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:
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:
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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