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
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