martes, 27 de noviembre de 2012

Depósito bajo presión


Un recipiente de presión, depósito bajo presión o pressure vessel es un contenedor estanco diseñado para contener fluidos (gases o líquidos) a presiones mucho mayores que la presión ambiental.

La presión diferencial entre el interior del recipiente y el exterior es potencial peligrosa. Históricamente los aparatos a presión han sido una fuente importante de accidentes laborales. Consecuentemente, el diseño, manufactura y manipulación de estos dispositivos están regulados actualmente mediante normas ingenieriles exigentes. Por esas razones, el diseño y certificación de un recipiente diseñado para contener presión varía de país a país, y requiere definir parámetros tales como la máxima presión admisible y la temperatura máxima admisible.

 


Usos

Recipientes de presión, conteniendo propano.

Los recipientes de presión se utilizan en numerosas aplicaciones en la industria y los servicios. Los mismos se utilizan para el transporte, producción, manipulación, almacenamiento y procesos de transformación de líquidos y gases en todo tipo de industrias y aplicaciones.

Ejemplos de recipientes de presión y su uso son: cilindros para buceo, cámara de recompresión, torres de destilación, autoclaves y numerosos usos como recipientes en la minería o refinerias de petróleo y plantas petroquímicas, calderas de producción de vapor, recipientes para reactores nucleares, hábitat de una nave espacial, submarinos, reservorios para almacenar gases, reservorios hidráulicos a presión, y tanques de almacenamiento de gases licuados como amoníaco, cloro, propano, butano y gas licuado del petróleo.

Forma de los recipientes

En principio los recipientes de presión podrían tener casi cualquier forma, sin embargo por lo general se utilizan formas que son secciones de esferas, cilindros y conos. Un diseño muy común es un cilindro al que se le adosan extremos denominados cabezas. Las formas de las cabezas por lo general son casquetes hemiesféricos o toriesféricos. Otras formas más complicadas históricamente han sido más difíciles de analizar a los efectos de garantizar una operación segura y son por lo general más difíciles de construir.

Desde un punto de vista teórico una esfera es la forma óptima para un recipiente de presión, ya que un recipiente con esta forma es el que para una misma presión puede ser fabricado con una pared más delgada que recipientes de volumen equivalente con otras formas. (Lo que resulta en el consiguiente ahorro de material).

Desafortunadamente, una forma esférica es difícil de fabricar, por lo que resulta más costosa (aún cuando requiera menos acero que otras formas) , por lo que la mayoría de los recipientes de presión son cilíndricos con cabezas hemiesféricas en relación 2:1 en los dos extremos. Recipientes de presión pequeños se suelen fabricar con un trozo de tubo y dos tapas. Una desventaja de estos recipientes es que los de mayores diámetros son más costosos, por lo que la forma más económica de un recipiente de presión de 1000 litros de capacidad y presión de diseño de 250 bar puede ser un diámetro de 914.4 mm y una longitud de 1701.8 mm en lo que se incluyen las dos tapas semielípticas.




Cálculo de recipientes

Los recipientes para presión estructuralmente se comportan como membranas elásticas. Por lo que las tensiones dependen esencialmente de la forma del recipiente (radios de curvatura) y el espesor de la lámina que contiene el fluido. En términos de la presión normal a la superficie media de una membrana las tensiones según dos direcciones perpendiculares se relacionan con el espesor y los radios de curvatura como:


Donde:

son dos direcciones mútualmente perpendiculares sobre la superficie media de la membrana.

son los radios de curvatura de las direcciones u y v.

son los tensiones según de las direcciones u y v.

, es la presión perpendicular a la membrana.

, es el espesor de la membrana.

Caso recipiente esférico

Para el caso de un recipiente de presión esférico, si se aplican la ecuación de la sección previa, resulta que la masa del recipiente debe ser:


Donde:

es la masa

es la presión diferencial respecto a la atmosférica

es el volumen

es la densidad del material del cual está construido el recipiente

es la máxima tensión admisible tolerada por el material.

Otras formas distintas de la esfera poseen constantes mayores que 3/2 (por ejemplo para el caso de cilindros infinitos la constante vale 2), aunque en el caso de algunos tanques tales como tanques no esféricos fabricados de materiales compuestos pueden resultar en constantes próximas a 3/2.
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