UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA MULTIPUNTO DE
VAPORIZACIÓN DE COMBUSTIÓN PARA QUE INGRESE AL
MULTIPLE DE ADMISION PARA MEJORAR LA COMBUSTION Y
AUMENTAR LA POTENCIA DEL MOTOR
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
AUTOMOTRIZ
PATRICIO FERNANDO PINTO FLORES
DIRECTOR: ING. EDDY VILLALOBOS.
©Universidad Tecnológica Equinoccial 2016
DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo a mi padre Luis Pinto que fue durante su vida la persona quien me levanto y puso su hombro junto al de mi madre Laura Flores para darme una formación profesional, y ser mis pilares durante toda mi carrera y que lo serán durante mi desarrollo personal y profesional, dándome cada día su sabiduría y apoyo incondicional.
A mi tutor Ing. Eddy Villalobos que me enseño no solo dentro del aula sino también en la vida a que un problema no es excusa solo se debe seguir para alcanzar la meta propuesta.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por permitir tener dos padres maravillosos que me enseñaron que el éxito no se mide por lo que logras si no por los obstáculos que superas.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN……….………vii
ABTRACT ... ix
1. INTRODUCCION ... 1
2. MARCO TEORICO ... 4
2.1. INICIOS DEL AUTOMOVILISMO ... 4
2.2. SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE ... 5
2.2.1 QUÉ ES EL SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE . 5 2.2.2 PARA QUE SIRVE EL SITEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE. ... 7
2.3 FUNCIONES Y ELEMENTOS DE INYECCION MULTIPUNTO ... 8
2.3.1 LA INYECCION MONO PUNTO ... 8
2.3.2 LA INYECCIÓN MULTIPUNTO ... 9
2.3.3 SISTEMA DE INYECCIÓN JETRONIC ... 11
2.3.4 SISTEMA DE INYECCIÓN MOTRONIC ME 7 ... 12
2.4 DISEÑO PARA RECIPIENTES DE PRESIÓN ... 15
2.4.1 RECIPIENTE A PRESIÓN ... 15
2.4.2 TIPOS DE TAPAS ... 16
2.4.3 EFICIENCIA DE LAS SOLDADURAS... 17
2.4.7 IDENTIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE RECIPIENTES A PRESIÓN. ... 20
ii
2.4.7.2 Recipientes de procesos ... 20
2.4.8 RECIPIENTES DE TRANSPORTE... 20
2.4.8.1 Por su geometría recipientes cilíndricos ... 21
2.4.8.3 Recipientes esbeltos. ... 22
2.4.8.4 Recipientes esféricos. ... 23
2.5 TRANSFERENCIA DE CALOR ... 23
2.5.1 CONDUCCIÓN ... 24
2.5.2 CONVECCIÓN ... 24
2.5.3 Radiación. ... 25
2.6 TERMODINÁMICA ... 26
2.6.1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 26
2.6.2 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 27
2.6.3 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ... 27
2.7 SISTEMA DE CALEFACCIÓN ... 28
2.7.1 SISTEMA VAPORIZADOR DE AIRE ... 30
3. METODOLOGÍA ... 34
4. ANALISIS Y DISCUSIÓN ... 36
4.1 PROPUESTA ... 36
4.2 CÁLCULO POR PRESIÓN INTERNA ... 38
4.3 PRESIÓN DE DISEÑO... 38
4.4 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL MATERIAL ... 41
4.4.1 DISEÑO ÓPTIMO DEL RECIPIENTE ... 42
4.5 ESPESOR CABEZA ELIPSOIDAL ... 43
iii
4.6 FACTORES ECONÓMICOS Y EFICIENCIA. ... 58
4.7 ESQUEMA DEL SISTEMA ... 60
4.8 PRUEBAS DELTANQUE VAPORIZADOR. ... 62
4.8.1 Pruebas a baño maría. ... 62
4.8.2 PRUEBAS DE CONSUMO. ... 63
4.9 PRUEBA DE CAMPO... 64
4.9.1 SIMULACIONES SOLID WORKS……….………….65
4.9.2 PLANOS DEL TANQUE……….70
5. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES ... 74
5.1 CONCLUCIONES ... 74
5.2 RECOMENDACIONES ... 75
BIBLIOGRAFÍA ... 776
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Eficiencia de soldaduras ... 18
Tabla 2. Propiedades físicas y químicas de la gasolina ... 40
Tabla 3. Propiedades de los materiales ... 40
Tabla 4. Comparación de las características de la gasolina ... 41
Tabla 5. Características del combustible ... 41
Tabla 6. Datos de la prueba 1 ... 66
Tabla 7. Datos del consumo de combustible ... 66
Tabla 8. Datos de la segunda prueba consumo ... 67
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sistema de alimentación de un motor ... 6
Figura 2. Esquema básico de un sistema monopunto ... 9
Figura 3. Sistema multipunto... 10
Figura 4. Sistemas de inyección jetronic ... 11
Figura 5. Sistema de inyección motronic me 7... 13
Figura 6. El sistema de inyección directa de combustible med 7 ... 15
Figura 7. Tipos de tapas ... 17
Figura 8. Recipiente cilíndrico ... 21
Figura 9. Separador bifásico ... 21
Figura 10. Torres de fraccionamiento ... 22
Figura 11. Esferas presurizadas para el almacenamiento de líquidos del gas natural ... 23
Figura 12. Convección en una olla en ebullición ... 25
Figura 13. Radiación del sol ... 26
Figura 14. Equilibrio térmico... 27
Figura 15. Funcionamiento del circuito de calefacción ... 29
Figura 16. Vaporizador de combustible ... 31
Figura 17. Esquema de evaporación de etanol desde líquido fermentado obtenido de desechos de frutas y verduras aplicado a la admisión de aire de un vehículo para economizar combustible. ... 36
Figura 18. Fórmulas para calcular t=espesor ... 39
Figura 19. Tabla para determinar el diseño del recipiente ... 43
Figura 20. Tabla para determinar el diseño del recipiente ... 43
Figura 21. Esfuerzos en recipientes sometidos a presión interna ... 45
Figura 22. Esquema del tanque ... 47
Figura 23. Dosadora tomei ... 48
Figura 25. Válvula de seguridad o desfogue ... 49
Figura 26. Foto del serpentín de acero ... 49
Figura 27. Diseño de la tapa del tanque ... 50
vi
Figura 29. Foto del cuerpo del tanque ... 52
Figura 30. Foto del manómetro de presión ... 52
Figura 31. Foto de la válvula de sobrepresión ... 53
Figura 32. Esquema de instalación vávula dosadora ... 53
Figura 33. Foto del serpentín de acero. ... 54
Figura 34. Foto cuerpo del tanque ... 55
Figura 35. Foto del proceso de perforado. ... 56
Figura 36. Foto del tanque ensamblado ... 57
Figura 37. Foto de la bomba exterior utilizada para la prueba ... 59
Figura 38. Esquema del sistema vaporizador ... 60
Figura 39. Foto tanque instalado en el vehículo ... 61
Figura 40. Foto del tanque a baño maría ... 62
Figura 41. Esquema de consumo normal ... 63
Figura 42. Esquema del vaporizador montado... 64
vii
RESUMEN
La presente tesis ha sido desarrollada con la finalidad de realizar el diseño y la fabricación de un tanque dosificador de combustible de acero inoxidable para aumentar potencia y disminuir el consumo de combustible en un 15% en el vehículo tomando en cuenta algunas pruebas realizadas el consumo de gasolina en la primera prueba con 3.5 lt con la dosadora cerrada se puede ver que la presión aumenta y al abrir la dosadora se pierde 0.5 lt en los primeros 15 min después se tiene una pérdida de combustible de 300ml cada 15 min en ese momento el manómetro de presión se estableció a 40psi valores que variaban según las rpm del motor al elevar a 2500 rpm se constata el incremento a 60 psi dentro del tanque y en la línea de combustible a 40 psi, inmediatamente se pudo constatar la reducción del consumo de gasolina en el tanque de combustible aproximadamente 3 horas posteriores al inicio de la prueba se agotó el combustible líquido y empezó el funcionamiento del motor únicamente con el vapor de combustible generado en el tanque vaporizador por un tiempo aproximado de 20 min en relantin, a los 10 min de iniciado el funcionamiento del tanque se empieza a notar fallas de funcionamiento y perdida contante de presión a bajar de los 20 psi ya no es posible acelerar el vehículo con facilidad demostrando cascabeleo por falta de combustible, inmediatamente después de que los manómetros marcan 10 libras el vehículo cascabelea y se apaga.
ix
ABSTRACT
x
1
1. INTRODUCCION
En este proyecto se demostrara como realizar el diseño de un tanque donde se evaporara gasolina para posteriormente dosificar en forma constante el vapor de gasolina logrando así que el combustible se dosifique en forma de gas para que ingrese en el multiple de admisión aumentando la potencia del motor y disminuyendo el consumo de combustible en un 10 % tomando en cuenta varios factores como es la variación de temperatura que existe dentro del tanque se va a llegar a 80 ºC tomando en cuenta que la gasolina comienza a evaporar a los 60ºC.
El diseño del tanque se da a partir de las normas ASME donde se propone las características para calcular los diferentes diámetros y espesores para tener un tanque con certificación y como está a constantes presiones un tanque seguro para manipularlo con las respectivas normas de seguridad el tanque va a tener la capacidad de 5.3 lt tendrá la capacidad de soportar 78psi.
Los recipientes están expuestos a varios factores que se debe considerar como altas presiones y altas temperaturas y algunas veces fluidos inflamables o materiales peligrosos.
Debido a esta exposición se debe hacer que el diseño s Los recipientes a presión a menudo poseen a tal que ninguna fuga se presente.
Además estos recipientes deben ser fabricados y diseñados para hacer frente a las presiones y temperaturas de operación.
Otro aspecto que se debe tomar en cuenta es el potencial para causar un accidente y dejar con lecciones al operador o a la infraestructura. La seguridad y la integridad son las razones principales y fundamentales para optar la adecuación de los códigos de diseño.
En la actualidad estos recipientes a presión son utilizados en la industria para diferentes propósitos transporte, producción de gas así como en los derivados de petróleo esto se a expandido a todo el mundo.
2 aquí se va a evaporar la gasolina contantemente y el vapor va a hacer canalizado hacia la alimentación y se va a poder observar aumento de potencia y ahorro de combustible.
La misión de este tema es poder tener un vaporizador de combustible capaz de generar gas de gasolina para así poder aumentar la potencia a través de este sistema el cual es un vaporizador de combustible o burbujeador, este aumenta el rendimiento de la gasolina podría llegar a tener un 60 %, pero antes tiene que tener en cuenta el modo de conducción el tipo de motor y condiciones climáticas.
Tecnológicamente la industria automotriz está continuamente innovando en procesos de investigación tanto en diseño como en construcción de sistemas de combustión interna, con el objetivo de conseguir un rendimiento mayor en potencia y así mismo de la mano se necesita un menor consumo de combustible pero no se da así mientras más potencia existe mayor cantidad de combustible se necesita y como consecuencia se tiene una contaminación al medio ambiente con gases contaminantes que son perjudiciales con la salud y medio ambiente (Noriega, 2001).
Ecológicamente la posibilidad de mejorar con una propuesta ecológica eficiente para lograr menos gases contaminantes y un mejor rendimiento en la potencia de los motores de combustión interna, se ha optado por el uso de un dosificador como parte del sistema de alimentación mediante un vaporizador de combustible que sobrealimentara durante el tiempo de llenado de la cámara de combustión (Santander, 2010).
3 En este sentido, los planteamientos de análisis y la implementación de un sistema de vaporización de combustible en un vehículo nos ayudara a mejorar muchos de los problemas planteados, resultando beneficioso tanto desde un punto de vista ecológico y económico, aporte en la potenciación del motor y también el reducir contaminantes en la salida de los gases de escape (Santander, 2010).
El objetivo general es:
Implementar un sistema multi punto de vaporización de combustión para que ingrese al múltiple de admisión para mejorar la combustión y aumentar la potencia del motor.
Los objetivos específicos son:
1. Investigar los tipos de sistema de vaporización.
2. Determinar el funcionamiento del motor para modificar la dosificación de combustible y vaporización.
3. Diseñar e instalar el vaporizador de combustible.
4. Realizar pruebas de potencia en marcha en una ruta determinada antes y después de instalar el vaporizador.
4
2. MARCO TEORICO
2.1. INICIOS DEL AUTOMOVILISMO
5 Renault, Ettore Bugatti, Ferrucio Lamborgini, Enzo Ferrari, Henry Ford, etc. De todos estos nombres, sus apellidos pasarán a ser marcas de autos en el presente. Luego en el año 1892, el norteamericano Henry Ford arma su primera máquina con motor a nafta, luego lanza su Ford T. Su marca es superada en el año 1972 por un automóvil muy popular: el “escarabajo” o “fusca” de Volkswagen. En la actualidad los automóviles son mucho más cómodos y eficientes. Para la época de los 80’s la industria automotriz japonesa se posesiona en Estados Unidos y Europa. La última lucha parece centrada en los vehículos híbridos, con motores eléctricos y de explosión a la vez, lucha encabezada de momento por el mercado oriental.
2.2. SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE
2.2.1 QUÉ ES EL SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE
6 de aire necesario para la mescla se pasa a alta presión en la flauta de inyectores este elemento es un acumulador de presión donde se tiene toda la mezcla de aire combustible está en reserva para suministrar al inyector. Donde este pulveriza el combustible a presión que viene de la flauta de inyectores por ultimo se tieneel canister este elemento está diseñado para hacer recircular los gases desde el tanque de combustible cuando el auto este en relenti está unido al tanque y al colector de admisión (Meganeboy, 2014).
Como se muestra en la siguiente figura 1 se puede ver el circuito de alimentación.
1. Depósito 8.- Rampa de presión 2.- Electrobomba 9.- Sensor de presión 3.- Filtro 10.- Regulador de presión 4.- Válvula dosificadora de combustible 11.- Inyectores
5.- Válvula caída de combustible 12.-Canister
6.- Bomba de combustible (alta presión) 13.-Electro válvula de control 7.- Tubería de alta presión
Figura 1. Sistema de alimentación de un motor
7 El sistema de alimentación de combustible son los líquidos que ingresan al motor a través de cañerías para suministrar de combustible al motor sea este a gasolina o a diesel se puede ver dos circuitos el de baja y de alta presión (Juliaca, 2011).
Circuito de baja presión:
Este sistema es el responsable de suministrar el combustible desde el tanque de combustible en donde se encuentra la gasolina o el diesel y de la misma manera se encuentra ahí un dispositivo que se encarga de dar la fuerza necesaria para que el combustible llamado bomba de inyección. (Juliaca, 2011).
2.2.2 PARA QUE SIRVE EL SITEMA DE ALIMENTACIÓN DE
COMBUSTIBLE.
El sistema de alimentación sirve básicamente para que el motor de combustión interna este constantemente alimentado de combustible de esa manera puede cumplir su ciclo de funcionamiento, depende el motor este puede ser a diesel o gasolina estos pueden variar las condiciones de necesitar más o menos combustible (Evett, 2013).
Se tiene que gracias al sistema de alimentación de combustible el motor ya sea a gasolina o a diesel puede ser alimentado de cualquier manera (BOSCH, 2007).
8 unas buenas condiciones a los cilindros para que la quema de la mescla se realice de la mejor manera, Se puede variar por el tipo de motor pero bien sea gasolina o diesel vienen con una bomba donde se provee de la presión necesaria para recorrer todo el circuito hacia todo el sistema (Leiva, 2011).
2.3 FUNCIONES Y ELEMENTOS DE INYECCION MULTIPUNTO
La inyección electrónica en estos años ha tomado un impulso considerable evolucionando sus vehículos el carburador ya quedo en el pasado quedando obsoleto por las nuevas prestaciones que se tieneen los motores actuales menor emisiones de gases ahorro de combustibles una mejor respuesta de potencia. (Martinez, 2009).
2.3.1 LA INYECCION MONO PUNTO
Este sistema solo lo utilizan los motores de gasolina, es uno de los más básicos y primitivos, ya que es muy similar a un carburador (Martinez, 2009). Se compone de una bomba eléctrica de combustible, que manda presión a un inyector situado antes de la mariposa de aceleración. El inyector consta de un solenoide el cual esta comandado por una unidad de control (UCE), que se encarga de mandarle la señal de apertura, cuando este se abre, la gasolina pasa al inyector y pulveriza una cantidad determinada de combustible al colector (Martinez, 2009).
9 1.- Inyector
2.- Posición de la mariposa 3.- Sonda lambda
4.- Régimen de giro 5.- Temperatura de motor
2.3.2 LA INYECCIÓN MULTIPUNTO
Hay un inyector por cilindro, pudiendo ser del tipo "inyección directa o indirecta". Es la que se usa en vehículos de media y alta cilindrada.
Para la determinación de estos parámetros son utilizados transductores capaces de determinar modificaciones de tensión eléctrica, de acuerdo con la magnitud que controlan. Los transductores transmiten a la ECU (Unidad de Control Electrónica), la información, que será procesada, y así transmitir las órdenes al sistema (Bermal, 2010).
El sistema de inyección multipunto, cada uno de los cilindros utiliza una válvula de inyección que dosifica en pequeñas gotas de gasolina antes de llegar a la admisión donde se tieneotra válvula donde esta da paso al aire con que se va a mesclar el aire y la gasolina la cual denomínanos como mescla de combustible la cual se quema en la combustión, las válvulas de
Figura 2. Esquema básico de un sistema monopunto
10 inyección son manipuladas por una ecu o computadora electrónica que indica los parámetros y da la inyección exacta para cada uno de los cilindros (Martinez, 2009).
Para tener una adecuada alimentación del combustible sin perdida por la evaporización del combustible por lo tanto se debe evitar que el combustible toque las paredes de la admisión. Por lo cual, la inclinación de inyección de combustibles diferente en cada uno de los diferentes motores. Para cada tipo de automotor existe un tipo diferente de válvula de inyección. Como las válvulas son elementos de exactitud es recomendable dar mantenimiento limpiándolas periódicamente teniendo en cuenta que se puede ver si esta con alguna anomalía, como muestra en la siguiente figura 3 se puede observar las diferentes partes del sistema (Martinez, 2009).
1.- Tubo distribuidor (entrada de combustible) 2.- Aire
3.- Mariposa de aceleración 4.- Mariposa de admisión 5.- Válvula de inyección 6.- Motor
Figura 3. Sistema multipunto
11
2.3.3 SISTEMA DE INYECCIÓN JETRONIC
El sistema esta comandado electrónicamente para dosificar el combustible a la admisión directamente Al múltiple de admisión del motor. Su misión es proveer la cantidad exacta para los distintos momentos que exige el motor en revoluciones. La ecu o computadora capta muchas señales de entrada que llegan a distintos sensores los cuales envían información de cuál es el comportamiento del motor. La computadora realiza un análisis comparativo de los datos recibidos y determina de manera instantánea cuanto combustible va a necesitar en cada situación que presente el vehículo. El suministro de la cantidad determinada por la computadora sale por las válvulas de inyección. Las válvulas captan un impulso eléctrico, conocido como el tiempo de inyección (ti). En este sistema le- jetronic las válvulas de inyección dosifican el combustible a la par las dos válvulas. En el sistema el ecu o computadora solo se encarga del combustible. El sistema le-jetronic es analógico. Por lo tanto este no permite guardar ningún tipo de información para futuras fallas que se den y en el tablero no hay ningún botón de advertencia en la siguiente figura 4 se puede ver las diferentes partes del sistema (Mecánica, 2006).
12 1.- Bomba de combustible 7.- Adicionador de aire
2.- Filtro de combustible 8.-Interruptor de la mariposa 3.- Regulador de presión 9.- Unidad de comando 4.- Válvula de inyección 10.- Relé de comando 5.- Medidor de flujo de aire 11.- Bujía de encendido 6.- Sensor de temperatura
2.3.4 SISTEMA DE INYECCIÓN MOTRONIC ME 7
Las principales características de este sistema son: mariposa con comando electrónico de aceleración; gerenciamiento de motor basado en torque, a través del que se ajustan los parámetros y funciones del sistema de inyección e ignición (Bosch, 2010).
El deseo del conductor es captado a través del pedal del acelerador electrónico (BOSCH, 2007).
13 1.-Cánister 9.- Cuerpo de mariposa electrónico 2.- Válvula de bloqueo del cánister 10.- Válvula (EGR)
3.- Sensor de presión 11.- Sensor de picado
4.- Tubo distribuidor 12.- Sensor de temperatura del agua 5.- Bobina/Bujía de encendido 13.- Sonda lambda
6.- Sensor de fase 14.- Sensor de revolución 7.- Pedal del acelerador electrónico 15.- Bomba de combustible 8.- Medidor de masa de aire 16 Unidad de comando
2.3.5 SISTEMA DE INYECCIÓN MOTRONIC MED 7
Hasta el lanzamiento del sistema de inyección electrónica MED, la mezcla de aire y combustible se generaba en el tubo de aspiración. La busca por novas posibilidades para mejorar aún más la inyección resultó en una nueva
Figura 5. Sistema de inyección motronic me 7
14 técnica: la inyección directa de gasolina con regulación electrónica – Motronic MED7 – una nueva generación con una reducción de consumo de hasta el 15%.
Con el MED7, el motor trabaja de forma económica en ralentí o en situaciones de denso tráfico urbano: gracias a la carga escalonada, el motor puede trabajar con una mezcla extremamente pobre, y por lo tanto con consumo reducido.
Cuando es necesaria la potencia completa, el MED7 inyecta la gasolina de forma que se genere una mezcla homogénea. El motor de inyección directa es más económico que los motores convencionales incluso en ese modo de funcionamiento.
El sistema de inyección directa de combustible med 7 este es uno de los mejores y más avanzados que se puede encontrar en la actualidad. Dentro de este sistema se tieneuna pulverización óptima que va propuesta directamente a la cámara de combustión con una presión de alrededor de 160 bar. El sistema med 7 va desde el tanque de combustible donde se tienepresión a baja donde esta una bomba, que transmite el combustible a la bomba principal que es mecánica donde existen presiones elevadas. En alta presión el inyector está directamente a la cámara con una contacte inyección. El resultado que se tienees un considerable aumento en rendimiento, prestación en la economía del combustible, bajas emisiones al medio ambiente como se muestra en la figura 6 se puede observar las diferentes partes del sistema (Mecánica, 2006).
15 Figura 6. El sistema de inyección directa de combustible med 7
(Mecánica, 2006)
1.- Bomba de alta presión 8.- Cuerpo de mariposa (EGAS) 2.- Válvula de control de presión 9.- Sensor de presión absoluta 3.- Tubo distribuidor 10.- Válvula (EGR)
4.- Bobina de encendido 11.- Sonda lambda (LSU)
5.- Sensor de presión 12.-Sonda lambda (LSF) 6.- Válvula de inyección 13.- Catalizador
7.- Sensor de masa de aire 14.- Pre-bomba de combustible
2.4 DISEÑO PARA RECIPIENTES DE PRESIÓN
2.4.1 RECIPIENTE A PRESIÓN
16 las variaciones de temperatura y presión varían con respecto al medio ambiente. Las capacidades de estos pueden ser enormes como pueden ser pequeñas según el uso que se les dé también en el transporte almacenamiento como el procesamiento de diferentes fluidos en estado gaseoso o líquido para su utilización posterior. En la industria existen varios tamaños y formas geométricas de los tanques que pueden ir desde tanques grandes que se los utilizan en torres fraccionadoras que separan los diferentes derivados según el líquido contenido también se tienerecipientes pequeños para la industria automotriz para gas vehicular los recipientes son comúnmente cilíndricos o esféricos, con cabezales de diferentes formas geométricas en estos recipientes puede existir altas presiones como 300 psi o bajas como 0.04. Los recipientes que están sometidos a presión están formados por la envolvente, esta es la envoltura metálica que da forma al recipiente, como también mecanismos de sujeción y apoyo que existe en el mismo equipo, se tiene tomas de entrada y salida de fluidos y como último elementos interiormente y exteriormente accesorios. Los dispositivos cilíndricos son muy utilizados aquí se tienela envolvente que está conformada por dos partes el cuerpo o cuerpo cilíndrico y los cabezales o fondos. El cuerpo del recipiente está fabricado para rodear un espacio. Gran parte de los cascos son formados por la revolución de una curva plana, en un depósito a presión denominado casco esférico (Romero, 2011).
2.4.2 TIPOS DE TAPAS
17
2.4.3 EFICIENCIA DE LAS SOLDADURAS
En ocasiones, el proceso de denomina soldadura de varilla. La varilla de soldadura normalmente tiene una longitud entre de 230 a 460 mm y un diámetro de 2.5 a 9.5 mm. El metal de aporte usado en la varilla debe ser
Figura 7. Tipos de tapas
18 compatible con el metal que se va a soldar y, por tanto, la composición debe ser muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en celulosa pulverizada (polvos de algodón y madera) mezclados con óxidos, carbonatos y otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato. En ocasiones se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la cantidad de metal de aporte y agregar elementos de aleación. El calor del proceso de soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y escoria para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo. Electrodos revestidos cuya composición puede ser muy variada de acuerdo a las necesidades de Mantenimiento con mayor grado de dificultad pero de fácil aplicación realizando el trabajo sin necesidad de tener más herramienta que su máquina de soldar. La soldadura T.I.G. es más resistente, dúctil y segura contra la corrosión que las realizadas por sistemas usuales. Puede emplearse en todo tipo de uniones o posiciones, sirven para soldar prácticamente todos los metales, su aplicación exige una gran habilidad por parte del soldador. El grado de confiabilidad que tiene una soldadura puede definir su eficiencia. En la tabla 1 se puede observar los diferentes tipos de soldaduras más comunes (Jeffus, 2009).
Calificación para soldadura
Es una práctica normal para los fabricantes de equipos de proceso desarrollar o mantener especificaciones para procedimientos de soldadura, para los distintos tipos. Los operarios soldadores se prueban y certifican mediante la realización de soldaduras de calidad aceptable. Hay un número de códigos de Sociedades Industriales que gobiernan las calificaciones para la soldadura. Los dos más usados en Estados Unidos para equipos resistentes a la corrosión son:
- American Society of Mechanical Engineers,
19
(Romero, 2011)
Teóricamente las tapas semiesféricas debido a sus pequeñas tensiones y al presentar discontinuidad el momento de conectarse a cilindros, son las más aconsejables, sin embargo se debe construir domos con una superficie bastante curvada y sobresaliente en relación al cilindro al cual se suelda. La
20 longitud que ocupan los elípticos o elipsoidales es corta, pero presentan imperfecciones en el reparto de tensiones siendo sus curvaturas continuamente variables. En las toriesféricas únicamente existen dos radios primordiales cuya construcción es más sencilla, siendo la distribución de las tensiones más irregular que en la de los elípticos (Romero, 2011).
2.4.7 IDENTIFICACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE RECIPIENTES A
PRESIÓN.
Muchos tipos de recipientes son usados en plantas industriales o de procesos. los que son utilizados para almacenar sustancias son llamados tanques. estos pueden ser clasificados tomando en cuenta diferentes aspectos como los mensionare (Megyesy, 2008).
2.4.7.1 Por su función recipientes de almacenamiento.
Son usados a manera de depósitos, conteniendo una suficiente reserva de algún producto para su uso posterior, se dividen en cilindros verticales y cilindros horizontales. Por lo general los horizontales son de volúmenes bajos, porque tienen fallas de flexión y corte, por lo que son usados para guardar pequeños volúmenes; a diferencia de los tanques cilíndricos verticales que almacenan grandes cantidades por un costo bajo, su única limitante es la de únicamente ser usados a presiones internas relativamente pequeñas o a presión atmosféricas (Romero, 2011).
2.4.7.2 Recipientes de procesos
2.4.8 RECIPIENTES DE TRANSPORTE
21
2.4.8.1 Por su geometría recipientes cilíndricos
En la figura 8 se puede ver como estos son utilizados para mantener en reserva algún tipo de producto para usarlo posteriormente este puede ser agua un reservorio para las agrícolas o para comercializarlo, también para el desarrollo de algún proceso de enfriamiento, evaporización, etc (Romero, 2011).
2.4.8.2 Cilindros combinados.
Como se puede ver en la figura 9 son usados para procesos especiales, por ejemplo reactores de plantas de desintegración o algún otro proceso petroquímico. En estos cilindros las planchas deben ser adaptadas de una manera útil para procesos y componentes internos (Romero, 2011).
Figura 8. Recipiente cilíndrico
(Romero, 2011)
Figura 9. Separador bifásico
22
2.4.8.3 Recipientes esbeltos.
Estos recipientes tienen como característica que su longitud es mucho mayor que su diámetro; su altura puede ser de hasta 250 pies de altura, esto se debe a que en su interior existe una gran cantidad de platos del que se obtienen los distintos derivados de petróleo que son utilizados en la industria como plásticos, cosméticos etc. En la figura 10 se puede observar sus características se pueden tener torres de gran tamaño con diferentes tipos de materiales. Su altura se debe aque contienen una gran cantidad de derivados donde se obtienen los diferentes tipos de materia prima para la industria (Megyesy, 2008).
Figura 10. Torres de fraccionamiento
23
2.4.8.4 Recipientes esféricos.
Son recomendables para almacenar grandes volúmenes a altas presiones, ya que la forma esférica hace que la distribución de los esfuerzos sea menor que en la cilíndrica porque el área es mayor. Es considerado que esta manera es la más económica para guardar fluidos a presión, pero su fabricación es más costosa que la de los recipientes cilíndricos.
En la figura 11 se puede ver esferas presurizadas que son utilizadas para guardar a temperatura ambientes, los líquidos del gas natural (Romero, 2011).
2.5 TRANSFERENCIA DE CALOR
Existen tres formas de transferir el calor por convección, radiación, conducción esto se produce entre distintos cuerpos. Por ejemplo, el calor que se transmite a través del techo de la casa esto se da por conducción, el agua del calefón que es calentada por el quemador de gas que se calienta por convección, y la corteza terrestre que se calienta exclusivamente por radiación.Las formas de transferir calor tienen el mismo fin pero actúan de distinta manera. La conducción se da cuando por un objeto solido se
Figura 11. Esferas presurizadas para el almacenamiento de líquidos del gas natural
24 transfiere calor es lo que hace cuando se utiliza un atizador la punta permanece en contacto con el fuego pero se calienta todo el atizador. La convección se trata de intercambio de energía entre moléculas frías y calientes es la causa por la cuan cuando se calienta el agua en un recipiente esta se calienta uniformemente aunque solo el asiento este en contacto con el fuego. La radiación es cuando se transfiere calor por radiación electromagnética es por lo cual una fogata puede calentar una habitación (Cengel, 2007).
2.5.1 CONDUCCIÓN
En los cuerpos sólidos la única manera de transferir calor es por conducción este no es un mecanismo de exactitud se dice que en parte se debe al movimiento de electrones libres en el momento que existe una diferencia de temperatura (Cengel, 2007).
2.5.2 CONVECCIÓN
Si se tieneque en el interior de un gas o un líquido una diferencia de temperatura, seguramente se producirá un movimiento de fluido. En este movimiento se transfiere el calor de una parte a otra por convección. El movimiento que se da al líquido puede ser natural o forzada. Cuando se calienta un líquido o un gas este disminuye su densidad o si el líquido o gas se encuentra en la gravedad o campo gravitatorio se puede ver que el fluido más caliente asciende y el frio desciende a esto se le llama convección natural por eso es aconsejable poner los calentadores al piso y los ventiladores cerca al techo (Cengel, 2007).
25 La convección se da en forma natural en nuestro planeta por el movimiento de las grandes masas de aire que rodean al paneta, la corriente de los vientos, la formación de nubes, las corrientes del océano y la transferencia de calor que se produce desde el interior del sol hasta su La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su área (Cengel, 2007).
En la figura 12 se observa el intercambio de calor en una estufa con una olla.
2.5.3 Radiación.
Este tipo de transferencia de calor se diferencia de los demás porque en este no se necesita que los objetos o sustancias estén en contacto sino que exista un vacío entre ellos y asi se pueda transmitir las ondas electromagnéticas que son las referentes a radiación hay muchos ejemplos que se puede citar para explicar la radiación pero la única teoría que nos puede dar una explicación satisfactoria es la teoría cuántica. (Cengel, 2007) Los estudios realizados dice que la transferencia de calor que se da por temperatura entre dos cuerpos y en medio hay un vacio es radiacion cuando un cuerpo tiene mas de cero absoluto emite radiación térmica, la radiación
Figura 12. Convección en una olla en ebullición
26 es un fenomeno volumétrico que se absorve se emite en diferentes grados (Cengel, 2007).
En la figura 13 se puede ver como en un dia normal la casa recibe energia del sol y se mantiene caliente durante el dia y permanece caliente todo elñ
dia disipando el calor por la
casa.
2.6 TERMODINÁMICA
2.6.1 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
En esta ley nos dice que la materia ni se crea ni se destruye sino se conserva entonces se dice que cuando el sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor que este cede es igual al trabajo recibido por el mismo (Hadzich, 2005). Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo (Hadzich, 2005).
Figura 13. Radiación del sol
27
2.6.2 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Esta nos dice que el calor nunca va a fluir de forma natural de un cuerpo frio a un caliente, esta se puede llamar una maquina térmica porque transforma el calor en trabajo eficiencia= TC-TF/TC (Hadzich, 2005). Existe un equilibrio térmico cuando un objeto caliente sede su temperatura a otro que tiene menor temperatura como se observa en la figura 14 (Hadzich, 2005).
La evolución espontanea de un sistema aislado se dice que tiene un aumento de entropía (Hadzich, 2005).
2.6.3 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Esta ley indica que llegar al 0 absoluto es imposible en otras palabras se puede llegar a 0 absoluto mediante una serie finita de procesos.El cero absoluto es donde cesa toda actividad de las partículas hay total ausencia de calor y 0 K es igual a 273,16º C la cual es imposible de alcanzar según la termodinámica (Hadzich, 2005).
Figura 14. Equilibrio térmico
28
2.7 SISTEMA DE CALEFACCIÓN
Hoy en día no se puede dejar a un lado la parte de calefacción ya que está en cada vehículo que existe siendo básicamente la principal función de un sistema de climatización (Hernandez, 2008).
La actividad que realiza el sistema es simple está basado en la acción donde el refrigerante del motor capta el calor del motor térmico mediante un sistema donde intercambian el calor generado por el motor en si este se lo denomina como radiador de calefacción el aire caliente ingresa al habitáculo de vehículo aquí existe un intercambio por conducción por medio del contacto entre las aletas del radiador pero esto no se da de manera inmediata ya que el sistema para que el líquido refrigerante alcance su temperatura ideal que un aproximado de 55ºC tarda entre cuatro minutos en las nuevas innovaciones hay mejoras en cuanto se referiere a rendimiento térmico la inyección directa conjuntamente con el intercooler aumentan este tiempo por lo que se a tomado medidas para mejorar el sistema en estos primeros minutos donde se puede ver nuevos sistemas que son resistencias eléctricas de calefacción (Hernandez, 2008).
29 acciona el eletroventilador permitiendo la entrada de más aire así evacuar el calor que existe en el líquido refrigerante. el sistema está diseñado según la capacidad que tiene el radiador de calefacción para disipar el calor este radiador no se lo debe tomar muy a la ligera ya que si este esta en malas condiciones o en países que no se necesite calefacción no es recomendable desconectarlo, cuando se da la regularización en la calefacción se la realiza sobre la trampilla de mescla donde según el operario puede variar de aire frio o caliente (Hernandez, 2008).
Como se puede observar en la figura 15 el diagrama del sistema de calefacción.
1.- Vaso de expansión. 6.- Bomba de líquido refrigerante. 2.- Válvula termostática. 7.- Electroventilador.
3.- Motor térmico. 8.- Termocontacto.
4.- Caudal de aire caliente. 9.- Radiador de refrigeración. 5.- Radiador de calefacción. 10.- Caudal de aire frio exterior.
Figura 15. Funcionamiento del circuito de calefacción
30
2.7.1 SISTEMA VAPORIZADOR DE AIRE
Es un conjunto de elementos térmicos y químicos mediante el cual se pasa el combustible de estado líquido a estado gaseoso esto dentro de un recipiente térmico este es construido de manera que resista la presión del combustible el cual se vaa utilizar los tanques se construyen en base de una plancha de acero según el material a utilizar se traza el diseño para hacer el corte respectivo y enrollar este hacer los cordones respectivos de soldadura Antes de aplicar cualquier soldadura, en recipientes a presión, se debe preparar un procedimiento de soldadura para cada caso en particular, el mismo que indica la preparación, diámetro del electrodo, etc., para cada tipo y espesor de material. Se debe también hacer pruebas a los soldadores para asegurar que la soldadura será aplicada por personal debidamente calificado. Estas soldaduras van por la parte interna existen dos tipos de soldadura que se emplean SMAW este por el costo es bajo pero lento por el cambio que se requiere de electrodos constantes cada vez que este se acabe y también existe otro proceso GMAW en este hay una buena cantidad de material depositado en el proceso este es más rápido pero en caso de exteriores no es recomendado este tanque se debe ser sometido a una prueba de hermeticidad aplicando aire a presión o a su vez llenando el tanque con agua y aplicando presión para ver si existe alguna fuga (Rowe & Jeffus, 2000).
31 1.- Salida del gas de gasolina 4.- Tubo de aire
2.- Nivel de gasolina del recipiente 5.- entrada de aire a presión 3.- Gasolina
El sistema bien podría llamarse un gasificador este es muy barato de construir que otros sistemas. La gasolina gasificada entrega un aumento al combustible de entrada al motor y tiene como objeto mejor rendimiento del combustible el poder gasificación es lo primordial en el sistema por esta tiene una mejor combustión se quema completamente solo dejando una pequeña parte sin quemar del combustible las partículas quemadas entregan mayor fuerza de rendimiento en el motor mayor potencia (Peregrino, 2012). La mayoría de contaminantes que existe en el medio ambiente son hidrocarburos que no se combustionaron o en otras palabras no se quemaron en su totalidad, cuyo contaminante sale por el escape del vehículo. Solamente la gasolina convertida en gas debería combustionarce no las gotas residuales que lo único que ocasionan al final del recorrido contaminación por no tener una buena gasificación de la gasolina (Peregrino, 2012).La energía que se disipa o se pierde en calor y tracción en la actualidad en los automóviles es de un 87%pero el 62% solo se hace referencia a la perdida solo calorífica (Peregrino, 2012).
Figura 16. Vaporizador de combustible
32 En la siguiente tabla 2 se tiene las características de la gasolina como actúa para el cálculo se debe tener en cuenta los valores de la tabla 2.
(Martinez, 2009)
En la tabla 4 se puede hacer una comparación entre los diferentes
materiales y en la tabla 5 una comparativa de características de combustible.
(Martinez, 2009)
Tabla 3. Propiedades físicas y químicas de la gasolina
Tabla 2. Propiedades de los materiales
33
Característica Unidad Gasolin a
Etanol anhidro Etanol hidratado ETBE
Densidad Kg/lb 0.75 0.79 0.81 1.74 Volatilidad Kg/cm2 0.75 1.52 1.18 0.34 Relación
estequiometri a
Aire/combu st
15.2 …. 8.3 ….
Calor latente de
vaporización
KJ/kg 376 903 1.141 ….
Índice de octano
IOM 85 89 92 102
Índice de octano
IOR 95 106 110 118
Auto ignición ºC 367 550 560 570 Poder
calórico inferior PCI
kJ/kg 42900 26800 24900 36000
(Hernández, 2013)
En la tabla 5 están las diferentes características y comparaciones de los combustibles más utilizados.
Tabla 6. Propiedades de los combustibles
(Romero, 2011)
Propiedad Metanol Etanol Gasolina Punto de ebullición 65ºC 78ºC 35-210ºC Calor de vaporación
Mjoules/kg
1.17 0.93 0.18
ROM 109 109 90-100
MON 89 90 80-90
Contenido de oxigeno % peso
50 34.8 0
Relación
aire/combustible 6.45:1 9.0:1 14.6:1 Tabla 5. Características del combustible
Propiedad Metanol Etanol Gasolina Punto de ebullición
Calor de vaporación
Mjoules/kg
ROM MON
Contenido de oxigeno % peso Relación
aire/combustible
34
3. METODOLOGÍA
La metodología que se utilizo es experimental por lo que se hizo las pruebas necesarias para elegir el material adecuado para la fabricación del tanque así, como para las dimensiones del mismo, también se estableció los rangos de temperatura de la calefacción, caudal de presión de las mangueras de agua de calefacción, temperatura de evaporación de la gasolina, y la presión que puede soportar el tanque mediante cálculos reales.
Los pasos realizados para la mecanización fueron: 1.-Trazar las medidas en la plancha de acero inoxidable.
2.-Cortar y dar forma a las partes del tanque el cuerpo y la cabeza. 3.- Dar forma al serpentín en un molde.
4.- soldar las partes tapa y serpentin con su salida y su entrada. 5.- Unir la cabeza y el cuerpo del tanque con pernos de sujeción.
Los métodos de investigación que se realizaron en el presente trabajo se detallan a continuación:
Se localizó e identificó la información de fuentes fidedignas, oficiales e inmediatas, en donde el contenido tenga un fundamentó en la bibliografía donde se tiene el respaldo de información será y confiable para hacer un desglose de ideas entre los diferentes autores con relación a los diferentes temas a tratar en el trabajo.
Para la integración de los sistemas que ya existen se dio seguimiento a un proyecto similar donde se utilizó el método comparativo en donde mediante los esquemas se comparó los diferentes datos y criterios o requisitos similares para la implementación.
Cuando los sistemas son similares son fácilmente integrados puesto que se puede desarrollar de una manera diferente el mismo proyecto enfocado en otro combustible como es en este caso.
36
4. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1 PROPUESTA
En la siguiente figura 17 se muestra un ejemplo de un evaporador de etanol.
Figura 17. Esquema de evaporación de etanol desde líquido fermentado obtenido de desechos de frutas y verduras aplicado a la admisión de aire de un vehículo para economizar combustible.
1.- Torre de destilación. 2.- Cañería 1 ½” Cu 300 mm.
3.- Cañería 1 ½” Cu, 100 mm Trampa Para líquido. 4.- Cañería ¼” Cu.
5.- Vapor de Etanol, hacia admisión de aire del vehículo, antes del filtro de aire.
6.- El serpentín de cobre abraza una parte caliente del motor por ejemplo en el multiple.
37 9.- Estanque de Expansión: Cañería de 1½” 100mm con tapón ½ para relleno y un respiradero para conectarlo a un relleno de agua destilada. En la anterior figura se puede ver un diagrama de un sistema de vaporización de etanol donde para obtener el vapor de etanol se debe juntar los desechos de frutas, verduras y todo aquel que contenga azúcar jugos, postres, cerveza, leche, vino, etc.
Posteriormente se separa los sólidos para molerlos y los líquidos en diferentes recipientes cerrados para fermentar durante 15 días durante estos días se debe abrir por unos segundos cada día para que salga el gas acumulado.
Transcurrido los 15 días se debe colar todo lo sólido y dejar solo el líquido el cual se va a poner en la torre de destilación.
Dentro del tanque el líquido fermentado va a ser calentado por medio de un serpentín de cobre que está en el interior del tanque por el cual circulara agua que esta calentada por el sistema de calefacción del motor, la temperatura a la cual se evapora el etanol es alrededor de 70ºC el agua en el circuito de calefacción alcanzara 80ºC así que teniendo en cuenta las perdidas el líquido fermentado comenzara a evaporar etanol a los 70ºC y va a ver un poco de agua pero no mucha porque el agua se evapora a los 100ºC.
El vapor de etanol subirá por la torre de destilación la cual está conectada a una manguera que transporta el etanol hacia el motor en la cual se coloca una trampa de etanol líquido para que así solo pase el gas de etanol hacia el motor, en la parte inferior de la trampa de etanol se debe colocar una cañería para devolver el etanol liquido al cilindro.
Para obtener un sellado en este tanque se relizo una tapa toriesferica la cual tiene 5 tomas las cuales son para diferentes manometros de presión los cuales cuales estan instalados:
38 La construcción de un tanque a presión con un cierto volumen, requiere ser construido con el mínimo material posible y sea un proyecto viable. Considerando que el prototipo no debe ser sobredimensionado por cuestiones de fácil transporte, por sus excelentes propiedades mecánicas, buenas características de soldadura y por ser un material muy utilizado en este tipo de trabajos. En la tabla 6 se muestran las dimensiones de longitud, diámetro, capacidad nominal, presión de operación, presión de diseño, temperatura de diseño, eficiencia que tendrá el tanque.
Tabla 6. Características y condiciones de diseño del tanque a presión
4.2 CÁLCULO POR PRESIÓN INTERNA
El diseño del tanque a presión consiste en calcular los espesores del cuerpo y tapas del tanque, la presión interna es la carga más influyente en el cálculo de los espesores, para encontrar los espesores intervienen factores como: presión de diseño, eficiencia de la junta y los valores de esfuerzos máximos permitidos seleccionado para el cálculo.
4.3 PRESIÓN DE DISEÑO
En la figura 18 se tiene las respectivas fórmulas para el cálculo de espesor. Longitud 11 pulg.
Diámetro 8pulg. Capacidad nominal 5.3 lt Presión de operación 20 PSI
Presión de diseño 110 PSI
39 Figura 18. Fórmulas para calcular t=espesor
40 Datos:
d= 8”≈2,032 dm h=11”≈2,794 dm 1 pulgada= 0,254 dm v= 𝑟2.𝜋.h
v= (2,032/2)2. 3, 1416. 2,794dm v= 9,08d𝑚3
Se estima que en el porcentaje del tanque un 30% será ocupado por el aire a presión, y un 70% por el combustible. También se toma en cuenta el serpentín que está en el interior del tanque, el cual ocupa un espacio de 1 litro, que equivale a 1d𝑚3. Estos porcentajes se deben tomar en cuenta en el volumen ya determinado.
9,08 → 100% X → 70%
x= (70x9, 08)/100 x= 6,36d𝑚3
Como se puede observar el volumen total que ocupa el combustible es de 6,36 d𝑚3 que representa el 70% del espacio total en el tanque. El serpentín ocupa 1litro o 1d𝑚3, por lo que se debe restar del volumen calculado
anteriormente.
v= 6,36d𝑚3 – 1d𝑚3
v=5,36 d𝑚3
La presión requerida en el tanque debe ser igual a la requerida en un motor. Esta oscila entre 35 y 60psi, de alta o baja presión. Se procederá a calcular el espesor del material, así como se determinará el tipo de junta y el tipo de material del tanque.
41
4.4 CÁLCULO DEL ESPESOR DEL MATERIAL
Dónde:
T: espesor en milésimas de pulgada o mm S: resistencia de material de tablas
Ε: eficiencia de la junta D: diámetro
Pt: presión de trabajo Pd: presión de diseño
Para empezar el cálculo del espesor del material se debe calcular la presión de diseño, que será un 30% mayor a la presión máxima de trabajo.
Entonces: Datos
Pt = 60psi Psi= lb/𝑝2 pd= ptx1,3 pd= 60psi. 1,3 pd= 78psi
t=
𝑝𝑑.𝑑
2.𝑠.𝜀−0,2 . 𝑝𝑑
[1]
t=
78𝑝𝑠𝑖 .8"
2(15000𝑙𝑏/𝑝
2)0,6−0,2(78𝑝𝑠𝑖)
t=
624
(30000𝑙𝑏/𝑝
2.0,6)−15,6𝑝𝑠𝑖
t=
624
(18000𝑙𝑏/𝑝
2)−15,6𝑝𝑠𝑖
42 También se debe tomar en cuenta la corrosión del material por ende es necesario aumentar un porcentaje al espesor del material calculado, para alargar la vida útil del recipiente.
Para este tipo de trabajo que va a realizar, por estar expuesto a diferentes temperaturas, vibraciones, climas, y por ser un elemento móvil, se considera que es necesario aumentar un 50% del espesor calculado.
Entonces seria 1mm*1.5= 1.5mm
4.4.1 DISEÑO ÓPTIMO DEL RECIPIENTE
Los recipientes de ASME VIII, División 1 P:1,5 Mpa Presión de diseño
D: 1500 mm Diámetro interior C:3 mm Corrosión
S: 138 Mpa Presión máxima de diseño E: 0,85 Eficiencia en las juntas
Calcular el valor de F:
𝐹 =
𝑃𝐶𝑆𝐸
[2] Dónde:
P: presión de diseño
C: corrosión máxima permitida (pulgadas) S: valor de esfuerzo del material (psi) E: eficiencia de soldadura
𝐹 = 78 𝑝𝑠𝑖
0.12𝑝𝑢𝑙. 15000𝑝𝑠𝑖. 0.6
43 En la figura 19 esta la referencia para determinar el diseño del tanque.4.5
4.5 ESPESOR CABEZA ELIPSOIDAL
El mejor cabezal es de tipo elipsoidal 2:1, por ser la más eficiente en la distribución de la presión interna y se calcula con la ayuda de la siguiente ecuación:
𝑡𝑐 =
𝑃𝑅2𝑆𝐸−0.2𝑃
[3] Donde:
Figura 19. Tabla para determinar el diseño del recipiente
44 Tc: espesor cabeza elipsoidal
P: presión de diseño R: radio interior
S: esfuerzo del material E: eficiencia de la junta
Entonces:
𝑡𝑐 = 78 𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔
2 ×
⁄ 0,72 𝑝𝑢𝑙𝑔
2 × 15000 𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2× 0.60 − 0.2(78 𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2)
𝑡𝑐 = 0.00312 𝑝𝑢𝑙𝑔 (0,07 𝑚𝑚)
El espesor calculado es de 0.9 mm, para la cabeza del tanque, por lo tanto se decide escoger el espesor del casco cilíndrico para un mejor diseño.
4.5.1 CÁMARA
La cámara debe ser un prototipo que permita realizar diferentes pruebas, y soportar la presión máxima de trabajo permitida. Además, hay que tomar en cuenta que es un prototipo de laboratorio por lo que sus dimensiones no deben ser demasiado grandes para su fácil transporte a diferentes lugares. Para el cálculo se utiliza la teoría de esfuerzos en las paredes de recipientes de presión interna para cilindros de pared delgada.
Se considera cilindro de pared delgada si cumple con: (Mott, 2009)
𝑟
𝑡
≥ 10
[4] Donde:
45 Considerando que el prototipo no debe ser sobredimensionado por cuestiones de fácil transporte, se escoge construir un recipiente de acero inoxidable 304 (Sy = 30 KSI) de r = 101,6 mm (4 pulg), L = 279,4 mm (11 pulg) y t = 1 mm (0.039 pulg), entonces:
101
1 = 101
101 ≥ 10
Si la relación del radio del recipiente a su espesor de pared es de 10 o mayor, el esfuerzo es casi uniforme y se puede suponer que todo el material de la pared resiste por igual las fuerzas aplicadas. Por lo tanto se puede tratar como un cilindro de pared delgada. (Mott, 2009)
La presión de un fluido en un recipiente cerrado produce esfuerzos de tensión en las paredes del recipiente como se puede apreciar en la figura 21.
Entonces el esfuerzo de tensión es:
𝜎
𝑡=
𝑝𝑑2𝑡
[5] Donde:
𝜎
𝑡: Esfuerzo de tensión.P: Presión interna del fluido (40 psi). d :diámetro.
t : espesor del tanque.
46 Para determinar si el recipiente soportará la presión interna a la que va a estar expuesto se debe cumplir lo siguiente:
𝜎
𝑚á𝑥≤ [𝜎]
𝑚[6] Donde:
𝜎
𝑚á𝑥= 𝜎
𝑡=
𝑝𝑑2𝑡
𝑦 [𝜎]
𝑚=
𝑆𝑦 𝐹𝑆𝜎𝑚á𝑥: Esfuerzo máximo.
[𝜎]𝑚: Esfuerzo admisible.
Sy: Resistencia a la fluencia (45 KSI).
FS: factor de seguridad (1.67).
El factor de seguridad es seleccionado de los esfuerzos de diseño tomados de códigos y reglamentos seleccionados, esfuerzos normales directos, cargas estáticas en estructuras de construcción tal como las define la AISC. (Mott, 2009).
Entonces sustituyendo los valores en las respectivas ecuaciones se tiene:
𝜎𝑡 = 40 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔
⁄ 2) × 8 (𝑝𝑢𝑙𝑔)
2 × 0.039(𝑝𝑢𝑙𝑔)
𝜎𝑡 = 4102,56 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2)
Ahora se determina el esfuerzo admisible.
[𝜎]𝑚 =
45000 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2)
1.67
[𝜎]𝑚 = 26946.10 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2)
Entonces se procede a comparar los valores de los esfuerzos.
𝜎𝑡 = 4102,56 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2) ≤ [𝜎]𝑚 = 26946.10 (𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔⁄ 2)
47 En la siguiente figura 22 se puede ver las diferentes cotas en el tanque a construir.
1.- En la figura 23 se tienela válvula dosadora la cual da el flujo que sede desde el tanque al riel de combustible.
48 Figura 23. Dosadora tomei
2.- En la figura 24 esta la válvula manometrica esta nos ayuda a ver la presión que se va a tener en el tanque y asi poder controlarla.
49 4.-En la figura 26 esta la entrada y salida de agua hacia el serpentin de 5 vueltas de acero el cual va a calentar la gasolina del tanque.
Figura 24. Válvula de seguridad o desfogue
50 En la figura 27 se observa el diagrama de la tapa toriesferica con sus
respectivas perforaciones.
51 Los materiales para realizar el tanque de vaporización se recurre a utilizar diferentes materiales y componentes de presión, todos estos resistentes a altas presiones. El primer material que forma parte de este tanque es una chapa de 1mm de acero inoxidable la cual da la forma al tanque.
En la figura 28 se puede observar el tanque ya con la forma moldada.
52 Las tapas son semiesféricas formadas del mismo material, siendo las encargadas de cerrar herméticamente el tanque en la figura 29 se puede ver la tapa del tanque.
Otro material que se uso fue un manómetro de presión como obserse vaen la figura 30, este indica la presión que existe dentro del tanque.
Figura 28. Foto del cuerpo del tanque
53 Una válvula de desfogue o de sobrepresión se puede apreciar en la figura 31 fue usada en el modelo con el fin de tener un escape de presión en caso de emergencia de sobrepresión.
Figura 30. Foto de la válvula de sobrepresión
En la siguiente figura 32 se puede observar la conexión que debe tener la dosadora en el sistema para que esta tenga un correcto funcionamiento.
54 Se instaló dentro del tanque un serpentín de tubo de acero de ½ por este pasa agua caliente la cual viene del sistema de calefacción a temperatura media de 80 cº.
En la figura 33 se tieneun serpentín de acero con 5 vueltas.
El modelo propuesto fue construido en base a técnicas de cilindros de presión ya revisadas anteriormente, la forma que se procedió a ensamblarlo fue la siguiente:
Se plasmó las medidas del tanque en la chapa de acero inoxidable, posteriormente se procedió a cortar la chapa a las medidas ya dadas; se unió los extremos mediante soldadura dando forma al cuerpo del tanque, después se procedió a cortar las tapas del mismo, las cuales fueron torneadas para obtener la forma de semiesféricas, después se formo el serpentin que tiene 5 vueltas como se puede ver en la figura 34 mediante
55 una dobladora este es hueco con la finalidad de ser este el conductor del agua caliente que sale de la calefacción.
Una vez obtenido estos elementos se procedió a perforar una de las tapas la cual va hacer la tapa superior con 5 perforaciones como se muestra en la figura 31, cada una asignada para la entrada de gasolina de 2” las demás perforaciones de ½” las cuales son una de agua caliente que va por el serpentín después de hacer el recorrido de este se tieneen la misma tapa una salida para el mismo, después se tienela perforación para el manómetro de presión seguida de esta la perforación de la válvula check que va
56 conectada con la dosadora y la última perforación la cual es para una válvula de sobrepresión.
Una vez asegurado el serpentín a la tapa se procedió a soldar la misma al cuerpo del tanque posteriormente se soldó la tapa inferior teniendo ya formado el tanque tal como se observa en la figura 35.
57 Se tiene un tanque que está fabricado para soportar altas presiones la dimensión de este es de 8” de radio por 11” de alto como se puede ver en la figura 36 dentro de este se encuentra un serpentín de acero el cual es hueco donde va a pasar agua caliente la cual viene por una manguera desde la salida de la calefacción dando un rango de temperatura previo a esto el tanque va hacer llenado con gasolina la cual va a estar en contacto con el serpentín dando así una evaporación de la gasolina este vapor se contenera en el tanque y será controlado por un manómetro de presión instalado fuera del tanque, el gas será guiado hacia una manguera que está ensamblada a la tapa superior en esta manguera está instalada una válvula check la cual solo deja pasar el gas hacia una sola dirección para no tener un retorno evitando una pérdida de presión en el sistema después se tieneconectada la dosadora la cual permite regular la presión de combustible que va hacia el múltiple de admisión, en la tapa superior también tiene instalado una válvula de sobrepresión para tener un escape en caso de emergencia.
58
4.6 FACTORES ECONÓMICOS Y EFICIENCIA.
En la tabla 7 estan los datos tomados en la primera prueba de consumo. Tabla 7. Datos de la prueba 1
Hora de la prueba
Temperatura tanque Temperatura agua Presión manométrica
12:00 38 ºC 46 ºC 0 psi
12:05 48 ºC 53 ºC 5 psi
12:10 52 ºC 56 ºC 8 psi
12:15 56 ºC 61 ºC 9 psi
12:20 60 ºC 64 ºC 10 psi 12:25 68 ºC 72 ºC 11 psi 12:30 70 ºC 74 ºC 12 psi 12:35 72 ºC 75 ºC 13 psi 12:40 73 ºC 76 ºC 15 psi 12:45 76 ºC 78 ºC 17 psi 12:50 78 ºC 80 ºC 20 psi
Para expresar un valor de ahorro se realizó diferentes pruebas como el tanque en baño maría a una temperatura inicial de 38 ºC secuencialmente cada 5 minutos se tomó valores y se pudo constatar que el incremento de la presión manométrica es proporcional a la temperatura que existe en el combustible que se encuentra en el interior del tanque como se puede ver en la tabla 8.
Tabla 8. Datos del consumo de combustible
Hora de la prueba
Cantidad de combustible 12:00 2 lt
59 Se puede expresar en la tabla 9 como un dato importante es la toma en relanti del funcionamiento del motor con una determinada cantidad de combustible en este caso 2 litros y se tieneque el vehículo se apaga a 1 hora 20 min de estar encendido en relanti, para esto fue necesario una bomba externa con un recipiente donde se pudo ver el consumo real de los 2 lt.
Figura 36. Foto de la bomba exterior utilizada para la prueba
Tabla 9. Datos de la segunda prueba consumo
Hora de la prueba
Cantidad de combustible
Presión Rpm. 3 minutos
3:00 3.5 lt 20 psi 900 3:15 3.0 lt 40 psi 900 3:30 2.7 lt 60 psi 2500 3:45 2.2 lt 40 psi 900 4:00 2.0 lt 55 psi 2500 4:15 1.6 lt 45 psi 900 4:30 1.4 lt 60 psi 2500 4:45 1.0 lt 42 psi 900 5:00 0.6 lt 58 psi 2500 5:15 0.3 lt 40 psi 900 5:30 0 56 psi 900 5:45 0 45 psi 900
