja, lo que la hace más vulnerable a la resonancia y a la fatiga inducida por las vibraciones en procesos de flujo rápido.
• No es ideal para fluidos compresibles a altas velocidades o sistemas de flujo pulsante sin validación mecánica.

2. Termopozos de vástago cónico

Los termopozos cónicos presentan una reducción gradual del diámetro desde la conexión de proceso hacia la punta, lo que mejora la dinámica del flujo y la resistencia a la tensión mecánica. Esto los convierte en el diseño de vástago más utilizado y recomendado.

Ventajas del vástago cónico:

• Mayor resistencia a las vibraciones que los vástagos rectos o escalonados. Esto ayuda a evitar fallos debidos a tensiones cíclicas.
• Rendimiento optimizado de la frecuencia de estela gracias a la reducción de la sección transversal y al aumento de la rigidez.
• Tiempo de respuesta del sensor mejorado con respecto a los vástagos rectos al minimizar la masa térmica cerca de la punta.
• Cumple las recomendaciones de ASME PTC 19.3 TW-2016 en aplicaciones de mayor caudal que los mangos rectos.

Aplicaciones:

• Preferible en tuberías de líquidos, gas o vapor de alta velocidad en las que la vibración mecánica sea un problema.
• Ampliamente utilizado en refinerías, plantas químicas y sistemas de generación de energía, especialmente cuando se requiere una alta fiabilidad del proceso.
• Una gran elección para los ingenieros que realizan análisis de frecuencia de estela y necesitan cumplir criterios de vibración sin cambiar los parámetros del proceso.

Limitaciones: 

• Ligeramente más caro debido a la complejidad del mecanizado.
• Sigue siendo necesaria una evaluación detallada de la frecuencia de las estelas para las instalaciones críticas.
  

3. Termopozos de vástago escalonado

Los termopozos escalonados pasan bruscamente de un diámetro mayor cerca del punto de montaje a un diámetro menor más cerca de la punta. Este diseño está pensado para maximizar la capacidad de respuesta del sensor, por lo que es ideal para aplicaciones en las que es crucial reaccionar con rapidez a los cambios de temperatura.

Ventajas:

• La respuesta térmica más rápida entre los tres tipos de mango, debido a la menor masa de la punta.
• Mayor sensibilidad y tiempos de lectura más rápidos, lo que los hace valiosos para los bucles de control de precisión.
• Reducción de la fuerza de inserción, lo que facilita la instalación en espacios reducidos o perforaciones más pequeñas.

Aplicaciones:

• De uso frecuente en laboratorios, plantas piloto y sistemas controlados donde la medición de la temperatura en tiempo real es crítica.
• Ideal para sistemas de líquidos con flujo estable y vibraciones mínimas.
• Adecuado para procesos por lotes o sistemas que requieren tiempos de ciclo cortos y una alta sensibilidad de medición.

Limitaciones:

• El cambio brusco de diámetro introduce puntos de concentración de tensiones, que pueden reducir la durabilidad mecánica bajo vibración.
• No se recomienda en sistemas de flujo pulsante o de alta velocidad, a menos que esté respaldado por un análisis de vibraciones o mecanismos de amortiguación.

Figura 2. Comparación del vástago del termopozo

Cálculos de la frecuencia de la estela

En un artículo anterior, describimos cómo se forma una estela detrás del termopozo cuando el fluido pasa por él, creando patrones de remolinos alternos, conocidos como desprendimiento de vórtices o estela de Von Kármán, que pueden hacer que el termopozo vibre u oscile.

Figura 2. 


La tasa de desprendimiento se calcula y se compara con la frecuencia natural del termopozo. Si la frecuencia de la estela es demasiado cercana a la frecuencia natural del termopozo, el desprendimiento del vórtice puede destruir el termopozo, lo que podría dañar el instrumento de temperatura y su proceso a medida que el vástago roto fluye por su sistema.

Por qué es importante calcular la frecuencia de la estela
La combinación del caudal, la densidad del fluido y la geometría del termopozo determina la probabilidad de que éste vibre en respuesta a las fuerzas inducidas por el caudal. Una evaluación inadecuada de la frecuencia de la estela en el campo ha provocado fallos en los termopozos. Es importante tener en cuenta que: 

• Incluso los termopozos correctamente instalados deben someterse a un análisis de frecuencia de estela para los sistemas de gran caudal.
• Los cálculos deben tener en cuenta la velocidad del flujo, la longitud de inserción, la ubicación del soporte y el método de montaje.
• El código ASME PTC 19.3 TW es la norma de referencia para evaluar la frecuencia natural del termopozo, la tensión bajo desprendimiento de vórtice, el límite de presión y la vida a fatiga en relación con la duración de servicio prevista. 

Nuevas tendencias en el diseño de termopozos
Los últimos avances en ingeniería de termopozos han introducido innovadores diseños de vástagos con formas helicoidales o de vórtice, denominados comúnmente termopozos de vórtice. Esta solución de vanguardia aborda las limitaciones de los diseños tradicionales en entornos de proceso exigentes y de alta velocidad, en los que los termopozos convencionales son incapaces de soportar las intensas tensiones inducidas por el flujo.

¿Quiere saber más?

Ahora conoce mejor los diferentes tipos de termopozos y cómo cada uno de ellos ofrece una combinación distinta de rendimiento mecánico, capacidad de respuesta térmica y adecuación a las diferentes condiciones de proceso. Si desea más información sobre los termopozos, estos artículos pueden interesarle:

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