Revista Industrial Data 24(2): 7-27
(2021)
DOI: https://doi.org/10.15381/idata.v24i2.18756
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN:
1810-9993 (Electrónico)
Recibido: 17/09/2020
Aceptado: 19/08/2021
Publicado: 31/12/2021
Ventajas fundamentadas y consideraciones
del sistema de tuberías de polipropileno beta nucleado frente al acero
inoxidable
Pedro Angel Toribio Pando
Pablo Santa Cruz Roldán
Alberto Landauro Abanto
RESUMEN
El
polímero es un material termoplástico que puede cristalizarse en las siguientes
formas: α (monoclínica), β (trigonal) y ϒ (ortorrómbica); estas formas poseen
características que aportan propiedades fisicoquímicas específicas en una misma
formulación. La forma
cristalina α se encuentra en mayor proporción y es la más estable y sencilla de
producir. Sin embargo, en las materias primas de las tuberías de polipropileno
beta nucleado y monocapa RP (Resistente a la presión) y tuberías de fibra de polipropileno
RP, se realizan los procesos necesarios para producir estructuras β en
posiciones donde lo más sencillo sería disponer de cristales α, ya que este
proceso favorece la formación de una estructura cristalina hexagonal estable,
fina y una distribución de tamaño homogénea. Estos
atributos derivan en una optimización de las prestaciones mecánicas del
sistema, en la que una mezcla de estas formas (α y β) va a proporcionar una
propiedad termo-mecánica muy óptima.
Palabras
clave: PP-R
(Polipropileno), trasiego, biocida, austeníticos, biocapa.
INTRODUCCIÓN
El
inventor estadounidense John Hyatt diseñó el celuloide, que es un material
plástico y cuya composición consta de una disolución constituida por
carbohidrato proveniente de las plantas, celulosa y una mezcla de alcohol
etílico y alcanfor; asimismo, recibe el nombre de “material termoplástico” debido
a su propiedad de ser moldeado y suavizado cuando se expone al calor (Concha,
2014).
Posteriormente
llegaría en 1907 la baquelita, un invento de Leo Baekeland, que fue calificada
como el primer plástico termoestable o termofijo, es decir, que es moldeable
cuando se funde. Para 1930, en Inglaterra se fabricó por primera vez el
polietileno (PE), un termoplástico resultado de la polimerización del gas
etileno sometido a presión y calor. Alrededor de 1950 se creó de manera similar
el polipropileno, resultado del mismo proceso aplicado al propileno.
Actualmente este termoplástico parcialmente cristalino es clasificado como una
poliolefina y su uso es muy recurrente para múltiples aplicaciones (Concha,
2014). Según sus propiedades, las aplicaciones industriales están más asociadas
al uso en el transporte de ácidos y bases, incluso a altas temperaturas (Concha,
2014).
El sistema
de tuberías de polipropileno beta nucleado es una de las mejores elecciones para
la fabricación de tuberías destinadas al trasiego de fluidos como, por ejemplo,
el agua potable. El rango de trabajo en cuanto a presión y temperatura del PP-R
(Polipropileno Copolímero Random) del sistema de tuberías de polipropileno beta
nucleado es totalmente compatible con los tratamientos para prevenir la contaminación
por Legionella durante el mantenimiento de las tuberías como, por ejemplo, el
choque térmico.
Esto
significa que la prevención de la legionelosis se encuentra bajo constante
evaluación y, en consecuencia, presenta cambios periódicos. Este tema es más
relevante en países donde existe relación entre el desarrollo de las
enfermedades y la industria del país. Dicha relación no es observable en otros
países, ya sea por la falta de análisis o porque la contaminación por
Legionella no es frecuente. En efecto, el control continuo, las nuevas
estrategias y la evaluación resultan en una buena prevención de contraer
enfermedades como la legionelosis. Es un hecho que la conservación de los equipos
y las condiciones de su entorno son importantes; sin embargo, en el ámbito urbano,
el mal es causado por malos diseños de la edificación, inadecuada construcción
y descuido del control de la calidad del agua de las instalaciones (Gea,
Mezones, y Haro, 2012).
En suma,
el PP-R del sistema de tuberías de polipropileno beta nucleado cumple con el
Decreto Supremo N.° 031-2010 (2010), en donde se imponen las normativas acerca de la
administración de la calidad de agua con fines de consumo humano, con el objetivo
de asegurar su inocuidad, evitar riesgos para la salud humana y así mantener la
salubridad en la población.
El uso de
ClO2 no es recomendable para la desinfección del agua de consumo.
Históricamente,
los metales han sido siempre la primera opción en la elección de materiales
para fontanería. Sin embargo, tal y como se ha visto, los polímeros técnicos
han ido sustituyéndolos. A diferencia de lo que su propio nombre especifica, el
acero inoxidable no es inoxidable. Lo que permite que tenga este nombre es que,
en comparación con el acero normal, puede soportar mucho más tiempo ante unas
mismas condiciones de trabajo antes de mostrar signos de fatiga. Sin embargo,
no todos los aceros inoxidables tienen las mismas propiedades ni, por supuesto,
calidades.
Los aceros
inoxidables austeníticos son los más comunes, de los cuales, la serie 300 es el
subgrupo más grande y, dentro de este, el AISI 304, seguido por el AISI 316, son
sus dos referencias más comunes, cuyo alto contenido en cromo y níquel aumentan
su resistencia a la corrosión. Además, el manganeso, fósforo, sulfuro y silicio
también están integrados a su composición química, que de forma general es
hierro (Goodfellow, s.f.a; Goodfellow, s.f.b). Las diferencias entre ambas
aleaciones pueden ser considerables, dependiendo de la instalación, siendo la
más notable el contenido de molibdeno en el AISI 316, que mejora la resistencia
a la corrosión con respecto al AISI 304 en ambientes salinos o expuestos a
soluciones de cloruro, que son los más perjudiciales para el acero inoxidable.
Esta
investigación se realiza con el fin de concientizar a los profesionales de
todas las ramas de ingeniería (proyectistas, contratistas, propietarios,
consultores, etc.) de que existe una alternativa para diseñar o construir un
proyecto que cumpla con todos los requisitos técnicos e incluso los supere, ya
que las tuberías de polipropileno beta nucleado duran muchos años, a diferencia
de una tubería de acero inoxidable que, a pesar de todo, se deteriorará.
Corrosión
en acero inoxidable
El
acero tiende a oxidarse cuando queda expuesto al ambiente, puesto que entra en
contacto con el oxígeno y el vapor de agua presente en el aire, los cuales causan
la formación de óxidos e hidróxidos de hierro en su superficie. Si no se frena,
la oxidación penetra en todo el espesor de metal hasta corroerlo en su
totalidad; por este motivo, existe una infinidad de estrategias para evitar que
suceda.
El acero
inoxidable se tiende a pasivar antes de permitir que la corrosión penetre su
pared, de modo que se forma una fina película de óxido de cromo, la cual es más
resistente a la corrosión; cuando esta película de óxido de cromo se elimina, vuelve
a formarse al entrar el cromo en contacto con el oxígeno. Sin embargo, tal y
como se ha comentado anteriormente, los aceros inoxidables siguen siendo
vulnerables a la corrosión, que puede presentarse mediante distintos
mecanismos:
a) Corrosión intergranular
Un tratamiento inadecuado (incluidos tanto las temperaturas
usadas durante la fabricación del acero como los procedimientos de
calentamiento durante las soldaduras) puede producir retículas con alta
concentración en carbono, lo que promueve la corrosión intergranular. En estas
condiciones, la superficie permite la oxidación del metal en condiciones
corrosivas y reduce su vida útil en muchos ambientes relativamente ligeros.
b)
Corrosión
galvánica
La corrosión galvánica se produce de
forma localizada y en distintas condiciones. Uno de los casos más comunes ocurre
cuando dos metales distintos están en contacto directo (como es el caso de las
uniones roscadas con válvulas de latón y tuberías de acero inoxidable o cobre); esta acción incrementa cuando se
encuentran en ambientes húmedos o sumergidos en soluciones de electrolitos.
En un medio corrosivo, esta situación se
agrava exponencialmente, lo que resulta en la disolución del electrodo anódico,
mientras que el cátodo permanece inalterable. Los factores que influencian en
mayor proporción el par galvánico son:
·
Conductividad del
fluido.
·
Diferencia de
potenciales de reducción de metales en contacto directo.
·
Polarización.
·
Áreas relativas del
cátodo y ánodo en suma relación geométrica entre superficies de contacto.
c)
Aireación
diferencial
Una partícula semiincrustada en la superficie puede ser
suficiente para eliminar la capa protectora de óxido de cromo. A pesar de que
la partícula haya sido eliminada, su acción de atacar la superficie continúa, ya
que se ha constituido una celda electrolítica duradera entre la porción de
superficie anódica atacada y la vasta área catódica.
d)
Picadura
Las soluciones de cloruros suelen causar corrosión por
picadura en la superficie de contacto con acero inoxidable, que se ve
prácticamente atacado mediante picaduras en las que se pueden desarrollar
celdas electrolíticas.
Los cloruros ácidos, como el cloruro de hierro (III) y el
cloruro de sodio, son dos de los compuestos que con mayor frecuencia promueven este
tipo de corrosión, aunque cualquier cloruro en concentración apreciable puede
causarla. Muchas veces los cloruros son el factor crítico en situaciones donde
no se esperaría ver corrosión en el acero inoxidable.
e)
Corrosión
por fatiga
Aunque el usuario común no sea consciente de su existencia,
la corrosión por fatiga es otro de los riesgos que suele promover y facilitar
la presencia de corrosión en una tubería de acero inoxidable. Casi todos los
metales y aleaciones pueden fallar al agrietarse a nivel microscópico en condiciones
que impliquen la existencia de tensiones en un medio ligeramente oxidante. En
este caso, también las soluciones de cloruros son uno de los medios más
perjudiciales.
f)
Corrosión
inducida por actividad microbiológica (MIC, por sus siglas en inglés)
Debido a distintas evidencias, se ha empezado a sostener
firmemente que muchos de los casos, en los que los procesos termodinámicos no explicaban
la causa de la corrosión, pueden estar ocasionados por biofilms en la llamada
Microbiology Influenced Corrosion (MIC). Actualmente, es objeto de múltiples
investigaciones, desde distintos frentes.
Existen diversas causas para la propagación del material
biológico en este tipo de corrosión; estas dependen de la bacteria responsable
y de la morfología final de la superficie del metal. Por ejemplo, el Fe2+,
ion comúnmente considerado un biocida, tiende a atraer bacterias reductoras de
hierro que, por el contrario, lo usan en su metabolismo.
Una vez creado el biofilm, que se compone principalmente de
agua, el ambiente se ve modificado radicalmente; así, el biofilm actúa como
electrolito y puede llegar a alterar reacciones conocidas y controladas, o causar
reacciones que no se desarrollarían sin presencia biológica.
Se puede
observar que el principal causante de fallo en un acero inoxidable es la
corrosión. Por su naturaleza, los polímeros son totalmente inmunes a dicho
proceso.
Debemos
tener en cuenta que en muchos proyectos realizados en el Perú se utilizan
tuberías de acero inoxidable, ya sea para transportar fluidos como agua
aséptica o fluidos que podrían ser corrosivos. Si bien las tuberías de acero
inoxidable evitan la corrosión, estas tienen sus desventajas, como por ejemplo:
·
El costo es muy
alto.
·
Presentan un peso
elevado que podría sobrecargar la estructura de una edificación.
Como se ha
mencionado, utilizar este tipo de tuberías presenta muchos inconvenientes; sin
embargo, existen alternativas. El presente artículo propone el uso de las
tuberías de polipropileno como una opción con múltiples ventajas, tales como:
·
No se corroe.
·
Es aséptica.
·
Presenta menor peso.
·
El costo es menor.
·
Su instalación es más
fácil y rápida.
El tema
tratado en la presente investigación requiere mayor profundización, puesto que
se trata de un proyecto que no tiene mucha aceptación en el país, ya que se
siguen utilizando tuberías de acero inoxidable a pesar de que estas incurren en
mayores costos de empleo y de la propia tubería. Las tuberías de acero
inoxidable también son muy utilizadas en el sector minero para el transporte de
agua corrosiva, pero estas tuberías de acero tienden a corroerse, y los tubos
más apropiados para esa labor serían los de polipropileno.
El fin de este
trabajo es incentivar el uso de tuberías de propileno en lugar de tuberías de
acero inoxidable, ya que, si bien prima el uso de las primeras por su
resistencia a la corrosión, estas son de alto costo y peso; además, su
transporte es más difícil en comparación con las tuberías de polipropileno. Por
otra parte, las tuberías de propileno se han ido desarrollando y mejorando con
la ayuda de la ingeniería para que sus cualidades se asemejen a las características
de las de acero inoxidable, de modo que puedan competir con estas.
HIPÓTESIS
Las tuberías
de propileno son económicas y ambientalmente más óptimas que las tuberías de
acero inoxidable.
METODOLOGÍA
¿Por qué
elegir tuberías de polipropileno en vez de tuberías de acero inoxidable?
El sistema
de tubería de polipropileno beta nucleado presenta ventajas con respecto a las propiedades
fisicoquímicas de las tuberías de acero inoxidable.
La
evolución de las tuberías de polipropileno a tuberías de polipropileno beta
nucleado
La notable
mejora de los materiales y el aprendizaje sobre sus propiedades mecánicas y
físicas han originado un increíble y evidente avance en todos los campos. En
fontanería, los metales fueron los materiales que más se emplearon hasta hace
unas décadas debido a su resistencia mecánica. Sin embargo, con el paso del
tiempo, estos materiales han presentado muchos inconvenientes (Serrano, 2017).
Según Serrano
(2017), de las principales ventajas de las tuberías de polipropileno, que
resuelven los problemas planteados en las instalaciones metálicas, se pueden
destacar las siguientes:
·
100 % de resistencia
a la corrosión.
·
Mínima conductividad
térmica.
·
Absorción a nivel
acústico.
·
Alta resistencia a
los agentes químicos (material inerte ante soluciones de cloruros).
·
Viabilidad.
·
Reciclable en su
totalidad, por lo que contribuye en la sostenibilidad del medio ambiente.
·
Menor tiempo de instalación.
·
Reducción del peso en
la instalación.
Sin
embargo, un aspecto importante que se debe tener en cuenta es el uso, cada vez
mayor, de cloro en instalaciones de agua caliente para las desinfecciones de
alto impacto en los materiales que muchas empresas se ven obligadas a ejecutar.
De la necesidad de actuar frente a casos de termodegradación oxidativa
ocasionada por este factor nació el sistema de tubería de polipropileno beta
nucleado.
Mejora
de características termomecánicas
La
utilización del polímero RA7050 de Borealis, un polímero copolímero random con
cristalinidad modificada y elevada resistencia a la temperatura (PP-R, tipo 4),
ofrece una mejor característica mecánica con el paso de los años en
instalaciones que transportan fluidos de alta temperatura; de esta manera garantiza
la durabilidad a una mayor presión.
En la Figura
1 se observan las diferencias entre las curvas de referencia para las
resistencias esperadas tanto del PP-R tipo 3 como del PP-R tipo 4, donde se
observa que la curva del PP-R tipo 4 tiene una menor pendiente, lo que quiere
decir que tiene un excelente comportamiento a elevadas temperaturas en
comparación con el PP-R tipo 3.
Para
profundizar en este aspecto, podemos comparar las gamas de tubería de
polipropileno beta nucleado con las de tubería de polipropileno monocapa RP y tubería
de fibra de polipropileno RP con respecto a sus características de resistencia
mecánica ante la temperatura y teniendo en cuenta su vida útil esperada. Así, se
observa que la tubería de polipropileno beta nucleado presenta mayores prestaciones
mecánicas debido a su SDR y aditivación, ya que la formulación de su materia
prima es ligeramente superior a la del PP‑R RP (Italsan, 2017).
Figura 1. Curvas
de referencia para la resistencia esperada del PP-R (Tipo 3) y PP-R (Tipo 4).
Fuente:
Italsan, 2017.
Resistencia
a procesos de desinfección:
Tal y como
se establece en los protocolos de tratamiento de desinfección del Decreto
Supremo N.° 031-2010-SA (2010) así como del Real Decreto 865/2003 (2003), los compuestos
químicos, como el cloro libre, deben usarse siempre por separado de los
tratamientos por aumento de temperatura, como los choques térmicos.
Entre
otras razones, esta especificación se hace porque los compuestos desinfectantes
son de naturaleza oxidante y al aumentar la temperatura se convierten en
agentes muy agresivos para la instalación. Este hecho ocurre tanto en
distribuciones de tuberías de plástico como en tuberías de metales, incluyendo
el cobre y el acero inoxidable AISI 316; también ocurre en otras partes de la
instalación, como los acumuladores, intercambiadores y válvulas.
El sistema
de tubería de polipropileno beta nucleado está formulado con una materia prima
capaz de resistir una mayor concentración de cloro a mayor temperatura,
teniendo en cuenta siempre que la distribución está sometida a presión. Obtuvo
la clasificación de CL3 según ASTM F876 ‑ 20B (American Society of
Testing Materials, 2020) en los ensayos realizados por el prestigioso
laboratorio Exova, acreditado para realizar tales operaciones. Según la norma
ASTM F2023 (American Society of Testing Materials, 2015), las tuberías deben
someterse a las siguientes condiciones:
·
4.3 ppm de
hipoclorito de sodio
·
pH 6.8
·
Temperaturas de 115
°C, 105 °C y 95 °C.
Con la altísima
resistencia a la degradación termo-oxidativa mostrada en los resultados, se
comprobó la superioridad del sistema de tuberías de polipropileno beta nucleado
ante las demás gamas de PP-R y PP-R RP, por lo que quedó garantizado su uso en
distribuciones a temperatura y presión elevadas con trasiego de fluidos con
alto contenido de hipoclorito de sodio.
En una
segunda instancia, en ensayos internos, se encontró que, en comparación con
otras gamas de tuberías existentes en el mercado, las muestras de tubería de
polipropileno beta nucleado ofrecieron valores de tiempos de inducción a la
oxidación (OIt) un 40% superiores a las anteriores una vez expuestas las
muestras a 4.5 ppm de cloro libre, 95 °C y 5 bar.
La
relevancia del uso de un sistema
de tubería de polipropileno beta nucleado radica en las facilidades que brinda
desde un punto de vista técnico y económico, pues se trata de un material que
manifiesta innovación al ser comparado con el acero inoxidable, gracias a su
bajo costo y las bondades que brinda al realizar una instalación, puesto que contribuye
a que esta se ejecute de manera rápida y sencilla. Cabe destacar que también
significará un menor peso en la estructura civil que se ha instalado.
RESULTADOS
Características
físicas directamente relacionadas con la eficiencia energética
Al ser fabricado
con PP-R, el sistema de tuberías de polipropileno tiene 100% garantizada la
resistencia a la corrosión, tanto en el interior de la tubería como en su
superficie, por lo que es totalmente inmune a los incrementos de conductividad
eléctrica causados por la presencia de electrolitos o los cloruros. Este hecho
presenta dos impactos que se producen en el cotejo con una instalación elaborada
con tubería de acero inoxidable:
·
El polipropileno no
requiere ningún empleo de protección independientemente del medio circundante.
·
El impacto es
directamente proporcional a la eficiencia energética.
En este
segundo apartado se desarrolla un análisis concreto, donde se demuestra que la
disminución radical de probables depósitos e incrustaciones y la no existencia
de corrosión permiten disminuir el consumo en los sistemas de bombeo durante
toda la vida útil de la instalación, lo que reduce el consumo energético e
incrementa la eficiencia de la instalación.
La pérdida
de carga que se produce en las tuberías metálicas varía en función del estado
de corrosión que existe en las mismas. En la Figura 2 se observan los
resultados publicados por Rahmeyer (2009, como se citó en Italsan, 2015), donde
se relaciona el aumento de las pérdidas de carga en una tubería metálica en
función de su estado de corrosión.
Figura. 2. Pérdidas de carga que se dan en las tuberías de metal
versus estado de corrosión.
Fuente:
Serrano (2017).
Contrastación
de hipótesis:
Con
el fin de probar la eficiencia de un sistema de tubería de polipropileno beta
nucleado frente a un sistema de tubería de acero inoxidable, se analizan los
datos obtenidos en la Figura 2, donde se observa claramente la caída de
carga de las tuberías metálicas debido a la corrosión a la que están expuestas.
Además, al observar el estado de corrosión de ambos materiales, es posible
notar la propiedad de total resistencia a la corrosión por parte del sistema de
tubería de polipropileno beta nucleado y, a su vez, la limitada resistencia a
la corrosión del acero inoxidable. De esta manera, queda en evidencia la
optimización que significaría el uso del sistema de tubería de polipropileno
beta nucleado en el punto específico de resistencia a la corrosión por parte
del material.
También
se cuenta con el conocimiento empírico de la carga estructural que ofrece el sistema
de tubería de polipropileno beta nucleado, puesto que este material es mucho
más liviano que un sistema de tubería de acero inoxidable, lo que permite
contar con una estructura con menor peso y mayor factibilidad para su
instalación (ver Tabla 1).
Cabe
mencionar las ventajas económicas que conllevaría hacer uso de un sistema de tubería
de polipropileno beta nucleado, ya que este material es mucho más económico en
comparación con los altos precios en los que incurre un sistema de tubería de
acero inoxidable.
Tabla 1. Visión general del sistema tubería
de polipropileno premium vs. acero inoxidable.
|
Parámetro
|
Acero Inox. AISI 304
|
Acero Inox. AISI 316
|
Sistema de tuberías de polipropileno PP-R
|
Sistema de tuberías de polipropileno premium
|
|
Resistencia
a la corrosión
|
Limitada
a ciertos compuestos
|
Superior
a 304, limitada a cloruros y otros
|
Total
|
|
Bioseguridad
|
Posibilidad
de padecer MIC, fomentando también tanto la adhesión como el crecimiento de
biofilm
|
Alta
|
Superior
|
|
Ausencia
de incrustaciones
|
No
|
Alta
resistencia a incrustaciones
|
Superior
resistencia a incrustaciones
|
|
Idoneidad
en zonas de riesgo sísmico
|
No
|
Sí
|
|
Resistencia
a corrientes parásitas
|
Puede
ser partícipe de su creación/propagación
|
Total
|
|
Compatible
con agua glicolada
|
Sí
|
Sí
|
|
Conductividad
térmica (λ)
|
16.3
W/(mK)
|
0.24
W/(mK)
|
0.24
W/(mK)
|
|
Coeficiente
dilatación térmica lineal
|
0.017
mm/(mK)
|
0.04
mm/(mK)
|
|
Espesor
necesario de aislamiento (según RITE)
|
Según
procedimiento simplificado del RITE
|
Reducción
del mismo según procedimiento alternativo.
|
|
Densidad
|
7.98
g/cm3
|
0.90
g/cm3
|
0.91
g/cm3
|
|
Velocidad
máxima de fluido (según CTE)
|
2.5
m/s
|
3.5
m/s
|
|
Fonoabsorbencia
|
Limitada
(conductor de vibraciones)
|
Considerable
|
|
Durabilidad
estimada normalizada
|
Sin
datos asegurados
|
50
años
|
30
años a 4.3 ppm, 60 °C y 5.5 bar
|
|
Tipología
de unión óptima
|
Soldadura
con soplete
|
Por
termofusión
|
|
Suportación
|
Mediante
abrazaderas/ perfil-abarcón
|
Mediante
abrazaderas
|
|
Montaje
|
Con
alto requerimiento de especialización
|
Sencillo,
intuitivo y seguro
|
Fuente: Elaboración propia. Datos obtenidos de Goodfellow (s.f.a; s.f.b),
Acero Inoxidable AISI 304 y ASI 316.
DISCUSIÓN
Características
físicas directamente relacionadas con la eficiencia energética térmica
a)
Baja
capacidad de transmisión de calor, dispersión térmica y condensación limitadas
La baja conductividad térmica
de las tuberías de polipropileno (λ = 0,24 W/mK) puede provocar una reducción
significativa de la temperatura del material, del diámetro y del espesor del
aislamiento.
Los cálculos de espesor
correspondientes se pueden realizar utilizando el software de cálculo de
pérdidas del mercado internacional. El cálculo se basa en el coeficiente de
conductividad térmica según UNE-EN ISO 12241:2010 (Organización Internacional
de Normalización [ISO], 2010). Este procedimiento establece la pérdida de calor
y la condensación de poros que se produce en la tubería (Tabla 2).
Existen 2 razones por las que se debe colocar aislamiento
en la red de tuberías en instalaciones térmicas:
·
Evitar la generación
de condensaciones superficiales en la superficie de la tubería
·
La pérdida total de
calor de todas las tuberías no debe exceder el 4% de la potencia máxima de
transporte, siguiendo lo establecido en el Reglamento de Instrucciones Térmicas
de los Edificios (RITE) (Real Decreto 1027/2007, 2007).
Tabla 2. Ventajas en el uso del software de
cálculo de pérdidas térmicas.
|
Ventajas
|
PROGRAMA DE CÁLCULO DE PÉRDIDAS TÉRMICAS
|
|
UNE-EN 12241
|
Adecuación del espesor de
aislamiento
|
|
Reducción del espacio
|
|
Disminución del coste global
de instalación
|
|
Reducción de la demanda
energética gracias a la eficiencia energética (garantía 4% )
|
Fuente: Serrano (2017).
b)
Disminución
del riesgo de condensaciones
Con base en el principio físico que indica que una masa de
aire con temperatura y humedad relativas X producirá condensaciones sobre la
superficie del material siempre y cuando la temperatura superficial del
aislamiento (Tx) sea inferior a la temperatura de rocío del aire
exterior en las condiciones de temperatura y humedad consideradas, se tiene
que:
·
se genera la
condensación cuando Trocío > Tx
·
no se genera la
condensación cuando Trocío < Tx.
Para
este caso, las condiciones menos favorables son la transferencia de fluido
frío, temperatura ambiente alta y humedad relativa alta.
El PP-R no es buen conductor del calor, o lo que es lo
mismo, el valor de su conductividad térmica es muy bajo, por lo que el riesgo
de condensaciones superficiales sobre la tubería disminuye y puede llegar a
niveles muy bajos.
Además, en caso de existir condensación superficial, no
existe la posibilidad de degradación por corrosión del material, puesto que el
material es el mismo que el que se encuentra en el interior de las tuberías en
contacto con el agua. Las tuberías metálicas poseen un coeficiente de
conductividad térmica muy alto, por lo que el riesgo de condensación
superficiales es muy superior al de las tuberías de PP-R.
c)
Disminución
de las pérdidas térmicas
Lo principal para una eficiente instalación es eludir el
derroche de energía durante su producción y la siguiente repartición. La baja
conductividad térmica del PP-R ayuda a mantener las temperaturas del fluido transportado,
lo que resulta en mejoras gracias a la materia bruta, puesto que permite reducir
en algunas ocasiones el espesor de aislamiento con respecto al considerado en
el método simplificado del RITE. En estos casos, se reduce considerablemente el
espacio necesario para la instalación, lo que representa un motivo por el cual elegir
el sistema tubería de polipropileno en las actuaciones de reforma.
En el ordenamiento pseudoestacionario, la menor
conductividad térmica del polipropileno, λ=0.024 W/(mK), disminuye las
alteraciones, lo que resulta favorable frente a una instalación con materiales
metálicos; esto quiere decir que la dispersión térmica producida a lo largo de
la instalación está más contenida, siendo innecesario producir tanto calor para
suministrar ACS, calefacción y climatización hasta los puntos terminales
(Italsan, s. f.).
Este suceso puede llegar a interpretarse
como la disminución del consumo de la caldera de hasta un 10% en las
instalaciones donde hay recirculación de fluido con temperatura a lo largo de
las 24 horas del día y 365 días del año.
Como conclusión, la utilización de tuberías de PP-R y de una
herramienta de cálculo de
pérdidas térmicas garantizan pérdidas térmicas máximas de 4% con el espesor de
aislamiento adecuado al material de la instalación.
d)
Mínimo
grado de ruidos en la instalación
Nuestro sistema de tuberías de polipropileno,
gracias a su facultad de impregnación y apartamiento acústico, amortigua de
forma notable los efectos sonoros en la instalación, ofreciendo bienestar
acústico en las estancias.
CONCLUSIONES
Reducción
de tiempos de manipulación en la instalación
El sistema
de conexión de tuberías de polipropileno se basa en un acoplamiento molecular.
Estos tipos de juntas no tienen precedentes en la industria de materiales
poliméricos y ofrecen las siguientes ventajas:
·
Tiempos de
soldaduras más cortos (Norma DVS 2207-1), en comparación con las tuberías de
acero inoxidable.
·
Puesta en
funcionamiento de la instalación inmediatamente después de la soldadura, sin
tener que esperar para su enfriamiento como en el caso de tuberías metálicas.
Además, cabe
resaltar que se puede prescindir de procesos de unión con intervención de llamas,
es decir, los procesos para la conexión de tuberías de polipropileno son mucho
más seguros que los de soldadura en acero inoxidable, los cuales exigen el uso
de sopletes y protecciones específicas (Aristegui,
2017).
Reducción
del peso para manipulación
Gracias a
su densidad, que prácticamente tiene el mismo valor que la del agua, las
tuberías realizadas en PP-R tienen un peso considerablemente menor que aquellas
de acero inoxidable con mismo diámetro y longitud. Este hecho, además de
disminuir el peso total de la instalación, supone una considerable disminución
en los esfuerzos y, por lo tanto, en la dificultad de manipulación. Como las
tuberías de PP-R son mucho más ligeras, pueden ser utilizadas por un mayor
rango de usuarios y con una mayor comodidad.
Simplicidad
en unión
Siempre
que se mantengan los estándares de calidad durante el proceso, la termofusión
es un proceso más sencillo que la soldadura de metales. En concreto, una mala
aplicación de la llama durante la soldadura puede crear zonas propicias a la
corrosión.
Bioseguridad
Tanto la
formación de óxido como la deposición de incrustaciones (como la cal) en la
superficie de acero inoxidable aumenta su rugosidad, lo que favorece la
acumulación de microorganismos (que pueden ser metabólicamente activos, a su
vez, a los óxidos de metal) que pueden crear biocapa o biofilm, los cuales son
agregados de material biológico que protegen a los microorganismos que en él se
alojan y sirven también como medio para la evolución de estos. En este aspecto,
el riesgo de legionelosis aumenta considerablemente. Como respuesta a estos
hechos, el usuario debe aumentar la concentración de desinfectantes en el agua que,
si bien podría destruir un máximo aproximado del 70% del biofilm, inicia o agrava
procesos de corrosión.
Una vez
acabadas las actuaciones de desinfección, los nuevos microorganismos (que
siempre estarán presentes en el agua) tienen nuevos lechos creados en las
partes más críticas de la instalación para depositarse de nuevo, creando así un
ciclo que terminará con la reducción drástica de la vida útil de la instalación
y con riesgos a nivel sanitario para la propiedad.
Gracias a
su materia prima, el sistema tuberías de polipropileno es más resistente a incrustaciones
y tiene una total inmunidad ante la corrosión.
Específicamente,
la tubería de polipropileno beta nucleado ofrece una resistencia mayor a la termo-degradación
oxidativa, por lo que la adherencia de biofilm, que es el factor clave a evitar
para la proliferación de legionela, se ve reducida gracias al buen estado de la
superficie de contacto con el fluido.
AGRADECIMIENTO
Josep
María Ferrer Bruach, Doctor en Ciencias Químicas y responsable del desarrollo
de nuevos productos en Italsan.
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DOI: https://doi.org/10.15381/idata.v24i2.18756
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN:
1810-9993 (Electrónico)
Received: 17/09/2020
Accepted: 19/08/2021
Published: 31/12/2021
Demonstrated Advantages and
Considerations of a Beta Nucleated Polypropylene Piping System Versus a
Stainless Steel Piping System
Pedro Angel Toribio Pando
Pablo Santa Cruz Roldán
Alberto Landauro Abanto
ABSTRACT
A
polymer is a thermoplastic material that crystallizes in three forms: α
(monoclinic), β (trigonal) and γ (orthorhombic). These forms have
characteristics that provide specific physicochemical properties in the same
formulation. The α crystalline form is found in higher proportion and is the
most stable and simplest to produce. However, the raw material of the
beta-nucleated polypropylene and PR (pressure resistant), monolayer pipes and
PR fiber polypropylene pipes are processed to produce β structures in ways
where it would be easier to have α crystals, since this process favors the
formation of a stable, fine hexagonal crystalline structure and a homogeneous
size distribution. These attributes derive in an optimization of the mechanical
performance of the system, in which a mixture of these forms (α and β) will
provide a very optimal thermo‑mechanical property.
Keywords: PP-R (polypropylene random copolymer),
transfer, biocidal product, austenitics, biofilm.
INTRODUCTION
American inventor John Hyatt created
celluloid, a plastic material whose composition consists of a solution of
carbohydrate from plants, cellulose and a mixture of ethyl alcohol and camphor;
it is also known as “thermoplastic material” due to its ability to be molded
and softened when exposed to heat (Concha, 2014).
Later, in 1907, Leo Baekeland invented
Bakelite, which was described as the first thermoset or thermosetting plastic,
that is, moldable, when melted. By 1930, polyethylene (PE), a thermoplastic resulting
from the polymerization of ethylene gas under pressure and heat, was
manufactured for the first time in England. Around 1950, the same process
applied to propylene was used to create polypropylene. At present, this
partially crystalline thermoplastic is classified as a polyolefin and is used
extensively for multiple applications (Concha, 2014). Based on its properties,
industrial applications are more associated with the use in the transport of
acids and bases, even at high temperatures (Concha, 2014).
The beta nucleated polypropylene pipe
system is one of the best choices for the manufacture of pipes intended for the
transfer of fluids such as drinking water. The pressure and temperature working
range of PP-R (polypropylene random copolymer) of the beta nucleated
polypropylene piping system is fully compatible with treatments to prevent
Legionella contamination during pipeline maintenance such as thermal shock.
This means that Legionella prevention is
under constant scrutiny and, consequently, undergoes periodic changes. This
issue is more relevant in countries where there is a relationship between
disease development and the country’s industry. Such relationship is not
apparent in other countries, either because of the lack of analysis or because Legionella
contamination is not frequent. Indeed, continuous monitoring, new strategies
and evaluation result in a good prevention of contracting diseases such as
Legionellosis. It is a fact that the maintenance of equipment and the
conditions of its environment are important; however, in urban areas, the
disease is caused as a result of poor building design, inadequate construction
and neglect of water quality control of the facilities (Gea, Mezones, &
Haro, 2012).
In summary, the PP-R of the beta
nucleated polypropylene pipe system complies with Decreto Supremo No. 031-2010
(2010), which imposes regulations on the management of water quality for human
consumption, in order to ensure its safety, avoid risks to human health and
maintain population health.
ClO2 is not recommended for
drinking water disinfection.
Historically, metals have always been
the first choice for plumbing materials. However, as we have seen, technical
polymers have been replacing them. Contrary to what its name specifies,
stainless steel is not stainless. The reason it has this name is that, compared
to normal steel, it can withstand much longer under the same working conditions
before showing signs of wear. Not all stainless steels, however, have the same
properties and, consequently, qualities.
Austenitic stainless steels are the most
commonly used, of which the 300 series is the largest subgroup and, within
this, AISI 304, followed by AISI 316, are the two most common types, whose high
chromium and nickel content increase their resistance to corrosion. In
addition, manganese, phosphorus, sulfur and silicon are also integrated into
its chemical composition, which, in general, is iron (Goodfellow, n.d.a;
Goodfellow, n.d.b). Some differences between the two alloys can be significant,
depending on the structure, the most notable being the molybdenum content in
AISI 316, which improves corrosion resistance with respect to AISI 304 in
saline environments or environments exposed to chloride solutions, which are
the most detrimental to stainless steel.
The aim of this research is to raise
awareness among professionals in all branches of engineering (designers,
contractors, owners, consultants, etc.) regarding the fact that there is an
alternative to design or build a project that meets all the technical
requirements and even exceeds them, since beta nucleated polypropylene pipes
last for many years, unlike a stainless steel pipes that will nevertheless
deteriorate.
Corrosion in Stainless Steel
Steel tends to rust when exposed to the
environment, since it comes into contact with oxygen and water vapor present in
the air, which cause the formation of iron oxides and hydroxides on its
surface. If left unchecked, oxidation penetrates through the entire thickness
of the metal until it corrodes it completely; for this reason, there are a
myriad of strategies to prevent this from happening.
Stainless steel tends to undergo
passivation before corrosion penetrates its wall, so that a thin film of
chromium oxide forms, making it more resistant to corrosion. This film of
chromium oxide, when removed, re-forms upon contact of the chromium with
oxygen. Nonetheless, as discussed above, stainless steel is still vulnerable to
corrosion, which can occur as a result of a number of different mechanisms:
a)
Intergranular
Corrosion
Inadequate
treatment (including both the temperatures used during steelmaking and the
heating procedures during welding) can produce high carbon-concentration
lattices, which promote intergranular corrosion. Under these conditions, the
surface allows the metal to oxidize and reduces its service life in many
relatively light environments.
b)
Galvanic
Corrosion
Galvanic corrosion occurs locally and under different
conditions. The most common is when two dissimilar metals are in direct contact
(as in the case of threaded joints with brass valves and stainless steel or
copper pipes); corrosion increases when exposed to humid environments or
submerged in electrolyte solutions.
In a corrosive environment, this situation is exponentially
aggravated, resulting in the dissolution of the anode, while the cathode
remains unchanged. The factors that influence the galvanic couple to a greater
extent are:
·
Fluid connectivity
·
Difference
of reduction potentials of metals in direct contact
·
Polarization
·
Relative
areas of cathode and anode in geometric relation between contact surfaces
c)
Differential
Aeration Corrosion
A
semi-embedded particle on the surface may be sufficient to remove the
protective chromium oxide layer. Even after the particle has been removed, its
attack on the surface continues, since a durable electrolytic cell has formed
between the attacked portion of the anodic surface and the vast cathodic area.
d)
Pitting
Corrosion
Chloride
solutions often cause pitting corrosion on the surface in contact with
stainless steel, which is virtually attacked by pitting where electrolytic
cells can develop.
Acid
chlorides, such as iron (III) chloride and sodium chloride, are two of the most
common compounds responsible for this type of corrosion, although any chloride
in a significant concentration can cause pitting corrosion. Chlorides are often
the critical factor in situations where stainless steel corrosion would not be
expected.
e)
Fatigue
Corrosion
Although
the average user may not be aware of its existence, fatigue corrosion is
another factor that often leads to corrosion in stainless steel piping. Almost
all metals and alloys can experience failure by cracking at the microscopic
level under conditions involving stresses in a mildly oxidizing environment.
Also in this case, chloride solutions are one of the most detrimental agents.
f)
Microbiology
Influenced Corrosion (MIC)
Based
on the evidence, it has become firmly argued that many of the cases, where
thermodynamic processes did not explain the cause of corrosion, may be caused
by biofilms in the so-called Microbiology Influenced Corrosion (MIC).
Currently, it is the subject of multiple studies on different fronts.
Depending
on the bacteria responsible and the final morphology of the metal surface,
there are several causes for the propagation of biological material in this
type of corrosion. For example, Fe2+, an ion commonly considered a
biocide, tends to attract iron-reducing bacteria which, on the other hand, use
it in their metabolism.
Upon
creation of the biofilm, which is composed mainly of water, the environment is
radically modified; thus, the biofilm acts as an electrolyte and can alter
known and controlled reactions, or cause reactions that would not take place
without the biological presence.
Clearly, corrosion is the main cause of
failure in stainless steel. Polymers, on the other hand, are completely immune
to this process due to their nature.
Many projects in Peru use stainless
steel pipes, either to transport fluids such as aseptic water or other fluids
that could be corrosive. Although stainless steel pipes prevent corrosion,
there are some disadvantages, such as:
·
They are
very expensive.
·
They are
very heavy, which can overload the structure of a building.
As stated above, the use of this type of
piping presents many disadvantages, but there are alternatives. In this paper,
we propose the use of polypropylene pipes as an option with multiple
advantages, such as:
·
It does
not corrode.
·
It is
asceptic.
·
It is
lighter.
·
It is
less expensive.
·
Its
installation is easier and faster.
Further research is required on the
research topic, as it is not very popular in the country; stainless steel pipes
are still being used, despite the fact that they are more expensive. Stainless
steel pipes are also widely used in the mining sector for the transport of
corrosive water, even though these steel pipes tend to corrode, and
polypropylene pipes would be the most appropriate for this task.
The purpose of this study is to
encourage the use of propylene pipes instead of stainless steel pipes, since
although the use of the former is more important due to their resistance to
corrosion, they are expensive and heavy; also, they are more difficult to transport
compared to polypropylene pipes. Moreover, propylene pipes have been developed
and improved with the help of engineering so that their qualities are similar
to those of stainless steel pipes and can compete with the latter.
HYPOTHESIS
Propylene pipes are more cost-effective
and environmentally friendly than stainless steel pipes.
METHODOLOGY
Why choose polypropylene pipes instead
of stainless steel pipes?
The beta nucleated polypropylene pipe
system has advantages over the physicochemical properties of stainless steel
pipes.
The evolution from polypropylene pipes
to beta nucleated polypropylene pipes
The remarkable improvement of materials
and learning about their mechanical and physical properties has led to
tremendous and obvious progress in all fields. In plumbing, metals were the
most commonly used materials until a few decades ago due to their mechanical
strength. However, as time went by, these materials have presented many
drawbacks (Serrano, 2017).
According to Serrano (2017), the
following advantages of polypropylene pipes, which solve the problems posed in
metallic structures, can be highlighted:
·
100% corrosion
resistance
·
Minimum thermal
conductivity
·
Acoustic
absorption
·
High
resistance to chemical agents (inert material to chloride solutions)
·
Viability
·
Fully
recyclable, contributes to environmental sustainability
·
Shorter
installation time
·
Reduced structure
weight
A major consideration, however, is the
increasing use of chlorine in hot water distribution systems for high-impact
disinfection of materials that many companies are forced to carry out. The beta
nucleated polypropylene pipe system resulted from the need to deal with cases
of thermo-oxidative degradation caused by this factor.
Improvement of Thermo-Mechanical
Characteristics
Borealis RA7050 polymer, a random
copolymer polymer with modified crystallinity and high temperature resistance
(PP-R, type 4), offers improved mechanical characteristics over the years in structures
that transport high-temperature fluids, thus ensuring durability at higher
pressure.
Figure 1 shows the differences between
the reference curves for the expected strength of both PP-R type 3 and PP-R
type 4. As can be observed, PP-R type 4 has a lower slope, which means that it
has an excellent performance at high temperatures compared to PP-R type 3.
For a deeper analysis of this aspect, we
can compare the ranges of beta nucleated polypropylene pipes with those of RP
single-layer polypropylene pipes and RP polypropylene fiber pipes with respect
to their mechanical strength characteristics at high temperatures, considering
their expected service life. Thus, the beta nucleated polypropylene pipe has a higher
mechanical performance due to its SDR and additivation, since the formulation
of its raw material is slightly higher than that of PP-R RP (Italsan, 2017).
Figure 1. Reference curves for the expected
strength of PP-R (Type 3) and PP-R (Type 4).
Source: Italsan, 2017.
Resistance to Disinfection Processes
As established in the disinfection
treatment protocols of Decreto Supremo No. 031-2010-SA (2010) as well as Real
Decreto 865/2003 (2003), chemical compounds, such as free chlorine, should
always be used separately from treatments involving temperature increase, such
as thermal shocks.
This is specified, among other reasons,
because disinfectant compounds have an oxidizing nature and become very
aggressive agents as temperature increases. This happens both in plastic or
metal pipe systems, including copper and stainless steel AISI 316; it also
occurs in other parts of the system, such as accumulators, heat exchangers and
valves.
The beta nucleated polypropylene piping
system is made of a raw material capable of enduring a higher concentration of
chlorine at a higher temperature, bearing in mind that the system is always
under pressure. It was rated CL3 according to ASTM F876 20B (American Society
of Testing Materials, 2020) in tests carried out by the prestigious Exova
laboratory, accredited to perform such operations. According to ASTM F2023
(American Society of Testing Materials, 2015), pipes must be subjected to the
following specifications:
·
4.3 ppm sodium
hypochlorite
·
pH 6.8
·
Temperatures
of 115 °C, 105 °C and 95 °C.
The very high resistance to
thermo-oxidative degradation shown in the results proved the superiority of the
beta nucleated polypropylene pipe system over PP-R and PP-R RP pipes; therefore,
its use in high temperature and pressure piping systems with transfer of fluids
with high sodium hypochlorite content was certified.
Internal tests showed that, compared to
other pipe types on the market, the beta nucleated polypropylene pipe samples
had 40% higher oxidation induction times (OIt) when exposed to 4.5 ppm of free
chlorine, 95 °C and 5 bar pressure.
The importance of using a beta nucleated
polypropylene piping system lies on the technical and economic advantages it
offers, since it is an innovative material when compared to stainless steel,
due to its low cost and benefits when implementing a system, as it allows for a
quick and easy installation. It should be noted that it will also mean less
weight added to the civil structure being installed.
RESULTS
Physical Characteristics Directly
Related to Energy Efficiency
Being manufactured with PP-R,
polypropylene piping systems are 100% corrosion resistant, both inside the pipe
and on its surface, making it totally immune to increases in electrical
conductivity caused by the presence of electrolytes or chlorides. In comparison
with a stainless steel pipe system, polypropylene:
·
does not
require any protective measures regardless of the surrounding environment,
·
its
impact is directly proportional to the energy efficiency.
A specific analysis is performed in this
second section, evidencing that the radical reduction of probable deposits and fouling
and the absence of corrosion reduce consumption in the pumping systems during
the entire service life of the system, thus reducing energy consumption and
increasing the efficiency of the system.
Head loss in steel piping varies
depending on the degree of corrosion of the pipes. Figure 2 shows the results obtained
by Rahmeyer (2009, as cited in Italsan, 2015), where the increase in head
losses in a steel pipe is related to its corrosion state.
Corrosión severa à Severe corrosion
Corrosión media à Medium corrosion
Corrosión Leve à Mild corrosion
Tubería metálica nueva à New metal pipe
Tubería de polipropileno beta nucleado à Beta nucleated
polypropylene pipe
polinómica (corrosión media) à Polynomial (medium
corrosion)
polinómica (corrosión leve) à Polynomial (mild
corrosion)
polinómica (tubería metálica nueva) à Polynomial ( new metal
pipe)
polinómica (tubería de polipropileno beta
nucleado) à (Polynomial (beta
nucleated polypropylene)
Figure. 2. Head losses in steel pipes vs.
corrosion state.
Source: Serrano (2017).
HYPOTHESIS TESTING
An analysis of the data shown in Figure
2 is made in order to test the efficiency of a beta nucleated polypropylene
pipe system versus a stainless steel pipe system; the head drop of the steel
pipes due to corrosion is clearly observed. Upon observing the corrosion state
of both materials, it is noticeable the total corrosion resistance property of
the beta nucleated polypropylene pipe system, as well as the limited corrosion
resistance of the stainless steel. On this basis, it is evidenced that the use
of beta nucleated polypropylene piping systems would represent an optimization
regarding corrosion resistance of the material.
There is also empirical knowledge
concerning the structural load of the beta nucleated polypropylene pipe system,
as this material is much lighter than a stainless steel pipe system, which
allows for a lighter weight structure and easier installation (see Table 1).
Attention should be drawn to the
economic advantages of using a beta nucleated polypropylene pipe system, since
this material is much more economical compared to the high prices of a
stainless steel pipe system.
Table 1. Premium Polypropylene
vs. Stainless Steel Piping System Overview.
|
Parameter
|
AISI
304 Stainless Steel
|
AISI
316 Stainless Steel
|
PP-R
Polypropylene Piping System
|
Premium
Polypropylene Piping System
|
|
Corrosion resistance
|
Limited to
certain compounds
|
Above 304,
limited to chlorides and others
|
Total
|
|
Biosafety
|
Potential for
MIC, also promoting both adhesion and biofilm growth
|
High
|
Superior
|
|
Absence of fouling
|
No
|
High fouling
resistance
|
Superior
fouling resistance
|
|
Suitability in seismic risk
areas
|
No
|
Yes
|
|
Resistance to stray
currents
|
Can
participate in its planning/difussion
|
Total
|
|
Compatible with glycol
water
|
Yes
|
Yes
|
|
Thermal conductivity (λ)
|
16.3 W/(mK)
|
0.24 W/(mK)
|
0.24 W/(mK)
|
|
Coefficient of linear
thermal expansion
|
0.017 mm/(mK)
|
0.04 mm/(mK)
|
|
Necessary insulation
thickness (according to RITE)
|
According to
the RITE simplified procedure
|
Reduction
according to alternative procedure
|
|
Density
|
7.98 g/cm3
|
0.90 g/cm3
|
0.91 g/cm3
|
|
Maximum fluid velocity
(according to CTE)
|
2.5 m/s
|
3.5 m/s
|
|
Sound absorption
|
Limited (vibration
conductor)
|
Significant
|
|
Estimated normalized
service life
|
Uncertain
data
|
50 years
|
30 years at
4.3 ppm, 60 °C and 5.5 bar
|
|
Optimal joint type
|
Torch welding
|
Thermofusion
welding
|
|
Support
|
Clamps/Profile
bars
|
Clamps
|
|
Mounting
|
High
specialization requirements
|
Simple,
intuitive and safe
|
Source: Prepared by the
authors based on data from Goodfellow (n.d.a; n.d.b), AISI 304 and ASI 316 stainless steel.
DISCUSSION
Physical Characteristics Directly
Related to Thermal Energy Efficiency
e)
Low
heat transfer capacity, limited heat dissipation and condensation
The
low heat conductivity of polypropylene pipes (λ = 0.24 W/mK) can lead to a
significant reduction in material temperature, diameter and insulation
thickness.
Thickness
can be calculated using the loss calculation software on the international
market. The calculation is based on the thermal conductivity coefficient
according to UNE-EN ISO 12241:2010 (Organización Internacional de
Normalización [ISO],
2010). This procedure determines the heat loss and pore condensation that
occurs in the pipe (Table 2).
There
are two reasons why insulation should be placed in the pipe network of thermal
installations:
·
To
prevent the generation of surface condensation on the pipe surface.
·
The total
heat loss of all pipes should not exceed 4% of the maximum transport power, as
established in the Regulation of Thermal Instructions for Buildings (RITE)
(Royal Decree 1027/2007, 2007).
Table 2. Advantages of Using Heat
Loss Calculation Software.
|
Advantages
|
HEAT LOSS
CALCULATION SOFTWARE
|
|
UNE-EN 12241
|
Adequacy of insulation thickness
|
|
Space reduction
|
|
Reduction of the overall installation
cost
|
|
Reduction of energy demand thanks to
energy efficiency (4% guarantee)
|
Source: Serrano (2017).
f)
Reduction
of condensation risk
Based
on the physical principle that indicates that a mass of air with relative
temperature and humidity X will produce condensation on the surface of the
material as long as the surface temperature of the insulation (Tx)
is lower than the dew temperature of the outside air under the temperature and
humidity conditions considered, it follows that:
·
condensation
occurs when Tdp > Tx
·
condensation
does not occur when Tdp < Tx.
For
this case, the least favorable conditions are cold fluid transfer, high ambient
temperature and high relative humidity.
PP-R
is not a good conductor of heat, and its thermal conductivity value is very
low, so the risk of surface condensation on the pipe decreases and can reach
very low levels.
In
addition, in the event of surface condensation, there is no possibility of
degradation by corrosion of the material, since the material is the same as
that found inside the pipes in contact with water. Steel pipes have a very high
thermal conductivity coefficient; therefore, the risk of surface condensation
is much higher than that of PP-R pipes.
g)
Reduction
of thermal losses
The
main issue for an efficient system is to avoid wasting energy during its
production and subsequent distribution. The low thermal conductivity of PP-R
helps maintaining the temperatures of the transported fluid, resulting in improvements
due to the raw material, since it sometimes allows reducing the insulation
thickness with regard to that considered in the simplified method of the RITE.
In these cases, the space required for pipes is considerably reduced, and this
represents a reason for choosing the polypropylene pipe system in renovation
works.
In
the pseudo-stationary arrangement, the lower thermal conductivity of
polypropylene, λ=0.024 W/(mK), reduces the disturbances, which is favorable
compared to systems with metallic materials. The thermal dispersion produced
along the system is more contained; therefore, producing so much heat to supply
DHW, heating and air conditioning up to the terminal points is unnecessary
(Italsan, n. d.).
Such
an event can be interpreted as a decrease in boiler consumption of up to 10% in
systems where there is recirculation of fluid with temperature 24 hours a day
and 365 days a year.
In
conclusion, the use of PP-R pipes and a thermal loss calculation tool guarantee
maximum thermal losses of 4% with the insulation thickness appropriate to the
material of the system.
h)
Minimum
noise level in the system
Owing
to its acoustic impregnation and isolation properties, our polypropylene piping
system significantly dampens the sound effects in the installation, providing
acoustic comfort in all rooms.
CONCLUSIONS
Reduced Handling Times
The polypropylene pipe connection system
is based on a molecular coupling. These types of joints are unprecedented in
the polymeric materials industry and offer the following advantages:
·
Shorter
welding times (DVS Standard 2207-1) compared to stainless steel pipes
·
Immediate
start-up of the system after welding, without having to wait for cooling as in
the case of metallic pipes.
Note that joining processes involving
flames can be avoided, i.e., the processes for connecting polypropylene pipes
are much safer than stainless steel welding, which requires the use of torches
and specific protections (Aristegui, 2017).
Reduced Weight for Handling
Owing to its density, which is virtually
the same as that of water, pipes made of PP-R have a considerably lower weight
than those made of stainless steel with the same diameter and length. This
fact, in addition to reducing the total weight of the system, means a
considerable reduction in stresses and, therefore, in the difficulty of
handling. As PP-R pipes are much lighter, a wider range of users can
comfortably use them.
Joining Simplicity
Provided that quality standards are
maintained during the process, thermofusion is much simpler than metal welding.
Specifically, poor flame application during welding can create corrosion-prone
areas.
Biosafety
Both the formation of rust and fouling
(such as scale) on the stainless steel surface increases its roughness, which
favors the accumulation of microorganisms (which in turn may be metabolically
active to the metal oxides) that can create biofilms, which are aggregates of
biological material that protect the microorganisms that lodge therein and also
serve as a medium for their evolution. Risk of legionellosis increases
considerably in this respect. Consequently, users have to increase the
concentration of disinfectants in the water which, although it may destroy a
maximum of approximately 70% of the biofilm, it initiates or aggravates
corrosion processes.
Once the disinfection actions are
finished, the new microorganisms (always present in the water) have new
settlements in the most critical parts of the installation to be deposited
again, thus creating a cycle that will lead to a drastic reduction of the
service life of the system and to sanitary risks.
Owing to its composition, the
polypropylene piping system is more resistant to fouling and is completely
immune to corrosion.
Specifically, the beta nucleated
polypropylene pipe offers a higher resistance to thermo-oxidative degradation,
so that the adherence of biofilm, which must be avoided to prevent the
proliferation of Legionella, is reduced thanks to the good condition of the
surface in contact with the fluid.
ACKNOWLEDGEMENT
To Josep María Ferrer Bruach, PhD in
Chemical Science and head of new product development at Italsan.
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