3.2) DISEÑO DEL TANQUE HIDRONEUMATICO

3.2.1) CALCULO DEL VOLUMEN UTIL Y VOLUMENT TOTAL

Cálculo del caudal máximo requerido por la planta:

PROCESOS

Del gráfico se tiene que el consumo máximo será entre las 8-10 am y es de 70 lpm.

CALDERO

Tenemos una potencia de 200 BHP:

200 BPH =

200 x15.65Kg Agua/h

1BHP=3130 x Kg Agua

hx

1 l1Kgagua

=3130 x lhx1h60min

=52.167 lpm

LIMPIEZA

Asumiremos que se realiza a lo largo de una jornada de 8h:

QL=7m3

8hx1000 l1m3 x

1h60min

=14.58 lpm

Sumando los caudales máximos obtenidos encontraremos el caudal requerido en el tanque hidroneumático:

Área Qmax(lpm)Procesos 70Caldero 52.167Limpieza 14.58

QT 136.747

Caudal requerido en el tanque hidroneumático:

Qmax=136.747≅ 137 lpm

Caudal de la bomba Qbomba=3 xQmax=411 lpm

CÁLCULO DEL CICLO DE CARGA

Asumiremos un total de: 6 ciclos de carga / hora. Luego:

t ciclo=60min6ciclos

=10min

Calculamos la relación entre los tiempos de carga y descarga:

t cargatdescarga

=

V util

274V util

137

=12

t carga=103min t descarga=10 x

23min

CALCULO DEL VOLUMEN DEL TANQUE

Desde la perspectiva del aire tenemos:

El volumen útil será:

V util=V 2−V 1------------------- 1

De las propiedades del gas ideal: P1 .V 1=P2 .V 2

V 2

V 1

=P1P2

=100+14.785+14.7

=1.15

Tendremos el siguiente sistema de ecuaciones:

V 2−V 1=913.33 ---------1

V 2

V 1

=¿1.15 ---------2

137 lpm411 lpm

V util

V util=(Qbomba−Qmax) x t carga

V util=913.33 l

ON

OFF CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO

APAGADOP1 100 psigV1

ENCENDICOP2 85 psigV2

V 2=6983.96lts V 1=6070.62 lts

3.2.2) DISEÑO OPTIMIZADO DEL TANQUE

DISEÑO DEL CUERPO CILINDRICO

El diseño se hará de acuerdo al código ASME Sección VIII Div. 1 Norma 4G-27.

De acuerdo a norma:

P0¿300 psi PD=1.1 P0

< 300 psi PD=P0+30 psi

Dónde:

P0: Presión de operación

PD: Presión de diseño

Como tenemos P0=105 psi, entonces:

PD=P0+30 psi=130 psi

PARAMETROS DE DISEÑO

Operación Diseño Otros

V util=913.33 lts V T=4012.64 lts ρAgua=1000kg /cm2

P0=105 psi PD=¿135 psi PAtm=1kg /cm2

MARGEN DE CORROSIÓN

10 %V 2

V T=V 2+0.1V 2

V T=¿7682.3511 lts=7.68235 m3

En todo equipo se debe determinar un sobreespesor de corrosión para compensar la corrosión, erosión o abrasión mecánica que van sufriendo los equipos. La vida deseada de un recipiente es una cuestión de economía y así mismo aumentando convenientemente el espesor del material respecto al determinado por las fórmulas de diseño, o utilizando algún método adecuado de protección.Este valor es habitualmente igual al máximo espesor corroído previsto durante diez años, y en la práctica oscila entre 1 a 6 mm incrementándose a los espesores obtenidos para resistir las cargas a las que se encuentran sometidos los recipientes.

En este caso se ha decidido utilizar un sobreespesor (C) igual a 2mm.

C=2mm

EFICIENCIA DE LA SOLDADURA (E)

Las zonas cercanas a la soldadura se ven afectadas por el rápido calentamiento y enfriamiento.

De acuerdo al código ASME Sección VIII Div. 1 UW-12 para el caso del cuerpo del cilindro se tendrá: E=0.85

CALCULO DEL DIAMETRO OPTIMO DEL TANQUE

La relación óptima de la longitud del diámetro puede hallarse mediante el procedimiento siguiente:

F=PD

C .S . E

Dónde:

PD 13o psi

C 0.07874 pulg

E 0.85

S 35969 psi

Luego se tendrá que: F=0.054

Luego usando la gráfica del Anexo 1 para:

V T=271.3 ft3

Se encuentra un valor de

Di=ft=146.304 cm

CÁLCULO DEL ESPESOR DEL CUERPO CILINDRICO

Del código ASME Sección VIII Div. 1 Norma parte UG-27, se tiene que basados en el esfuerzo circunferencial el espesor del tanque será:

t c=P. R

S . E−0.6 .P

Dónde:

P: Presión de diseño en [kgf /cm2]

R: Radio del cilindro en [cm]

S: Esfuerzo de fluencia del material en [kgf /cm2]

E: Eficiencia de la junta

Luego, tendremos: t c=9.1399 x73.152

2528.87 x 0.85−0.6 x9.1399

t c=0.3118 cm=3.118mm

Pero para el espesor total debemos agregarle el margen agregado por corrosión:

t=t c+C=3.118+2=5.118mm

Pero se tomara el más cercano en medidas estándar esto es:

t=5.9mm

CALCULO DEL VOLUMEN DEL CABEZAL TORIESFÉRICO

Con el diámetro interior calculado, el volumen de los fondos se realizar con la siguiente fórmula:

V f=0.1 x Di3

Vf = Volumen de la tapa toriesférica (m3)

Pero como son dos cabezales tendremos:

V f=0.1 x Di3 x2

V f=0.1 x1.4633 x2

V f=0.6263m3

CALCULO DE LA LONGITUD DEL TANQUE

El volumen del cuerpo cilíndrico lo hallaremos de la siguiente manera:

V cilindro=V total−V tapas

V cilindro=7.6824−0.6263

V cilindro=7.056m3

La longitud del tanque será:

Lcilindro=4 x V c

πx Di2

Lcilindro=4 x7.056

πx1.4632

Lcilindro=4.1958m

CALCULO DE LA ALTURA DEL CABEZAL TORIESFÉRICO

La forma del cabezal será:

Dónde:

h=3.5 xt=17.91mm

H=0.1933xD i+h=300.72mm

L=Di=1463.04mm

r=0.06 xL=87.782mm

Entonces las medidas serán:

Pero se debe considerar el doble de H ya que son don tapas.

La longitud TOTAL del tanque deberá ser:

LT=Lcc+2xH=4.198m

Luego de calcular los esfuerzos que tendría que soportar la tapa toriesférica se obtuvo que estas no son recomendables, por lo que se cambió por unas tapas con forma de semiesfera.

DIMENSIONES TAPA SEMIESFÉRICA

Esta tendrá un diámetro igual al diámetro del cilindro.

DE=Di

3.2.3) DIMENSIONES REALES DEL TANQUE

Para la fabricación del tanque se debe estar acorde con los materiales disponibles para su fabricación. En nuestro caso las planchas de acero disponibles en el mercado son de las siguientes dimensiones:

DIMENSIONESPLANCHA ACERO A36 5.9mmX1.2mX2.4 m

Debido a esto se unirán las planchas en grupos de 2 para formar el cilindro y usaremos tapas semiesféricas para mayor seguridad. Entonces tendremos como datos:

Di=1.524m

V tapas=1.8533m3

V Total=7.6824m3

CALCULO DE LA LONGITUD DEL TANQUE

El volumen del cuerpo cilíndrico lo hallaremos de la siguiente manera:

V cilindro=V total−V tapas

V cilindro=7.6824−1.8533

V cilindro=5.8291m3

La longitud del tanque será:

Lcilindro=4 x V c

πx Di2

Lcilindro=4 x5.8291

πx1.5242

Lcilindro=3.1945m

Pero para evitar la pérdida del material se empleará una longitud del cilindro de:

Lcilindro=3.6m

Luego el volumen final de nuestro tanque hidroneumático será:

V TotalReal=¿ 8.4201m3¿

3.2.4) PROGRAMACION EN EXCEL

DISEÑO OPTIMIZADO DEL TANQUE HIDRONEUMÁTICO

Ingreso de datos conocidos:

Cálculo de tiempos de carga, descarga, volumen y parámetros de diseño.

Calculo del Diámetro optimo y espesor del tanque.

Cálculo de las dimensiones de las tapas del tanque hidroneumático para dos casos: Toriesféricas y semiesféricas.

Cálculo de la longitud TOTAL del tanque.

Tabla para la obtención del valor estándar del espesor.

DISEÑO PARA DIMENSIONES ESTANDAR

Gráfica Volumen vs Diá metro