Cuándo utilizar termopozos rectos, cónicos o escalonados

Debe utilizar termopozos rectos, cónicos o escalonados en función de la velocidad de flujo, la vibración y la capacidad de respuesta a la temperatura que pueda tolerar su aplicación.

Los termopozos desempeñan un papel fundamental en la protección de los sensores de temperatura frente a medios corrosivos, alta presión y velocidad de proceso, al tiempo que permiten una medición de la temperatura precisa y repetible. La selección de una geometría de vástago incorrecta puede provocar una vibración excesiva, tiempos de respuesta lentos o fallos mecánicos prematuros.

Como fabricante de instrumentos de medición de temperatura desde hace mucho tiempo, Ashcroft colabora estrechamente con ingenieros para garantizar que los pozos termométricos se seleccionen y validen para condiciones de funcionamiento reales, incluido el cumplimiento de las normas de diseño mecánico reconocidas.

En este artículo, aprenderá en qué se diferencian los vástagos rectos, cónicos y escalonados de los pozos termométricos, cómo afecta cada diseño a la resistencia, la resistencia a las vibraciones y el tiempo de respuesta, y cómo los cálculos de la frecuencia de estela influyen en la selección adecuada del pozo termométrico.

¿Cuáles son los diferentes tipos de diseños de vástagos para termopozos?

Los vástagos de los termopozos están disponibles en tres formas principales: rectos, cónicos y escalonados. Cada tipo ofrece características mecánicas y de rendimiento de medición distintas.

Si bien la selección de materiales y la conexión del proceso son importantes, la geometría del vástago del termopozo desempeña un papel fundamental en la forma en que el termopozo responde a las fuerzas inducidas por el flujo, los cambios de temperatura y la vibración. La forma del vástago influye directamente en la rigidez, la frecuencia natural y la masa térmica, factores que afectan a la fiabilidad a largo plazo.

Seleccionar el diseño correcto del vástago ayuda a equilibrar la protección del sensor, la durabilidad mecánica y el rendimiento de medición para la aplicación prevista.

Figura 1. Tres tipos de vástagos de pozo termométrico

La forma del vástago influye directamente en la resistencia del pozo termométrico al estrés inducido por el flujo, en la rapidez con la que responde a los cambios de temperatura y en su capacidad de integración con el instrumento de medición de temperatura.

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

¿Cuándo se debe utilizar un pozo termométrico de vástago recto?

Los termopozos de vástago recto deben utilizarse en aplicaciones estáticas o de baja velocidad en las que la vibración y la carga dinámica sean mínimas. Tienen un diámetro exterior constante desde la conexión al proceso hasta la punta. Su geometría uniforme proporciona un comportamiento mecánico predecible y un espesor de pared constante, lo que puede ser beneficioso en determinados entornos.

Ventajas principales de los termopozos de vástago recto

• Espesor de pared uniforme que garantiza la integridad estructural en servicios corrosivos o erosivos.
• Distribución estable de la masa que proporciona una transferencia de calor predecible en condiciones no turbulentas.

Aplicaciones típicas

• Ideal para condiciones estáticas o de baja velocidad, como mediciones en tanques o sistemas con turbulencias mínimas en el flujo.
• A menudo seleccionado para gas a baja presión, servicio con líquidos ligeros o aplicaciones en las que la carga dinámica es insignificante.

Limitaciones a tener en cuenta

• Frecuencia natural más baja en comparación con los diseños cónicos.
• Mayor susceptibilidad a la resonancia y a la fatiga por vibraciones en flujos de alta velocidad o pulsantes.
• No es adecuado para fluidos compresibles o procesos de flujo rápido sin validación mecánica.

¿Cuándo es mejor optar por un pozo termométrico con vástago cónico?

Los termopozos con vástago cónico son la opción preferida para la mayoría de las aplicaciones de flujo en las que se requiere resistencia a las vibraciones y fiabilidad mecánica. Su diseño reduce gradualmente el diámetro desde el punto de montaje hacia la punta, lo que aumenta la rigidez y mejora la dinámica del flujo. Esta geometría los convierte en el diseño de vástago más utilizado y ampliamente recomendado.

Ventajas principales de los termopozos con vástago cónico 

• Resistencia superior a las vibraciones en comparación con los vástagos rectos o escalonados. Esto ayuda a prevenir 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, gracias a la minimización de la masa térmica cerca de la punta.
• Cumple con las recomendaciones ASME PTC 19.3 TW-2016 en más aplicaciones de alto caudal que los vástagos rectos.

Aplicaciones comunes

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

Limitaciones a tener en cuenta

• Coste ligeramente superior debido a la complejidad del mecanizado.
• Aún se requiere una evaluación de la frecuencia de activación para servicios críticos o de alta energía.

¿Cuándo se debe utilizar un pozo termométrico con vástago escalonado?

Los termopozos con vástago escalonado deben utilizarse cuando es fundamental una respuesta rápida a la temperatura y la vibración inducida por el flujo es baja. Presentan una reducción brusca del diámetro cerca de la punta, lo que minimiza la masa térmica y permite que el sensor responda más rápidamente a los cambios de temperatura. Este diseño prioriza la capacidad de respuesta sobre la robustez mecánica.

Ventajas principales de los termopozos con vástago escalonado

• La respuesta térmica más rápida de los tres tipos de vástago.
• Sensibilidad mejorada para bucles de control de precisión
• Fuerza de inserción reducida, lo que puede simplificar la instalación en espacios reducidos o orificios más pequeños.

Aplicaciones típicas

• Se utiliza con frecuencia en laboratorios, plantas piloto y sistemas controlados donde la medición de la temperatura en tiempo real es fundamental.
• Ideal para sistemas de líquidos controlados con flujo estable y vibración mínima.
• Adecuado para procesos por lotes o sistemas que requieren tiempos de ciclo cortos y alta sensibilidad de medición.

Limitaciones a tener en cuenta

• El cambio brusco de diámetro introduce puntos de concentración de tensión, lo que puede reducir la durabilidad mecánica bajo vibración.
• No recomendado en sistemas de flujo pulsante o de alta velocidad, a menos que esté respaldado por análisis de vibraciones o mecanismos de amortiguación.

Figura 2. Comparación de vástagos de termopozos

¿Qué es una estela de pozo termométrico?

Una estela es la región de flujo recirculante que se forma inmediatamente aguas abajo de un pozo termométrico u otro cuerpo sólido a medida que el fluido del proceso pasa por él. A medida que el medio fluye a través del vástago del pozo termométrico, se producen vórtices alternos, lo que crea turbulencias que pueden hacer que el pozo termométrico resuene u oscile. Este fenómeno se conoce como desprendimiento de vórtices y el patrón resultante se denomina calle de vórtices de Von Kármán.

La tasa de desprendimiento se calcula y se compara con la frecuencia natural del pozo termométrico. Si la frecuencia de la estela es demasiado cercana a la frecuencia natural del pozo termométrico, el desprendimiento de vórtices puede destruir el pozo termométrico, lo que puede provocar daños en el instrumento de temperatura y en el proceso, ya que el vástago roto fluye a través del sistema.

Figura 3. Ilustración de la turbulencia de estela.

¿Por qué son importantes los cálculos de frecuencia de despertar para la selección de termopozos?

Los cálculos de la frecuencia de estela son fundamentales, ya que determinan si un pozo termométrico puede soportar de forma segura las fuerzas inducidas por el flujo durante su vida útil.

Incluso los pozos termométricos instalados correctamente pueden fallar si no se realiza un análisis de la frecuencia de estela en sistemas de alto flujo o alta energía. Estos cálculos evalúan la relación entre la frecuencia de desprendimiento de vórtices y la frecuencia natural del pozo termométrico.

Entre las consideraciones importantes se incluyen:

• Velocidad del flujo y densidad del fluido
• Longitud de inserción y condiciones de soporte
• Método de montaje y conexión del proceso

La norma ASME PTC 19.3 TW es ampliamente reconocida como el punto de referencia del sector para evaluar la resistencia de los pozos termométricos, los límites de vibración, la capacidad de presión y la vida útil en relación con la duración prevista del servicio.

¿Cómo están evolucionando los diseños de los termopozos para aplicaciones de alta velocidad?

Los recientes avances en ingeniería de termopozos han introducido diseños innovadores de vástagos con geometrías helicoidales o de vórtice, comúnmente conocidos como termopozos de vórtice. Estos diseños avanzados modifican el patrón de estela alrededor del vástago para reducir las fuerzas de desprendimiento de vórtices y resistir mejor las intensas tensiones inducidas por el flujo. Como resultado, se aplican cada vez más en servicios de velocidad extrema o alta densidad, donde los termopozos convencionales rectos, cónicos o escalonados no pueden cumplir de forma segura los requisitos de vibración y fatiga.Los recientes avances en ingeniería de termopozos han introducido diseños innovadores de vástagos con geometrías helicoidales o de vórtice, comúnmente conocidos como termopozos de vórtice. Estos diseños avanzados modifican el patrón de estela alrededor del vástago para reducir las fuerzas de desprendimiento de vórtices y soportar mejor las intensas tensiones inducidas por el flujo. Como resultado, se aplican cada vez más en servicios de velocidad extrema o alta densidad, donde los termopozos convencionales rectos, cónicos o escalonados no pueden cumplir de forma segura los requisitos de vibración y fatiga.

¿Quiere saber más?

Ahora tiene un conocimiento más profundo de los diferentes tipos de vástagos de termopozos y de cómo cada uno de ellos ofrece una combinación distinta de rendimiento mecánico, capacidad de respuesta térmica e idoneidad para diferentes condiciones de proceso. Para obtener más información sobre los termopozos y otros instrumentos de medición de temperatura, consulte los recursos adicionales que se incluyen a continuación. 

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