Winterization 101: La Ciencia de las Tuberías Congeladas

Como ingeniero profesional, a menudo examino componentes de construcción que han fallado. Y siempre me sorprende el hecho de que la mayoría de las casas dañadas por tuberías congeladas son de nueva construcción. Esto me llevó a preguntarme qué es lo que la gente que construía estas casas no consideró como edificios construidos que más tarde resultarían vulnerables.

Todos sabemos que varios días y noches de clima inusualmente frío a menudo resultan en la congelación y rotura de tuberías. Las fallas resultantes a menudo hacen que el agua fluya de la tubería rota hasta que alguien la nota, encuentra la válvula de cierre adecuada y detiene el flujo. El daño resultante puede ser costoso de reparar.

La respuesta más simple a la pregunta de por qué sucede esto es porque el tubo se enfrió demasiado. Pero eso no explica cómo las tuberías pueden ser vulnerables, o qué hace que algunas tuberías se congelen y rompan mientras que otras no. Mi simple comprensión es que a medida que el agua en el tubo se congela y se expande, empuja hacia afuera en las paredes del tubo hasta que se estiran y explotan.

Pero un estudio de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign indica que si bien esto puede suceder, rara vez sucede. Es más común que el hielo se forme dentro de la tubería e intente expandirse a lo largo de la tubería, según el estudio.

El agua es incompresible, por lo que cuando el agua está confinada entre el hielo expansivo y un accesorio cerrado, la presión aumenta hasta que la tubería se levanta. La ruptura se producirá en la parte más débil de la tubería que contiene el fluido confinado. Por lo tanto, lo más probable es que la tubería estalle lejos de la ubicación de congelación real, y la presión del agua en un volumen confinado es una parte acríticamente importante de la causa subyacente.

Algunas soluciones
Dicho esto, la mejor manera de evitar que una tubería se congele es mantenerla lo suficientemente caliente para que el agua permanezca por encima del punto de congelación.

La forma más común de calentar una tubería es dejarla expuesta al aire interior cálido, a menudo ubicando las tuberías dentro de las paredes interiores, donde la temperatura a ambos lados de la pared suele estar muy por encima de la congelación. Alternativamente, si una tubería debe ir a una pared exterior, un constructor puede ubicar la tubería de modo que se encuentre entre la habitación cálida y el aislamiento de la pared. En este caso, aunque la tubería estará más fría que la habitación adyacente, siempre que haya suficiente aislamiento en el exterior de la tubería para mantenerla caliente, es probable que no se congele.

Finalmente, en ciertas circunstancias, uno puede tener que instalar un rastro de calor en una tubería para calentarla directamente. El rastro de calor es una cinta calefactora resistente que envuelve la tubería y utiliza electricidad para mantener el calor, una especie de calentador eléctrico para la tubería. Desafortunadamente, esto es costoso de instalar y operar, y se vuelve ineficaz si hay un corte de energía.

Para tuberías que no se mantienen calientes de forma activa, es posible reducir el enfriamiento aislando la tubería. El aislamiento ayuda a prevenir la congelación de dos maneras. En primer lugar,el aislamiento funciona ralentizando la velocidad de enfriamiento conductivo, es decir, el agua pierde calor directamente a las paredes de la tubería y las paredes de la tubería pierden calor directamente al aire circundante. En segundo lugar, el aislamiento también puede proporcionar protección contra el enfriamiento por convección, es decir, el enfriamiento que resulta del aire frío que sopla en la tubería y se transporta a una velocidad acelerada. Cuando una tubería está expuesta a una fuga de aire, el aire frío que sopla contra la tubería aumentará rápidamente la velocidad de enfriamiento y, posteriormente, aumentará la vulnerabilidad de la tubería a la congelación, una especie de efecto de enfriamiento por el viento.

Otra forma de evitar el estallido es aliviar la presión en ambos lados de una congelación. En muchas circunstancias, los grifos de agua al aire libre se pueden acondicionar para el invierno cerrando una válvula dentro de la casa, en algún lugar a lo largo de la tubería, y luego abriendo la tapa al aire libre. Incluso si el grifo se abre solo el tiempo suficiente para drenar parcialmente la línea, una vez que se cierra, se producirá un volumen de aire entre el grifo y el agua que permanece en la tubería. En este caso, el hielo en expansión tenderá a comprimir el volumen de aire y evitar que la presión exceda la resistencia de la tubería y sus conexiones.