Diseño I
Concepto: El diseño de ingeniería puede describirse como el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización.
Fases del diseño:
• Diseño conceptual: en el que se plantean las configuraciones posibles, buscando una síntesis equilibrada desde una perspectiva general sin requerir una excesiva precisión, a partir de las especificaciones iniciales, los requisitos de funcionamiento y la
experiencia previa.
• Diseño preliminar: en el que se trata de optimizar las configuraciones seleccionadas de la fase anterior para llegar a una óptima. La simulación se presenta como una herramienta potente y versátil a partir de ahora en el proceso de diseño.
• Diseño detallado: en el que se desarrolla la solución anterior con cálculos pormenorizados, simulaciones y pruebas con prototipos, donde el coste es más elevado y los medios requeridos mayores. Con una solución parcialmente definida, los costes del proceso de diseño empiezan a crecer a un ritmo superior a como lo hizo en las fases precedentes.
Consideraciones en el diseño: la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la configuración geométrica y las dimensiones que tendrá dicho elemento, en tal caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseño.
La expresión factor de diseño significa alguna característica o consideración que influye en el diseño de algún elemento o, quizá, en todo el sistema. Por lo general se tiene que tomar en cuenta varios de esos factores en un caso de diseño determinado. Alguno de esos factores será crítico y, si se satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar los demás. Suelen tenerse en cuenta los factores siguientes:
Resistencia, Confiabilidad, Condiciones térmicas, Corrosión, Desgaste, Fricción o rozamiento, Procesamiento, Utilidad, Costo, Seguridad, Peso, Ruido, entre otras…
Códigos, normas o estándares:
• Aluminium Association (AA): es una asociación comercial para la producción de aluminio, la fabricación y las industrias de reciclado, y sus proveedores. De
conformidad con las siete normas del ANSI H35, La Asociación del Aluminio registra y publica especificaciones que describen la composición, propiedades mecánicas y la nomenclatura de las aleaciones de aluminio en los Estados Unidos.
• American Gear Manufactures Association (AGMA): La Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes AGMA es el grupo comercial de empresas de fabricación de engranajes y ruedas de fricción. está acreditado por el American National Standards Institute (ANSI) para escribir todos los estándares de engranajes en los Estados Unidos. • American Institute of Steel Constructuion (AISC): El Instituto Americano de
Construcción en Acero (AISC), es un instituto técnico y comercial asociación para servir a la comunidad de diseño de estructuras de acero y la industria de la construcción en Estados Unidos.
• American Iron and Steel Institute (AISI): El instituto americano de hierro y acero (AISI) es una asociación de productores de acero de Norte américa. Su desarrollo fue en respuesta a la necesidad de una agencia de cooperación en la industria del hierro y acero para la recopilación y difusión de estadísticas e información.
• American National Standards Institute (ANSI): El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares es una organización sin ánimo de lucro que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. • American Society of Mechanical Engineers (ASME): La Sociedad Americana de
Ingenieros Mecánicos Es una asociación de profesionales, que ha generado un código de diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos, entre otros, calderas y recipientes sujetos a presión
• American Society of Metals (ASM): La sociedad Americana de metales es una
organización profesional de los científicos de materiales e ingenieros que trabajan con metales. La ASM proporciona varios recursos de información, incluyendo sus
Manuales, una serie de libros de referencia que proporcionan datos sobre los diferentes tipos de metales. Estos manuales se reconocen como un estándar de referencia en el campo de la ciencia de los materiales.
• American Society of Testing and Materials (ASTM): La asociación americana para pruebas y materiales fue establecida en 1898, y es una de las mayores organizaciones del mundo que desarrolla normas aplicables a materiales, productos, sistemas y servicios. ASTM desarrolla, publica, y distribuye estándares para materiales, productos, sistemas y servicios para aproximadamente 100 sectores del mercado. ASTM publica 12,000 estándares anualmente tanto en forma.
• La American Welding Society (AWS): La asociación americana de soldadura es una organización sin fines de lucro dedicada al avance de la ciencia, la tecnología y la aplicación de la soldadura y procesos de unión y corte de aliados, incluyendo la soldadura, soldadura y proyección térmica.
• Anti-Friction Bearing Manufactures Association (AFBMA) La asociación americana de fabricantes de rodamientos es un grupo comercial de la industria que se ocupa de todos los aspectos de la tecnología de rodamientos. Fue fundada en 1917 como un grupo informal de los fabricantes con el fin de ayudar a la fabricación del cojinete durante la Primera Guerra Mundial
• Society of Automotive Engineers (SAE): La Sociedad de Ingenieros de Automoción, es la organización enfocada en la mobilidad de los profesionales en la ingeniería
aeroespacial, automoción, y todas las industrias comerciales especializadas en la construcción de los vehículos. El principal objetivo de la sociedad es el desarrollo de los estándares para todos los tipos de vehículos, incluyendo coches, camiones, barcos, aviones, etc.
Ingeniería conceptual: es la primera etapa de un proyecto luego de que se plantea la necesidad del mismo, en esta etapa del proyecto se definen inicialmente algunos aspectos como:
1. Viabilidad técnica.
2. Cronograma inicial del proyecto.
3. Recopilación de requerimientos del cliente.
4. Reunión en sitio con el cliente para evaluar las instalaciones. 5. Costos de inversión.
6. Rentabilidad de la inversión. 7. Costos de mantenimiento. 8. Diagramas de flujo de procesos.
La ingeniería básica: es el siguiente paso en el proyecto de ingeniería y no es más que la profundización de todo lo relacionado a la ing. conceptual.
En esta etapa se desarrollan actividades o tareas como:
1. Realizar el estudio de instalaciones físicas (planta) y revisión de planos de equipos en función de medidas para que cumpla con normas y estándares de seguridad industrial.
2. Revisar los diagramas de flujo de los procesos y elaboración de los diagramas P&ID (Piping and Instrumentation Diagram), diagramas unifilares para las instalaciones eléctricas, diagramas de control entre otros.
3. Dimensionar los equipos a utilizar según la disponibilidad en planta. 4. Seleccionar el software y el hardware que hará parte del proyecto.
5. Realizar los cálculos preliminares de cada sistema que hace parte del proyecto (mecánico, hidráulico, eléctrico, neumático, electrónico, etc.).
6. Realizar la lista inicial de equipos: PLC, AC Drives, sensores, válvulas, tubería, cable, fuentes de alimentación, motores y en general todo lo que hará parte del proyecto.
7. Realizar el estudio para la selección de proveedores de equipos desde el punto de vista financiero y técnico.
Ingeniería de detalle: es la implementación del proyecto y pruebas en sitio, algunas
tareas o procesos que hacen parte de la ing. de detalles son:
1. Revisar la ing. básica.
2. Realizar los diagramas y planos eléctricos, mecánicos, hidráulico,
neumáticos, etc de montaje definitivos e implementarlos.
3. Programar y parametrizar los dispositivos (PLC, AC drives, etc.)
4. Diseñar y configurar los HMI/SCADA
5. Realizar la documentación de cada proceso y etapa del proyecto.
6. Capacitar al personal.
Es así como finalizaría el proyecto... haciendo un resumen podemos decir coloquialmente que la etapa de ing. conceptual es la etapa del papel, la etapa de ing. básica es en la que se corrobora que lo que está en papel se pueda hacer y por último la ing. de detalles es cuando se implementa lo que se plasmó inicialmente en el papel.
Recipiente a presión: Se considera como un recipiente a presión cualquier vasija cerrada que sea capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o vació, independientemente de su forma y dimensiones.
Clasificación de recipientes a presión:
• Por su geometría: Recipientes abiertos Recipientes cerrados
Tanques cilíndricos de fondo plano
Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas formadas Recipientes esféricos
• Por su espesor: De pared Gruesa De pared Delgada
Ecuaciones de recipientes de pared gruesa: Cuando el cilindro tiene una relación r / t de menos de 10 (a menudo citada como 20) las ecuaciones de cilindro de pared delgada, ya no tienen ya tensiones varían significativamente entre superficies interior y exterior y el esfuerzo cortante a través de la sección transversal ya no puede ser descuidado.
Para el cálculo de las tensiones y presiones se deben utilizar un conjunto de ecuaciones conocidas como ecuaciones de Lamé.
Donde:
• A y B son constantes de integración, que pueden ser descubiertas a partir de las condiciones de contorno
• r es el radio en el punto de interés (por ejemplo, en la paredes interiores o exteriores)
A y B se pueden encontrar mediante la inspección de las condiciones de contorno.
Normas que rigen el diseño de Recipientes a presión:
Para el cálculo, diseño y construcción de estos equipos son tres las Normas y Códigos más difundidos y aceptados internacionalmente:
ASME, Boiler and Pressure Vessel Code ( edith 2001)
# Secction VIII, Division 1 – Rules for construction of pressure vessels
# Secction VIII, Division 2 – Alternatives Rules for construction of pressure vessels # Secction VIII, Division 3 – Alternatives Rules for high pressure vessels
# Section X – Fiber Reinforced Plastic Pressure Vessels
British Standards Institution (BSI)
# BS 5500 – Specification for unfired fusion welded pressure vessels # BS 5169 - Specification for fusion welded steel air receivers
European Commitee for Standarization (CEN)
# EN 286: Part 1 – Specification for simple unfired pressure vessels designed to contain air or nitrogen
# CODAP 95 – French Code for Construction of Unfired Pressure Vessels
Presion de diseño (P): Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión, dicho valor será el
siguiente:
Si Po > 300 lb/pulg2. Si Po ≤ 300 lb/pulg2. P = 1.1. Po. P = Po + 30 lb/pulg2.
Donde P es la presión de diseño, y Po es la presión de operación.
Presion de operación (Po): Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal.
Presion de prueba (Pp): Se entenderá por presión hidrostática de prueba y se cuantificará por medio de la siguiente ecuación:
Pp = P (1.5) Sta/Std Donde:
P = Presión de diseño.
Sta = Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura ambiente. Std = Esfuerzo a la tensión del material a la temperatura de diseño.
