Calculo de recipientes a presión

Universidad Pontificia Bolivariana
30 de septiembre, Medellín, Antioquia, Colombia


Diseño y cálculos de un recipiente a presión

Mateo Herrera G.; Juan Camilo Pérez R.; Oscar Julián Toro C.; Facultad de ingeniería mecánica.

Introducción
Este es un trabajo propuesto en la asignatura de mecánica de materiales II y desarrollado por estudiantes de ingeniería mecánica, en el cual sediseña y se calcula un tanque a presión para almacenar 35 toneladas de dióxido de carbono a una presión de 24 bares, en el municipio de Sopo, Cundinamarca.
Fue desarrollado para afianzar y conocer los cálculos y consideraciones que tenemos que tener en cuenta para llevar a cabo un problema real de diseño, para la construcción de un recipiente a presión tanto con condiciones conocidas como noconocidas.
Se realizó por medio de los cálculos dados por el profesor en clase, mediante la búsqueda en internet, y por algunas consideraciones tenidas en cuenta.

Problema
Se necesita calcular un recipiente a presión, el cual se va a emplear para almacenar de 32 a 35 toneladas de dióxido de carbono a una presión de 24 bares en una fábrica de gaseosas, el tanque va a estar ubicado en el municipio deSopo, Cundinamarca, el cual tiene una temperatura promedio de 15°C, no se conocen las condiciones del suelo donde va a estar ubicado y el cliente requiere que el tanque sea vertical.


Cálculos
Determinación del material:
Se escogió un acero inoxidable AISI 4140, ya que al ser una fábrica de gaseosas y al ser para consumo humano necesita condiciones de salubridad
Determinación de la presión:La presión de operación (Po) de tanque es de bares que equivalen a 348,078 psi y al ser mayor a 300 psi, la presión de diseño (P) es:

Determinación de la temperatura:
La temperatura de operación promedio (To) de Sopo es de 15°C, para tener mayor seguridad se tomó una temperatura de diseño (Tp) de 20°C, y al ser una temperatura menor a la temperatura ambiente todas las propiedades ycaracterísticas del material se tomaran respecto a la temperatura ambiente.
Determinación de dimensiones del tanque:
Como una de las restricciones del cliente era que el tanque fuera vertical, tomamos un tanque con un cuerpo cilíndrico vertical. Para hallar la altura y el diámetro programamos una hoja del Excel con los diferentes tamaños de láminas que nos daba el proveedor.
Lamina
Alto (ft)
Ancho (ft)1
4
8
2
4
16
3
5
10
4
5
20
5
3
10

Se simuló que las láminas se enrollaban en los dos sentidos posibles a ver con cual daba mejor aprovechamiento de las láminas. Finalmente se decidió escoger la lámina 3, de 5x10 ft en orientación horizontal. Con estas medidas y la cantidad de láminas necesarias se halló el volumen que este podía contener y se seleccionó uno cercano al que senecesitó. El volumen que se necesitaba fue entre 32 y 35 toneladas de dióxido de carbono, el cual se consideró como un gas ideal para los cálculos. Con que es la ecuación general para los gases ideales se halló el volumen necesario que ocupa esa masa de dióxido de carbono.
Ya que se cumplió la condición de presión para las tapas esféricas, se usó este tipo de tapas ya que tienen más volumen paraalmacenar el gas y puede disminuir la cantidad de láminas necesarias en el cuerpo.
Con las hojas programadas de Excel se determinó que las medidas del tanque son de 7,25 láminas de ancho con un diámetro de 7,03401186 metros y de 10,5 láminas de alto, con una altura de 16,002 metros más las tapas, que tienen el mismo diámetro del cuerpo, quedando con una altura total de 23,03601186 metros.
Eltanque ya con las tapas tiene un volumen total de 804,0530759 m^3, o sea que cuenta con una capacidad de 34,86 toneladas de dióxido de carbono.
Ya con estas medidas y las presiones correspondientes se calculó el espesor necesario del cuerpo y las tapas del tanque. Para esto es necesario E, el cual es la eficiencia de la unión cuando la soldadura esta radiografiada. Se utilizó soldadura a tope...