proyecto fuerzas sobre tanques de combustible (pdf)

Ingeniera Mecnica Mecnica de Fluidos I

P g i n a 1

I. Generalidades

1.1 Introduccin

Para realizar el planteamiento del problema nos hemos dado cuenta que es necesario

transportar lquidos como el crudo, disel o gasolina, los cuales son transportados

diariamente por las industrias petroleras.

Para poder transportar fluidos se ha diseado tanques de distintas formas y si bien se

construyen con diferentes materiales, los ms usados se fabrican en acero y con forma

cilndrica o esfrica, siendo esta ltima la forma del tanque a analizar. .

Debido a que carecen de estudios tecnolgicos y analticos se ha visto en la necesidad

de analizar las presiones que existen en las distintas paredes de un tanque cisterna de

13000 Lt.

Otro posible problema que podamos encontrar ser la existencia de asentamientos

diferenciales en los apoyos que generan importantes desplazamientos perpendiculares

a la placa an ms si estos apoyos son golpeados debido a la superficie por donde se

traslada el medio que lo transporta

1.2 Importancia y/o Justificacin

Nuestro proyecto pretende analizar las presiones que existen en un tanque que est

en movimiento con la finalidad de poder comparar nuestro anlisis con el software que

utilizamos.

1.3 Objetivos del proyecto

1.3.1 Objetivo General

Evaluar el efecto de la presin del fluido sobre las paredes del tanque y sus lneas

de accin.

1.3.2 Objetivo especfico

Utilizar el software Solidworks

Realizar una simulacin virtual de las presiones que se ejercen sobre las paredes

del tanque.

Calcular la mxima deformacin que puede tener el tanque debido a las presiones

que existen en l.

Calcular el esfuerzo mximo.


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II. Desarrollo de la Solucin del Problema

2.1 Definicin de Tanque Cisterna

2.1.1 Camin Cisterna

El camin cisterna o Auto-tanque es un deposito especial dedicado al transporte

normalmente de seccin cilndrica o ms o menos elipsoidal, de eje horizontal, con

casquetes o fondos abombados en sus extremos y provisto de valvulera, conducciones

y dispositivos de carga y descarga. Una de las muchas variedades de camin que sirve

tanto para el transporte de lquidos como para su mantenimiento por tiempo prolongado

segn sus caractersticas.

La mercanca se transporta en estado lquido ya que los fluidos tienen un menor

volumen en estado lquido que gaseoso, pudiendo transportar mayor cantidad de este,

pero a mayor presin. Los tanques cisterna son vehculos grandes de 6 a 8 ejes.

Entre estos se destacan por su mayor uso los de agua para regado y trasvase, los

de transportes de combustibles lquidos como gasolina, queroseno, glp y otros, o los de

productos qumicos lquidos, estando el transporte de stos regulado en casi todo el

mundo por su peligrosidad.

Figura 2.1: Camin Cisterna PetroPer

Fuente: http://proycontra.com.pe/

Coloquialmente tambin se le ha llamado "zeppeln" o "pipa"; como por ejemplo, un

camin cisterna que transporta agua a alguna comunidad, es conocido como la "pipa de

agua"


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2.1.2 Dispositivos de Seguridad de la Cisterna

Con independencia de las vlvulas y elementos propios de llenado y vaciado, las

cisternas suelen ir provistas de otros dispositivos, cuya misin es conferir seguridad

intrnseca a las operaciones de carga y descarga. A ttulo simplemente de resea, los

ms importantes son los siguientes.

2.1.3 Plataformas Superiores

Consisten en un pasillo metlico formado por un entramado a lo largo de la parte

superior de la cisterna y cuya funcionalidad reside en el trnsito y en la operatividad

precisa para efectuar con seguridad las maniobras de apertura y cierre de bocas de

carga, controles e inspeccin del interior de los compartimentos.

Figura 2.2: Vista Superior de un tanque

Fuente: http://www.insht.es/ : Fichas tcnicas

Dispositivos en cpula de cisterna correspondientes a bocas de hombre, bocas de

carga y pasarela con plataforma de desembarco desde la escala de acceso.

Su disposicin relativa es la de un pasillo central de anchura constante a lo largo

de la generatriz superior de la cisterna, de longitud comprendida entre el ltimo peldao

de la escala o desde la plataforma de desembarque hasta un mnimo de 40 cm

aproximadamente, sobrepasada la ltima boca de carga.

La anchura de la pasarela a ambos lados de las bocas de carga debera ser como

mnimo de 40 cm. Las plataformas estarn exentas de obstculos que emerjan a lo largo

de su recorrido y su diseo posibilitar la operatividad de las bocas de carga, de forma

que stas cierren en sentido contrario al de la marcha.

Estas plataformas carecern de plintos en sus laterales, debiendo estar fuertemente

ancladas, firmes y perfectamente asentadas.


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Todos estos elementos estn formados por trama antideslizante (ver fig. 2.2),

constituyendo su ausencia circunstancia propicia a todo un cmulo de situaciones de

riesgo por deslizamientos, torceduras, esguinces y cadas, llegando a poder revestir

caracteres de gravedad, si la cada se produce desde el camin cisterna, dado el

carcter resbaladizo de gran nmero de productos.

2.1.4 Escaleras de Acceso a Cisternas

Consiste en una escalera vertical de peldaos antideslizantes situada en la parte

posterior de la cisterna y que permite el acceso a la plataforma de sta.

Figura 2.3: Vista Superior de un tanque

Fuente: http://www.insht.es/: Fichas tcnicas

Escala antideslizante de acceso al domo de la cisterna, provista de barandillas en la

plataforma de desembarco a la pasarela.

La altura mxima desde el suelo al primer peldao de la escala debera ser como

mximo de 50 cm, a vehculo vaco y en orden de marcha.

Como primer peldao podr utilizarse, previo acondicionamiento, la parte superior del

dispositivo de proteccin contra empotramientos (parachoques trasero). El nivel del ltimo

peldao debe coincidir con el de la plataforma superior de desembarque.

La separacin mnima de cualquier punto de la escala a la cisterna no debera ser

inferior a 16 cm La pletina antideslizante soldada a cada peldao de la escala debera

tener una anchura mnima de 6 cm. Para facilitar el acceso a la plataforma es

recomendable que las barandillas laterales de la escala se eleven un mnimo de 50 cm

sobre aquella. Ningn elemento de la escala debe obstaculizar la introduccin o retirada

de las mangueras en los portamangueras laterales correspondientes.


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2.2 Importancia de los Tanques Cisternas

El sector petrolero es uno de los que ms contribuye a la riqueza del pas, por lo cual

existe un crecimiento acelerado en la industria petrolera y su impacto es determinante

para varios sectores industriales como transporte, generacin elctrica, etc.

El transporte desde las plantas y depsitos a los diferentes lugares del pas, se lo

hace mediante auto tanques a cargo de transportistas.

El sistema de tanque cisterna es el ms adecuado y seguro para transportar lquidos

de manera segura minimizando riesgos para las personas ajenas al sector, los

operadores, evitando daos a la propiedad y al medio ambiente.

2.3 Tipos de Tanques Cisternas

2.3.1 Remolques

Figura 2.4: Vista Lateral Auto-tanque


Son elementos de transporte integrados por una cisterna sobre un bastidor soportado

por ejes de ruedas delantero y trasero, unido a una parte tractora o camin cisterna por

un enganche reglamentario, pudiendo ambas partes quedar separadas

2.3.2 Semiremolques

Al igual que los remolques, no pueden moverse por s mismos, precisando de un

elemento motriz. Carecen de ejes de rueda delanteros, materializndose la unin a la

parte tractora a travs de una articulacin especial donde queda fijado el pivote de

sujecin (pivote real) de 2 pulgadas de dimetro del que va provisto todo semirremolque.

A la parte de esta unin que va fija al tractor se le denomina la quinta rueda y se localiza

a unos 300 mm por delante del ltimo eje del tractor.

Tienen un nmero par de ejes de ruedas (2 - 4 ejes) pudiendo sostenerse apoyados

por s mismos, aunque estn desenganchados de la cabeza motriz que los remolca.


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Con independencia del sistema de traccin, los semirremolques pueden ser: con

chasis (ver fig. 2.4), en los que la cisterna va apoyada en toda su longitud sobre un

bastidor y autoporlantes (ver fig. 2.5), sin bastidor, estando la propia cisterna calculada

para resistir mecnicamente apoyada, por un lado en una placa giratoria y por otro, en

los ejes traseros por medio del carretn trasero, falso bastidor auxiliar en la zona trasera.

Tiene la gran ventaja de su reducido peso muerto y la de permitir la libre dilatacin con

productos a temperaturas distintas a la atmosfrica. Mecnicamente trabaja como una

viga simplemente apoyada en sus extremos. Son casi cilndricas con fondos o

casquetes semiesfricos.

Figura 2.5: Semirremolque-cisterna Soportado sobre Bastidor


Figura 2.6: Semirremolque-cisterna Autoportante



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2.4 Estructura del Tanque Cisterna

Consta de:

Figura 2.7: Partes de la Estructura de un Tanque Cisterna


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2.5 Material de la Estructura del Tanque Cisterna

Los materiales que se utilizaron en la construccin del Tanque Cisterna es el acero

ASTM A-36 que es un acero de uso comn en el pas, a continuacin se muestra un

cuadro de caractersticas de los materiales aprobados por la ASTM.

Tabla 1: Propiedades de los Materiales (ASTM)

Esp

ecific

aci

n

Descripcin

Composicin Qumica % en Peso (Mximo)

Esf.

De

F

luen

cia

(Ksi) C Mn P S Si Cb V

ASTM A

570-36

Media,

Resistencia

Estructural,

Perfil, Tubular

0,25 0,9 0,035 0,04 0,4 - - 36

ASTM A

572-50

Alta

Resistencia,

Vigas Soldadas,

Estructural

0,23 1,35 0,003 0,03 0,4 0,05 - 50

ASTM A-

36

Media

Resistencia,

Estructural,

Vigas Soldadas

0,27 1,2 0.04 0,05 0,4 - - 36(2.5x1

08 Mpa)

Fuente: (ASME SECCIN II)

Las propiedades del Acero ACTM son:

Tabla 2: Propiedades del Acero ACTM A-35

PROPIEDADES VALOR

Mdulo de Elasticidad 2x105Mpa

Coeficiente de Poisson 0.26

Modulo Cortante 7.93e+10Kg/103

Densidad 7850Kg/103

Lmite de Traccin 400000000N/102


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2.6 Combustible Transportado por el Tanque Cisterna

El combustible utilizado por la cisterna ser Gasolina de 95

Propiedades Fsicas y Qumicas

Tabla 3: Propiedades Fsicas y Qumicas de la Gasolina de 95

Fuente: http://www.repsol.com/ Fichas de datos de Seguridad

Coeficiente de

Expansin Trmica 11.7x106/K

Conductividad Trmica 44.99W/(m.K)

Calor Especifico 0.5KJ/(kg.K)

Resistencia a la

Fluencia Traccin 2.5x102Mpa

Resistencia a la

Compresin

PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LA GASOLINA DE 95

Aspecto: Lquido brillante y tranparente. Ph: NP

Color: Visual: Azul Olor: Caracterstico

Punto de Ebullicin: P1: 33 C/ PF:221 C Punto de fusin/Congelacin

Punto de inflamacin/Inflamabilidad: -46 C AutoInflamabilidad: >200 C

Propiedades explosivas: LSU: 5.0 % / LIE: 0.8% Propiedades compurentes: -

Presin de vapor: 0.7 atm a 25 C Densidad: 709 - 727 Kg/m^3

Tensin Superficial: 19-24 dinas/cm a 25 C Viscosidad:

Densidad de Vapor: 3 (aire=1) Coef. De Reparto (n-octanol/agua): 3-5

Hidrosolubilidad: 50 mg/l Solubilidad: En disolventes del Petrleo

Otros datos: Hidrocarburos aromticos 9% Vol

Azufre: 0.2 % Masa Max

Hidrocarburos saturados: 80% Vol

Contenido de Plomo: 0.013 g/L Max

Calor de combustin: -114000 Kcal/Kg


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Tabla 4: Identificacin del Producto Gasolina 95

Fuente: http://www.repsol.com/ Fichas de datos de Seguridad

2.7 Observaciones y/o Hiptesis

Se ha tomado como dato la aceleracin del auto-tanque mediante una prueba

experimental el cual logr una distancia de 100m en 15 segundos los cual nos

da una aceleracin de 11.1 m/s^2

En la simulacin no se tom en cuenta las rompeolas, mas s en los anlisis

Asumimos que el Auto-Tanque tiene la aceleracin solo en el eje x y es

constante

No se ha tomado en cuenta el venteo

La altura mxima permisible se le ha tomado como 95 % de la altura total del

tanque

Presin que se ejerce sobre el fluido que se encuentra en el tanque es la

presin atmosfrica

Se ha considera las tapas como semiesfricas

1.IDENTIFICACION DEL PRODUCTO

Empresa

:REFINERIA LA

PAMPILLA S.A

Nombre comercial:Gasolina de 95

Nombre Quimico :Gasolina sin plomo

Sinnimos:primera fraccio de productos de :craqueo cataltico de la

destilacin de petrleo,naftas de bajas temperaturas de ebullicin

Frmula:mezcla compleja de hidrocarburos alifticos y

aromticos N CAS: NP


P g i n a 11

2.8 Descripcin Procedimental

Se ha hecho una visita a un taller donde brindan servicios de mantenimientos

especialmente a Auto-Tanques donde se ha logrado tomar las medidas pertinentes para

el anlisis de un Auto-Tanque de Gasolina de 13 000 litros.

Se crearon las partes ms importantes del Auto-Tanque para que con ayuda del

programa Solidworks 2015 se pueda hacer un anlisis de presiones tanto en las paredes

laterales como en las tapas semiesfricas.

Las partes del Auto-Tanque en anlisis se llevarn a sus planos para un posterior

detallado estudio.

Con respecto a los anlisis aprendidos en clase, se lograron hallar las fuerzas que

actan sobre el tanque a distintas alturas con los principios de Fluido-esttica cuando el

tanque est sin movimiento.

As mismo se analizar las fuerzas que actan dentro del tanque cuando tenga una

cierta aceleracin.

Finalmente comparamos los resultados obtuvimos mediante la simulacin en Solidwork.

2.9 Planos del Tanque (Fluido a almacenar) (Anexada en la parte final)

III. Resultados de Clculos

CUANTO EL TANQUE EST

INMOVIL

1. El fluido est a la mitad del

tanque.

Para las tapas del tanque

= 0

= /2

a. Para la fuerza vertical

= 1 + 2

= 0.806


P g i n a 12

=

= 11.765

3

= pues no existe volumen por encime del cilindro

= (1

2) + (

1

4)

= 2

2+ (

4

4

3

3)

Remplazando los datos tenemos :

= 3673.862

Luego

= 1 + 2

= +

+ (

)

=

+ (

)

= 3673.862

b. Para la fuerza Horizontal

= 1 + 2

Fuerza que ejerce el aire (1)

1 =

1 = 2

2

= (

) (

)

Remplazando los datos :

=5.5696N

Fuerza que ejerce la gasolina (2)

2 =


P g i n a 13

= ( + (

)) (

)

=2338.26

= 1 + 2

=(

) (

) + ( + (

)) (

)

=2338.26 + 5.5696N= 2343.829 N

Fuerza Resultante

= 2 +

2=2343.8292 + 3673.8622

= 4357.843

Para las paredes laterales

Longitud

= 2 = 6.6 2 0.806

= 4.988

= () = 680

3

= ()

= +

=

= = = = () = ()

Entonces

= /2

0

()

Como:

=

0

0

=

= ()/2

0


P g i n a 14

= ()/2

0

= ()()/2

0

= 2 ()2

/2

0

= 2(

2

(2)

4) 0

/2

=


= .

= = =

= 2()cos ()

Entonces

=

2

0

2() cos()

= 2 () cos()

20

= 2 (

2

2) 0

/2

=


= .

= 2 +

2

= 2224

4+

22242

16


P g i n a 15

= 2

21 +

2

4

= .

= arctan (

)

Entonces

= 57.518

2. El fluidos est a su altura mxima permitida

Para las paredes laterales

= (1)

1 = 2

2=

0.3510.7254

1= 0.2552


P g i n a 16

2 =2

360=

(0.806)2308.316

360= 1.7482

= 1 + 2 = 2.0032

= (0.7254

0.806) = 25.842 = 680

3

(1)

=212.79 kN

( , , )

= 0, = 0 , + 2 = 2.5274

= + sin (( +

2)

Remplazando los datos obtenemos :

= 0.726

(0 ,0,0.726)

Para las tapas del tanque

= (1

2) + (

1

4)

= (1

22) + (

3

3)


= 24.405106

=680

2

c=0.7254

= 0.98229 ^2


P g i n a 17

1 =

1 = 680 9.81(3 0.326) 0.9822952

1 = 17.523

2 =

2 = ( + ( +4

3)) (

2

2)

2 = (680 9.81 0.7254 + 680 9.81 (0.7254 +4 0.806

3) (

0.8062

2)

2=12.204

= 1 + 2

= .

Cuando hay aceleracin :

= 0 , = 0

=

=

0

0

=

) = = , = 2.494 , = 0.0806

0 = =

=

= 0.317 2

) =?

= , = 2.494 = 1.5314

Remplazando

= 112.05


P g i n a 18

Anlisis en el Software Solidworks

Esfuerzo Mximo

Esfuerzo mximo obtenido: 15.77 Mpa

Comparando con el esfuerzo de Fluencia (250 Mpa) lo cual podemos decir que es

correcto y lgico el anlisis ingresado al programa.

Deformacin

La deformacin mxima debido a la Gasolina es de:

: 0.03078


P g i n a 19

IV. Discusin de Resultados

La velocidad que un Auto-tanque cargado puede obtener en 100 m de distancia es de

40 KPH, y el tiempo que requiere es de 15 segundos aproximadamente, esto provoca

una aceleracin 0.591 que es muy aproximada a la aceleracin obtenida

analticamente.

Se realiz un esquema ordenado y comprensivo para la construccin de tanques de

este tipo, en el cual se detalla un anlisis material, herramientas y procesos que se

utilizaron en el desarrollo del proyecto.

Se obtuvo resultados favorables mediante la simulacin en SOLIDWORKS, la cual

permiti un anlisis completo de los materiales, fuerzas y esfuerzos que estos iban a

ser sometidos.

V. Conclusiones y Sugerencias

Este estudio permite obtener un buen anlisis de las presiones y fuerzas que actan

sobre un auto-tanque, lo cual si nos decimos a construirlo nos podremos ahorrar dinero

y tiempo.

El software de simulacin y ayuda para obtencin de resultados fue SOLIDWORKS ya

que permite definir anlisis de estructuras con el material que se desee trabajar. En

este caso fue muy importante en este estudio por su alta precisin al momento de

entregar resultados.

VI. Bibliografa

Mecnica de Fluidos. Autor: Robert L. Mott. Edicin: Sexta. Editorial: Pearson

FOX - McDONALD Introduccin a la mecnica de fluidos" Ed. McGraw Hill ( 1989)

SHAMES , I. La mecnica de los fluidos" Ed. McGraw Hill ( 1995)

WHITE , F. Mecnica de fluidos" Ed. McGraw Hill ( 2008 )

Linkografas

http://www.repsol.com/es_es/

http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/8816/1/T-ESPEL-MAI-0472.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada

http://www.insht.es/

http://proycontra.com.pe/


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VII. Anexos

Fotos Tomadas del auto-estudiado.

Fotografa 1: Soldadura Construccin del Chasis 31 Fuente: Propia

Fotografa 2: Unin Tanque-Base por medio de una Cargadora 33 Fuente: Propia


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Fotografa 3: Colocacin de Refuerzos UPN Alrededor del Tanque 34 Fuente: Propia

Fotografa 4: Bases de Bandejas Soldadas al Tanque 36 Fuente: Propia


P g i n a 22

Fotografa 5: Medidor de Nivel 42 Fuente: Propia

Fotografa 6: Boya de Nivel


P g i n a 23

Fotografa 7: Tanque Completo 47 Fuente: Propia

Fotografa 8: Parte Trasera48 Fuente: Propia


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Fotografa 9: Tanque Pintado y Terminado 49 Fuente: Propia

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