Una guía técnica sobre cómo se verifican la flexibilidad, el diseño de los dispositivos de sujeción y las cargas de los equipos en las redes de distribución de refrigeración urbana y en las tuberías internas de agua refrigerada sometidas a cargas combinadas.
Resumen ejecutivo
- El análisis de tensiones en las tuberías de agua refrigerada es un problema de cargas combinadas: las cargas continuas (presión, peso), térmicas (en funcionamiento y transitorias) y las provocadas por desplazamientos (asentamiento, movimiento de los equipos) interactúan entre sí y deben analizarse conjuntamente.
- Las redes de distribución y las tuberías internas de las plantas o edificios presentan fallos de diferentes formas: las tuberías enterradas dependen de la resistencia del suelo, el asentamiento y la estrategia de anclaje, mientras que los sistemas aéreos dependen del comportamiento de los soportes, la gestión de la dilatación y el control de la carga en las boquillas.
- El cambio de temperatura es solo uno de los factores; los casos más complicados se deben a los cambios de modo (puesta en marcha/parada, carga/descarga del TES, variaciones estacionales del punto de consigna), en los que los gradientes y los desplazamientos impuestos provocan fatiga y sobrecarga de las fijaciones.
- Un modelo fiable parte de los límites y las interfaces: qué es “rígido” (estructuras civiles), qué es flexible (tuberías, uniones) y por dónde pueden transmitirse las cargas (anclajes, guías, boquillas de los equipos, intercambiadores de calor ETS).
- El diseño de los soportes y los sistemas de sujeción debe considerarse parte de los resultados del análisis, y no una mera tarea de dibujo técnico: las holguras de las guías, la fricción, la elección de los resortes y la rigidez de los anclajes modifican de forma significativa las tensiones calculadas y las cargas sobre las toberas.
- La vía más rápida hacia la repetición del trabajo son las hipótesis discordantes entre los diseños de estructuras de resistencia, ingeniería civil y tuberías (por ejemplo, un asentamiento no modelizado, parámetros del suelo incorrectos o suponer una dilatación ‘libre’ en una penetración que, en realidad, está fijada).
- En el diseño de las tuberías de refrigeración urbana, los documentos técnicos sobre tensiones que deben resistirse durante la construcción incluyen: casos y combinaciones de carga, tabla de restricciones, planos de soportes con holguras y ajustes, informes de carga en las boquillas y una lista clara de tolerancias de obra y puntos críticos de control.
Por qué el análisis de tensiones en los sistemas de agua refrigerada es un tema de actualidad en las redes de distribución
Las tuberías de agua refrigerada son muy exigentes desde el punto de vista mecánico cuando son largas, están sujetas y conectadas a equipos sensibles. Las redes modernas de refrigeración urbana también funcionan en más modos que el simple supuesto de “encendido al caudal de diseño”: las temporadas de carga parcial, las plantas por etapas, la carga y descarga del almacenamiento de energía térmica (TES) y las frecuentes secuencias de arranque y parada modifican la temperatura, el caudal y las condiciones límite. Esos cambios se traducen en ciclos de desplazamiento y cargas de restricción que pueden pasarse por alto fácilmente si el análisis de tensiones se reduce a una única comprobación de expansión en estado estacionario.
Esta guía técnica está dirigida a ingenieros y revisores que ya cuentan con conocimientos sobre el trazado de tuberías y la hidráulica, y que necesitan un método práctico y fundamentado para el análisis de tensiones en tuberías de agua refrigerada en dos ámbitos: (1) redes de distribución enterradas y (2) tuberías internas en superficie en plantas, salas de sistemas de tratamiento de aire (ETS) y edificios. Se centra en la definición de cargas, las opciones de modelización, el comportamiento de las restricciones y los apoyos, y las comprobaciones de conformidad (tensiones, desplazamientos y cargas en las boquillas de los equipos).
Para obtener más información sobre la arquitectura de red de distrito y las interfaces, consulta el artículo de Azura sobre Refrigeración urbana. Este artículo profundiza en el aspecto de la integridad mecánica que subyace al diseño de las tuberías de refrigeración urbana y al análisis de la flexibilidad de las tuberías de agua refrigerada.
Qué abarca el “análisis de tensiones” en los sistemas de agua refrigerada (y qué no abarca)
En este contexto, el “análisis de tensiones” consiste en verificar el comportamiento mecánico del sistema de tuberías bajo casos y combinaciones de carga definidos, y en obtener resultados de diseño que permitan su construcción y funcionamiento. La calidad del análisis depende directamente de la definición de las condiciones de contorno: qué elementos están conectados, cuáles se mueven, cuáles están fijados y qué cargas se permiten transmitir.
Objetivos típicos de verificación
- Cumplimiento de la normativa relativa a las tensiones en tuberías, accesorios y derivaciones sometidas a cargas sostenidas y provocadas por desplazamientos (por ejemplo, ASME B31.3 / B31.1, en función de la base de diseño del proyecto).
- Adecuación del soporte y la sujeción: cargas de anclaje, cargas de guía, efectos de fricción, dimensiones y recorrido de los resortes, y cargas en la interfaz estructural.
- Protección de los equipos: cargas y momentos en las boquillas de las bombas, los enfriadores/intercambiadores de calor, las boquillas de los depósitos de almacenamiento térmico (TES) y los módulos prefabricados; además de las implicaciones en la alineación de la carcasa, cuando proceda.
- Control del desplazamiento: movimientos previstos en las penetraciones, las juntas de dilatación (si se utilizan), los conectores flexibles y las interfaces del edificio.
- Evaluación del riesgo de fatiga en los casos en que los ciclos térmicos o los cambios de modo provocan rangos de desplazamiento repetidos (la carga y descarga en el ensayo TES es un factor habitual).
Lo que no sustituye
- Diseño hidráulico (caudales, ΔP, selección de bombas) y análisis de sacudidas hidráulicas y golpes de ariete: se trata de disciplinas distintas, aunque sus situaciones pueden dar lugar a casos de carga ocasionales.
- Comportamiento térmico/hidráulico en el interior de los depósitos de almacenamiento de energía térmica (TES) —véase el diseño del difusor de almacenamiento de energía térmica y la verificación mediante CFD—; en este contexto, las cargas de la interfaz mecánica en las boquillas del depósito son importantes, pero el comportamiento interno del TES es un tema aparte.
- Diseño civil/estructural: sin embargo, el análisis de tensiones debe utilizar los datos introducidos en el módulo civil (asentamiento, rigidez, detalles de penetración) y devolver las cargas al módulo civil/estructural.
Casos de carga que rigen realmente las redes de agua refrigerada
Un conjunto de cargas prácticas para sistemas de agua refrigerada debe reflejar cómo está construido y cómo funciona el sistema, y no solo los datos de la ficha técnica del punto de diseño. Un error habitual es considerar que las tuberías enterradas son “fijas” y las aéreas “libres para expandirse”; en los proyectos reales, ambas están parcialmente restringidas, y son la fricción y la rigidez las que determinan dónde se aplica la carga.
Cargas continuas (siempre presentes)
- El peso propio de la tubería, el aislamiento y cualquier sistema de calefacción de la tubería o revestimiento, en su caso.
- Peso del fluido en condiciones de funcionamiento, de ensayo hidráulico y de drenaje (el drenaje puede constituir un caso de carga sostenida independiente si los soportes son sensibles).
- Presión interna, incluida la presión de empuje que se produce en los cambios de dirección si el sistema incluye juntas de dilatación o acoplamientos flexibles que no absorben por sí mismos el empuje.
Cargas de desplazamiento térmicas y operativas
- Variación de la temperatura de funcionamiento desde el momento de la instalación hasta el funcionamiento normal (incluida una temperatura realista durante la construcción, no un valor arbitrario de 20 °C).
- Etapas de cambio de modo en función de la temperatura: arranque/parada, reajuste estacional de la temperatura de suministro y transiciones de carga/descarga del sistema de almacenamiento térmico (TES), en las que las temperaturas de retorno pueden oscilar.
- Los gradientes térmicos en las interfaces (por ejemplo, los colectores de la sala de máquinas, las conexiones de los intercambiadores de calor del sistema ETS y las boquillas del sistema TES) pueden generar una demanda de flexión local, incluso cuando la diferencia de temperatura (ΔT) global es moderada.
Desplazamientos impuestos (las cargas ‘civiles’ que dan lugar a trabajos de corrección)
- Asentamiento del terreno a lo largo de los trazados subterráneos, incluido el asentamiento diferencial en los cruces con carreteras, los corredores de servicios públicos y las transiciones hacia edificios o fosas.
- Movimiento de la obra en las penetraciones (juntas de dilatación térmicas y estructurales) y movimiento relativo entre estructuras adyacentes.
- Desplazamientos de los equipos: desplazamiento de la plataforma de la bomba debido a la dilatación térmica, desplazamiento diferencial del intercambiador de calor y desplazamientos admisibles según los datos del fabricante, cuando se hayan facilitado.
- Casos de tolerancia en la construcción: desalineación en las uniones, fuerzas de acoplamiento de los tramos y desviaciones en la cota de los soportes ‘tal y como se han construido’, que pueden aplicar una precarga al sistema.
Enfoque de modelización: definición de límites, comportamiento de las restricciones e interfaces
El valor de un modelo de tensiones no reside en el gráfico de colores, sino en la trazabilidad de los supuestos. En las redes de refrigeración urbana, las interfaces son fundamentales: las transiciones de soterrado a aéreo, las conexiones al sistema de transporte de energía (ETS) y los colectores de las instalaciones suelen ser más determinantes que los tramos rectos largos.
Una secuencia de modelización fundamentada
- Define los límites del sistema y divide el modelo en subsistemas lógicos: red principal de distribución, ramal hacia el sistema de almacenamiento térmico (ETS), colectores de la sala de instalaciones, conexiones al sistema de almacenamiento térmico (TES) y tuberías verticales y ramales internos del edificio. Cada subsistema debe tener puntos de conexión claros y una rigidez estimada.
- Establecer las condiciones de instalación: rango de temperatura ambiente durante la construcción, configuración de los soportes (frío frente a calor) y si el sistema se monta ‘en el aire’ antes de fijar los soportes definitivos.
- Modela explícitamente el comportamiento de las restricciones: rigidez de los anclajes (que no siempre es infinita), holguras de las guías, topes de línea, coeficientes de fricción y características de los apoyos elásticos. Considera la ‘guía’ como una restricción direccional con una holgura real, y no como una restricción genérica de nodo.
- Indique las conexiones de los equipos con la rigidez adecuada y las cargas admisibles en las boquillas. Cuando no se disponga de datos del proveedor, utilice hipótesis conservadoras y señálelas como puntos de suspensión de la adquisición.
- En el caso de los tramos enterrados, define los parámetros del modelo de suelo y el alcance de la restricción del suelo. Evita tratar todo el tramo enterrado como totalmente fijo, salvo que esté justificado; las transiciones y los pozos suelen comportarse de forma diferente.
Cuando se utilizan herramientas especializadas (por ejemplo, CAESAR II o ROHR2), el criterio técnico reside en los datos introducidos. El software siempre generará cifras; la cuestión es si las hipótesis sobre restricciones y condiciones de contorno reflejan la realidad del proyecto. El contexto más amplio de las capacidades de Azura para el análisis de tensiones y otros análisis relacionados se describe en Servicios de ingeniería especializados.
Redes de distribución: tuberías enterradas, contención del suelo y tensiones provocadas por el asentamiento
En el diseño de las tuberías de refrigeración urbana, a menudo se da por sentado que la red enterrada es “estable”, ya que está apoyada de forma continua sobre el suelo. Esa suposición deja de ser válida en los puntos de discontinuidad: fosas, cámaras, cruces con carreteras, tuberías de revestimiento, entradas a edificios y cualquier lugar en el que cambie la sujeción del suelo o la tubería se desprenda localmente.
¿Qué es lo que suele regir en los sistemas de agua refrigerada enterrados?
- Asentamiento diferencial y desplazamiento impuesto en las zonas de transición (de enterrado a en superficie, fosas y penetraciones en edificios).
- Estrategia de anclaje y sujeción: dónde se permite que se acumulen las cargas axiales y dónde se liberan; una colocación inadecuada de los anclajes puede hacer que las cargas se trasladen a las interfaces entre el sistema de transporte de energía (ETS) y la central.
- Supuestos sobre la resistencia del suelo: la rigidez y la fricción varían en función del relleno, la compactación, la humedad y de si la tubería se encuentra en un conducto o en una cubierta protectora.
- Flexión local en los accesorios y ramales en fosos con restricciones, donde la geometría cambia pero el movimiento está limitado.
Aportaciones que deben proceder del sector civil y de la construcción
- Zonas susceptibles de asentamiento y lugares en los que se prevé un movimiento diferencial (incluidas las redes de servicios públicos adyacentes y las obras de construcción de carreteras).
- Detalles sobre los tramos de revestimiento o conducto, los sistemas de aislamiento y si se permite que la tubería se deslice con respecto al revestimiento.
- La geometría de la cámara o foso y la forma en que se construyen realmente los soportes y las sujeciones (fijados con abrazaderas, guiados o simplemente apoyados).
Las hipótesis sobre la carga a nivel de red deben ajustarse al concepto general del sistema de refrigeración urbana y a su planificación por fases. Las páginas de información general existentes en Diseño de sistemas de refrigeración urbana y Soluciones de energía urbana abarcan el contexto general del sistema; este artículo se centra en cómo esas decisiones relativas a la red se traducen en restricciones mecánicas y cargas en las interfaces.
Tuberías internas: salas de instalaciones, interfaces ETS y control de la carga de boquillas
Las tuberías internas de agua refrigerada suelen ser el lugar donde se hacen evidentes los problemas de tensiones: movimientos en las penetraciones, vibraciones o sacudidas de los soportes, fugas en las bridas tras los ciclos térmicos y problemas de alineación de los equipos. A menudo, estos problemas se deben a un comportamiento de las restricciones que se dio por supuesto en lugar de especificarse.
Interfaces que merecen una atención especial a la hora de modelarlas
- Succión/descarga de la bomba: dilatación térmica de los colectores, ajustes en primavera, cuando hace frío, y si se utilizan conectores flexibles (y cómo afectan estos a la fuerza de empuje y a la rigidez).
- Enfriadoras e intercambiadores de calor de placas: límites de carga de las boquillas, movimiento diferencial entre el bastidor y la estructura del edificio, y rigidez de las tuberías conectadas.
- Estaciones de transferencia de energía (ETS): regímenes de temperatura en el lado del edificio frente a los del lado de la red, y cómo se sujetan las válvulas de aislamiento y los filtros para evitar cargas en voladizo.
- Conexiones del depósito TES: cargas en las boquillas y rangos de desplazamiento cíclico durante la carga y descarga; se mantiene la estabilidad de la interfaz mecánica incluso cuando cambian los modos de funcionamiento; el comportamiento hidráulico en el interior del depósito se tiene en cuenta en el diseño del difusor y en la verificación mediante CFD.
Modos de fallo habituales cuando el análisis es incompleto
- Accesorios y conexiones de derivación sometidos a una tensión excesiva debido a un desplazamiento impuesto no tenido en cuenta en las penetraciones o los patines.
- Fallos en los soportes o anclajes agrietados en los casos en que no se especificaron las holguras de fricción o guía y el sistema se ‘bloqueó’ durante los cambios de temperatura.
- Cargas excesivas en las toberas que provocan fugas en las juntas, problemas en el conjunto de placas del intercambiador o deformación y desalineación de la carcasa de la bomba.
- Fatiga en las conexiones de pequeño diámetro (ventilaciones, desagües, derivaciones de instrumentos) cuando se producen ciclos térmicos frecuentes.
Ciclos térmicos y modos de funcionamiento: dónde los sistemas de agua refrigerada corren riesgo de fatiga
El problema de la fatiga en los sistemas de agua refrigerada rara vez se debe a una alta intensidad de esfuerzo; se debe más bien a rangos de desplazamiento repetidos en las mismas discontinuidades geométricas. Un sistema que funciona correctamente en un caso de estado estacionario puede acabar agrietándose con el tiempo si se somete a ciclos diarios y la disposición de las restricciones concentra el movimiento en unos pocos puntos.
Convertir los modos de funcionamiento en casos de estrés
- Define pares de temperaturas realistas para cada transición entre modos (por ejemplo, de ‘inactivo’ a ‘normal’, de ‘normal’ a ‘descarga TES’), y no solo las temperaturas mínimas y máximas de diseño.
- Incluir los casos de desplazamiento impuesto en los que el cambio de modo también modifica la rigidez de los límites (por ejemplo, la apertura o el cierre de válvulas, que modifica qué colectores reciben el caudal y la temperatura).
- Comprueba que las conexiones de pequeño diámetro y las derivaciones no presenten fatiga por desplazamiento cuando la frecuencia de ciclo sea elevada.
- Cuando haya un sistema TES, preste especial atención a la interfaz del depósito y a los colectores adyacentes: la carga y la descarga pueden provocar oscilaciones locales de temperatura, incluso si la temperatura de suministro de la red se mantiene estable.
Cuando los proyectos también presentan requisitos de fiabilidad muy estrictos (por ejemplo, la necesidad de refrigeración continua en instalaciones de misión crítica), los modos de funcionamiento pueden ser más dinámicos que los propios de la refrigeración habitual para el confort. La filosofía subyacente es similar al diseño orientado a la resiliencia que se analiza en Clasificación por niveles del centro de datos, aunque el ámbito de aplicación sea diferente.
Marco de decisión: una lista de comprobación para el análisis de tensiones que abarca las fases de diseño, construcción y explotación
1) Definir el contorno y las interfaces
- Enumera todos los equipos y las interfaces estructurales (bombas, intercambiadores, boquillas TES, penetraciones en el edificio, transiciones entre la parte enterrada y la parte aérea).
- Para cada interfaz, define: la hipótesis de rigidez, los movimientos admisibles y las cargas admisibles (o el punto de control de la adquisición, si se desconoce).
2) Elaborar el conjunto de casos de carga a partir de datos reales
- Pruebas de resistencia: peso (en funcionamiento, prueba hidráulica, en vacío), presión, aislamiento.
- Térmico: desde la instalación hasta el funcionamiento, además de las transiciones entre modos (arranque/parada, reajuste estacional, carga/descarga del sistema de almacenamiento térmico).
- Desplazamiento impuesto: envolventes de asentamiento, movimientos de edificios, movimientos de deslizamiento, tolerancias de construcción.
- Ocasionalmente: fenómenos sísmicos o eólicos, cuando proceda, eventos de socorro y situaciones de marejada, siempre que generen cargas mecánicas significativas.
3) Mostrar las restricciones de los modelos a medida que se van creando
- Anclajes: rigidez y trayectoria de la carga hacia la estructura; evitar los anclajes ‘infinitos’ sin confirmación estructural.
- Guías/puntos de parada: especifica las distancias y las direcciones; incluye la fricción y las superficies de deslizamiento cuando sea pertinente.
- Resortes: elíjalos en función de la carga de funcionamiento y la carrera; documente los ajustes en frío y en caliente, así como los requisitos de ajuste in situ.
4) Cerrar el ciclo con los resultados esperados y los puntos de control
- Plano de sujeción y apoyo con cargas y orientaciones; planos de apoyo que incluyan huecos y ajustes.
- Informe sobre la carga de las boquillas por equipo, con los supuestos claramente indicados.
- Informe sobre movimientos de penetración (movimientos previstos y espacios libres necesarios).
- Puntos clave de la obra: ‘no aplicar lechada’ hasta que se haya comprobado la alineación; ‘no apretar definitivamente’ hasta que se haya comprobado el estado en caliente/frío; comprobar las cotas de los soportes ‘tal y como están construidos’ antes de la prueba hidráulica.
¿Necesitas un modelo de tensiones que se ajuste a la realidad del emplazamiento?
Azura ofrece soporte para redes de agua refrigerada y tuberías de instalaciones y edificios mediante análisis de flexibilidad, diseño de fijaciones y verificación de la carga en las boquillas de los equipos para proyectos de refrigeración urbana.
En qué aspectos este trabajo resulta más relevante en los proyectos de refrigeración urbana
En la ejecución de la obra, los momentos de mayor riesgo son predecibles: las primeras conexiones entre las tuberías principales enterradas y las salas de instalaciones o de sistemas de control electrónico (ETS), los primeros ciclos térmicos tras la puesta en servicio y cualquier ampliación posterior de la red que modifique las condiciones límite. Los cálculos de esfuerzos que no tengan en cuenta las hipótesis de asentamiento de la obra civil, los detalles de penetración o los datos de adquisición de equipos suelen reaparecer en forma de consultas in situ y limitaciones a la hora de realizar modificaciones posteriores.
- Concepto y planificación de las etapas de la vía: determinar dónde serán necesarios los anclajes, las cámaras y los detalles de transición antes de fijar la vía.
- Modelización detallada y análisis de flexibilidad (flujos de trabajo CAESAR II / ROHR2) con comportamiento de restricción explícito y envolventes de asentamiento.
- Resultados del diseño de soportes y fijaciones que sean viables para la construcción: holguras, ajustes y traspasos de cargas estructurales.
- Verificación de la interfaz de los equipos: cargas de las boquillas en las bombas, los intercambiadores de calor y las conexiones del sistema de almacenamiento térmico (TES), con puntos de control de la adquisición en los que se requieren límites por parte de los proveedores.
Esto se suma al trabajo más amplio de Azura en el ámbito de la ingeniería de redes de energía de distrito y a la capacidad de análisis especializado descrita en Servicios de ingeniería especializados, y complementa las actividades de diseño de sistemas de refrigeración urbana tratadas en Diseño de sistemas de refrigeración urbana.
Conclusión
El análisis de tensiones en las tuberías de agua refrigerada suele tratarse como una simple comprobación de la expansión térmica; sin embargo, las redes de distribución y las tuberías internas de las instalaciones o edificios están sometidas a cargas combinadas: peso y presión continuos, desplazamientos impuestos por el asentamiento y el movimiento de los equipos, y ciclos térmicos determinados por los modos. La tarea de ingeniería consiste en definir de forma realista los límites y el comportamiento de las restricciones, para luego verificar las tensiones, los desplazamientos y las cargas en las boquillas según criterios de aceptación explícitos.
Los proyectos que evitan tener que volver a calcular las restricciones en fases avanzadas son aquellos que consideran los soportes y anclajes como parte de los resultados del análisis, armonizan desde el principio los supuestos de ingeniería civil y de instalaciones (MEP) y traducen los modos de funcionamiento (incluidas las transiciones TES) en casos de carga. Cuando se aplica esta disciplina, el paquete de tensiones se convierte en una herramienta para la construcción y la explotación, y no solo en un informe de cálculo.
Reducir las modificaciones en los sistemas de sujeción y los fallos de interfaz.
En el caso de los sistemas de refrigeración urbana y de agua refrigerada interna en los que el asentamiento, los ciclos de funcionamiento o las cargas de los equipos son factores importantes, Azura puede ofrecer análisis de tensiones y un diseño de soporte coordinado que se ajuste a las restricciones de entrega.
Referencias
- ASME B31.3 — Tuberías de proceso — ASME (1 de enero de 2024)
- ASME B31.1 — Tuberías para centrales eléctricas — ASME (1 de enero de 2024)
- EN 13941 — 1:2019 — Tuberías de calefacción urbana — Diseño e instalación de sistemas de tuberías con aislamiento térmico adherido para redes enterradas directamente — CEN / BSI (25 de septiembre de 2019)
- Guía de buenas prácticas sobre refrigeración urbana — Asociación Internacional de Energía Urbana (IDEA) (1 de enero de 2020)
- CAESAR II — Descripción general del producto y recursos técnicos — Hexagon (1 de enero de 2025)
