Este es un espacio dedicado a temas tecnológicos de actualidad e interés general, haciendo énfasis en la mecánica y la electrónica industrial.

sábado, 31 de diciembre de 2016

INNOVACIONES EN LLAVES DE AJUSTE MECÁNICO

Para todo técnico u operario de mantenimiento mecánico, la "llave de ajuste" es una herramienta básica e imprescindible en el trabajo diario, no obstante ya muy pocos de ellos (hasta donde yo sé) guardan un "especial cariño" al clásico y poco práctico juego de la foto siguiente:

Este conjunto, de un tiempo a esta parte, está siendo sustituido ventajosamente por modelos de mandíbulas ajustables que, si bien tienen la limitación de una menor capacidad de torque, involucran ahorro y alivio en varios sentidos, además de cubrir una vasta laguna de aplicaciones en ajustes de pernos, tuercas y afines. 
Por nuestra experiencia o bien por la publicidad podemos haber conocido algunos modelos interesantes e innovadores.  Se conserva la esencia del producto, una palanca de segundo orden, pero a la que se le han añadido diferentes mecanismos que van a permitir modificar el espacio entre mandíbulas para diferentes medidas en el sistema métrico o el anglosajón.
 

 

 
 
La más reciente innovación, y quizás la más radical, involucra la aplicación del llamado "mecanismo de iris" a estas llaves. La idea, aunque parezca increíble, no ha sido propuesta por un técnico o un ingeniero mecánico sino por un fotógrafo profesional. Y es que este mecanismo se ha venido empleando comercialmente en el obturador de las cámaras fotográficas convencionales.
 
Conozcamos, pues, este nuevo prototipo, con aún menor capacidad de "apriete" o torque respecto a mecanismos más "rígidos", pero con la versatilidad y la practicidad que se requiere en muchas aplicaciones no especializadas ni de alta precisión, como es el caso doméstico o de pequeños talleres.
 
 
 
Conozcamos también de cerca el famoso "mecanismo de iris" que es el alma de esta interesante llave de ajuste. Como se indicó, ya ha venido empleándose en el campo de la fotografía; hoy encuentra una nueva aplicación...y corresponde ahora situarlo en una nueva aplicación. El reto está propuesto.
 
 

 
Estimados amigos, con este pequeño artículo estamos cerrando un nuevo año de este pequeño espacio destinado a la discusión y la divulgación de tecnología mecánica, electrónica y energías.  Esperamos sus opiniones, sugerencias, consultas acerca de proyectos aquí, vía Twitter o vía nuestra página de Facebook la cual cuenta ya con un número regular de participantes.
 
Gracias por acompañarnos un año más. Un feliz 2017 para todos.
 


 

domingo, 27 de noviembre de 2016

EL MOTOR IMPOSIBLE QUE PODRÍA SER POSIBLE

De las noticias tecnológicas recientes, lo que más me ha impactado en este momento es la relativa al motor EM-DRIVE o propulsor de resonancia RF, motor que "funciona" mediante la impulsión de ondas electromagnéticas reflejadas en una pequeña cavidad. Lo controvertido es que aparentemente este dispositivo es considerado "físicamente imposible" debido a un conflicto con la famosa Ley de Acción y Reacción.


Este motor fue inventado por el ingeniero inglés Roger Shawyer a comienzos de la década pasada. Su funcionamiento puede definirse como un sistema de propulsión sin propulsión, lo que significa que el motor no utiliza combustible para provocar una reacción. La eliminación de la necesidad de combustible hace a un vehículo sustancialmente más ligero, y por lo tanto más fácil de mover (y más barato de hacer, teóricamente). Además, la unidad hipotética es capaz de alcanzar velocidades extremadamente altas - estamos hablando de potencialmente llegar a los confines del sistema solar en cuestión de meses.

lunes, 31 de octubre de 2016

PROPULSIÓN IÓNICA - EL RENACER DE LA ILUSIÓN

La ciencia ficción (verbigracia la saga de Star Wars) ha popularizado estos dispositivos como aquellos que muy posiblemente lleven a los seres humanos hasta los confines de las estrellas. Me refiero a los motores de propulsión iónica, que cumplen una misión casi silenciosa hoy en día (y no es para menos pues no los hay en ingente cantidad ni mucho menos se encuentran operando en la superficie terrestre) y a los cuales dedicaré el presente artículo, después de conocer las múltiples innovaciones que se le han hecho en los últimos años y su posible aplicación a equipos que ayuden en el ya no muy lejano viaje humano a Marte.
 
Para empezar diremos que no es un dispositivo novedoso pues el ruso Konstantin Tsiolkovsky había ya vaticinado su uso a inicios del siglo pasado, y ya durante la segunda mitad (a partir de los años 50), los científicos de EEUU y la ex URSS construyeron, perfeccionaron y aplicaron prototipos diferentes en satélites y estaciones orbitales.
 
¿Y en qué consiste este famoso motor?. Los motores o impulsores de iones utilizan haces de iones (átomos o moléculas cargadas eléctricamente) para crear un empuje de acuerdo con la conservación del momento. El método de aceleración de los iones varía, pero todos los diseños aprovechan la relación carga / masa de los iones.



Esta relación significa que una diferencia de potencial relativamente pequeña puede crear altas velocidades de escape. Esto reduce la cantidad de masa de reacción o el combustible requerido, pero aumenta la cantidad de energía específica requerida en comparación con los cohetes químicos. Por lo tanto, los propulsores de iones pueden conseguir impulsos específicos elevados.
He aquí las expresiones fundamentales en el diseño de estos motores:
 
El inconveniente del bajo empuje es una aceleración baja porque la masa de la unidad de potencia eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de potencia. Este bajo empuje hace que los propulsores de iones sean inadecuados para lanzar una nave espacial en órbita, pero eficaz para la propulsión en el espacio.

Las velocidades de propulsión actuales son del orden de 30 km/s, obteniendo un empuje propulsivo de hasta 300 mili Newton (casi la fuerza con que se apoya una hoja de árbol sobre nuestras manos), por lo cual cabría no esperar mucho de estos motores. Pero existe una variante más eficiente que es el propulsor de Efecto Hall, desarrollado en la Ex URSS, el cual ha venido perfeccionándose en los últimos años.

viernes, 30 de septiembre de 2016

LA ENERGÍA EÓLICA, CADA VEZ MÁS ECOLÓGICA

El presente artículo está inspirado en el sorprendente y novedoso diseño de turbinas eólicas aplicables al ámbito urbano, que ya hacen gala en ciudades importantes del mundo, como es el caso de París, donde la empresa New Wind presentó hace ya un año su "Arbre à Vent".
 
Y este es apenas uno de tantos proyectos interesantes que, prácticamente, reinventan la turbina eólica. Existen por ejemplo "palmeras energéticas" que no sólo incluyen pequeñas turbinas en lugar de hojas, sino que además incorporan celdas para aprovechar la energía solar.
 
 
En otro artículo nos hemos referido a las turbinas eólicas regulares y su diseño básico. El presente viene a ser una suerte de continuación, buscando ampliar las aplicaciones.
El punto de partida para el diseño de una turbina eólica, es, como entonces se dijo, el cálculo de la potencia de flujo aprovechable para la producción de otro tipo de energía, y ello se sintetizaba en la ecuación siguiente:
Basándonos en esta expresión es posible optimizar la potencia de salida, a partir de un sólo parámetro: el área de barrido (swept area) de las palas impulsoras, ya que los demás dependen exclusivamente de "mamá naturaleza". No obstante, también el peso de las palas influirá significativamente sobre el parámetro V (velocidad del viento)  Los diseñadores han de tener en cuenta entonces un problema fundamental: ¿Cómo maximizar la potencia generada sin aumentar de manera considerable el área de barrido (y por ende el peso)  de las palas?
 
El ingenioso "Arbre à Vent" es, sin duda, una respuesta a la cuestión planteada. Múltiples turbinas en un sólo dispositivo, que también presenta solución a otros problemas como es el tema de la cantidad de metros cuadrados requeridos para las instalaciones en una zona urbana. Sólo piénsese en la gran cantidad de terreno que necesitan los tradicionales "parques eólicos", que no cabrían dentro de una ciudad.
 
 
 
REINVENTANDO LA TURBINA EÓLICA:
No se trata de "reinventar la rueda" se trata de "hacer una mucho mejor cada vez". En países latinoamericanos no sólo investigaciones universitarias se hacen necesarias ya que en los centros de formación básica (primarias y secundarias) pueden hacerse aportes. Damos aquí algunas ideas para estudiantes y docentes:
 A partir de materiales reciclables como tubos de PVC y envases plásticos, como baldes, que ya no estén en uso, es 100 % factible construir interesantes proyectos energéticos, empleando además como generadores de electricidad a los económicos micromotores eléctricos de corriente continua, de 6 voltios, de los que solían emplear los clásicos tocacintas e inclusive motores eléctricos provenientes de juguetes malogrados.
 
 

Con estos micromotores funcionando "al revés" podemos encender diodos LED y con ellos efectuar una laguna de proyectos que beneficien a sus instituciones, como es el caso de avisos o señales luminosas para aulas, oficinas y pasillos.
Para el diseño de nuestras "palas impulsoras", como se indicó, podemos emplear una diversidad de materiales reciclables livianos, con los cuales se puede experimentar respecto a formas, ángulos de instalación, así como tamaños (teniendo en cuenta, eso sí, lo indicado en la expresión matemática señalada en cuanto a área de las palas y el peso de las mismas, la potencia obtenida en dicha expresión es "potencia mecánica" o "potencia de entrada" la cual se convertirá en "potencia eléctrica" por medio del micromotor ).
Aquí puede verse un ejemplo interesante. No obstante el diseño de las palas es conocido y se llama rotor (o conjunto de palas) tipo SAVONIUS. Que puede ser construido a partir de botellas plásticas.
 

 
A modo de cultura general presento los diseños ya existentes en rotores o sistema de palas :
 
La instalación eléctrica tampoco es complicada de hacer y mucho menos es peligrosa en algún modo. Se recomienda eso sí, usar cable del tipo 20 a 26 AWG  y longitudes de cable no superiores a 2 metros en el caso de proyectos para principiantes. Hay gran variedad de diseños resultantes interesantes que pueden obtenerse.
 
Otra recomendación importante en cuanto a la instalación eléctrica es el de verificar el voltaje y el amperaje de salida de nuestro equipo, lo cual puede hacerse con ayuda de un multímetro. Es necesario tener presente que los diodos del tipo LED más comunes deben trabajar a lo sumo con 5 voltios y 10 miliamperios.
 
Cualquier persona interesada en un proyecto de mayor envergadura puede ponerse en contacto conmigo vía esta página, nuestra comunidad de Facebook, o al correo aljepague@yahoo.com
 
El reto está lanzado. Quedo a la espera de comentarios, inquietudes y sugerencias para próximos artículos.
 
 

 

 



martes, 30 de agosto de 2016

LA INGENIERÍA DEL CALZADO DEPORTIVO



Agosto ha sido el mes de las Olimpiadas, y con ellas hemos tenido no solamente la oportunidad de apreciar grandes hazañas deportivas, sino también tecnológicas en lo que es implementos para los participantes, y me refiero a las constantes innovaciones que en este rubro efectúan empresas como NIKE, inspiradoras del presente artículo.
Si bien cada especialidad deportiva tiene sus propios dispositivos, el común denominador de gran número de ellas está en el calzado. ¿Nos hemos puesto a pensar en aquellos esfuerzos que soportan nuestros pies aún simplemente caminando o corriendo?, pues ya muchísimos fabricantes de calzado deportivo en el mundo lo han hecho. El diseño integral del calzado buscará mitigar el daño que, a la corta o a la larga, podría ocasionar en nuestros pobres pies un calzado deficiente y aún el no usar calzado.
Pensemos en las fuerzas actuantes sobre nuestro pie al desplazarnos:

 

Podemos observar que la fuerza externa más grande es la GRF o Fuerza de Reacción del Piso a nuestro propio peso, y que, según la posición de nuestro pie, varía su posición y consecuentemente también sus efectos. Aún cuando permanezcamos simplemente de pie, la distribución de esfuerzos en la planta del mismo es tampoco pareja.
 
 
La cosa empeora si hablamos de las actividades deportivas propiamente dichas: allí tendremos cargas aunque transitorias y relativamente menores al peso propio, pueden resultar también perjudiciales.
 
 
Por ello, el diseño del calzado deportivo ha de estar cuidadosamente pensado para responder a múltiples desempeños dentro de cada especialidad. Las aparentemente "caprichosas" formas existentes en las suelas, como la cocada de los neumáticos, responde entonces a necesidades funcionales, fundamentalmente la de "amortiguar" las fuerzas de reacción sobre el pie, además de la antifricción y fuerzas de impulso súbitas.
 
El calzado deportivo viene a ser entonces en primer lugar una suerte de "conjunto de resortes" a diversos esfuerzos, fundamentalmente, los presentados en la marcha. Y como tal conjunto es modelado por diseñadores. Pueden ser conjuntos en serie o paralelo de los mismos. En base a ellos se da la selección de materiales, diseño de protuberancias en las suelas, etc.
 
 Pero existen modelos más simples, donde cada calzado es modelado como un solo resorte sometido a tracto compresión. Este modelo permite calcular la energía desarrollada por los esfuerzos o tensiones en diferentes circunstancias.

 
 
 
Lo siguiente será entonces la selección  de los materiales que mejor puedan desempeñar el papel de "absorbencia" de esta energía. ¿Se imagina Ud. entonces ahora todo aquello que tuviese que soportar el pie humano sin la protección debida.
Pero esto es sólo el primer paso en la ingeniería del calzado. También se tienen en cuenta factores aerodinámicos y térmicos. Pero los fundamentales son los factores mecánicos.
Nos veremos próximamente con nuevos y más interesantes artículos.

sábado, 30 de julio de 2016

DISEÑO MECANICO DE BIODIGESTORES DISCONTINUOS DE ACERO (3° PARTE)


ESTRUCTURAS DE SOPORTE:
Para proyectos pequeños o medianos, podemos requerir una estructura de soporte. En caso contrario resulta más razonable (y económico) anclar y cimentar la base del tanque directamente en el suelo.
El diseño consistirá en la selección de los perfiles estructurales que garanticen la estabilidad de nuestro tanque biodigestor.
No se trata simplemente de verificar la conveniencia de un perfil en particular (tubo estructural redondo, cuadrado, etc.), sino además de ver si con otro, de inferiores dimensiones y obviamente más económico, podremos satisfacer plenamente nuestro requerimiento. Las cargas a considerar (según especificaciones ASME) para dimensionar “patas” de recipientes verticales o “silletas” para los horizontales, son:
  • Peso propio, considerando el recipiente cilíndrico (horizontal o vertical) completamente lleno de agua.
  • Presión interna (ya calculada).
  • Presión externa (atmosférica local), dado que suponemos a nuestro tanque biodigestor completamente vacío sólo en circunstancias accidentales, debemos considerar instalarle una válvula rompedora de vacío, dado que tanto en la carga como en la descarga instalaremos potentes bombas alimentadoras.
  • Fuerzas debidas al viento (únicamente importantes en proyectos grandes), que se calcularán en base a datos de las condiciones atmosféricas locales más desfavorables para nuestro proyecto.
Para proyectos pequeños y medianos son suficientes los dos primeros ítems. La carga de diseño será entonces la sumatoria de ellas. En el caso de recipientes horizontales el cálculo de reacciones se hará considerándolos “vigas” con dos apoyos, considerando momentos por excentricidad de la carga. La selección de perfiles se hará de acuerdo a las especificaciones AISC para columnas intermedias, para cargas centradas o excéntricas:



En el caso de proyectos mayores que requieran anclajes y cimentación, hemos de recurrir a las especificaciones API 650, en las cuales también se ha de considerar esfuerzos debidos a sismos.
 

Oportunamente se brindarán detalles de un biodigestor con estas características.

ESPECIFICACIONES PARA AGITACIÓN:
Se complementará lo consignado en el artículo de Julio del 2010:
http://mecanotecnia.blogspot.pe/2010/06/diseno-de-plantas-de-biogas-segunda.HTML

Como entonces se dijo, es necesario investigar el efecto de la velocidad de agitación contra la eficiencia del proceso en el tanque biodigestor. No obstante también podemos seleccionar el tipo de agitador según la velocidad  requerida y el tipo de biodigestor: si es continuamente agitado (CSTR) o no (plug-flow), y según el tamaño de las partículas en suspensión, de acuerdo a la siguiente tabla:
 
 
 
ESPECIFICACIONES PARA CALEFACCIÓN:
 
También se complementará lo consignado en el artículo del 2010. Ahora, para calcular el requerimiento de calor (en KW, BTU, etc.) a la expresión indicada en dicho artículo, sumaremos las compensaciones por pérdidas a través de radiación y evaporación:
 
Para radiación utilizaremos: Pr = DT x S  x  U
 
Siendo DT, la variación de temperatura exterior e interior del biodigestor (en Kelvin); S, la superficie o área interior; U el coeficiente global de transferencia de calor (discutido en el artículo del mes pasado).
 
Para evaporación utilizaremos: Pe = F x E x Sat
 
Siendo F el flujo de biogás producido en metros cúbicos por segundo,  E la entalpía de evaporación del agua, Sat es la saturación o densidad  del agua contenida en el biogás. Todos estos datos pueden obtenerse de Tablas Termodinámicas para agua a la temperatura de la cámara.
 
Tenemos entonces a mano los criterios de ingeniería más importantes para emprender el diseño de un biodigestor industrial. Cualquier consulta o asesoría para un proyecto en particular pueden contactarse conmigo vía mensajes privados en nuestra página de Facebook o bien directamente al correo electrónico: aljepague@yahoo.com
 
Son también bienvenidos los comentarios, inquietudes y sugerencias para nuevos artículos. Hata el mes que viene. Gracias por su atención.
 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

*BIOGAS HANDBOOK - Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen - University of Southern Denmark Esbjerg - año 2008.

*THE BIOGAS HANDBOOK: SCIENCE, PRODUCTION AND APPLICATIONS -
Arthur Wellinger, Jerry D Murphy, David Baxter – IEA Bioenergy – Woodhead Publishing Limited, 2013.
*MANUAL DE RECIPIENTES A PRESIÓN/DISEÑO Y CÁLCULO - Eugene F. Megyesy - Editorial Limusa S.A. de C.V. - México - 1989

*API 620: Design and Construction of Large Welded Low Pressure Storage Tanks - American Petroleum Institute - 2002.

*MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION - Publicación del American Institute of Steel Construction (AISC) - 2010.

*DESIGN, CONSTRUCTION AND OPERATION OF THE FLOATING TANK - by Siew Yeng Kuan - University of Southern Queennland - 2009.

*FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR, 4ta Edición – Frank P. Incropera y David P. DeWitt - Ed. Prentice Hall - 2008.

 

miércoles, 29 de junio de 2016

DISEÑO MECANICO DE BIODIGESTORES DISCONTINUOS DE ACERO (2° PARTE)

Este segundo artículo versará acerca del dimensionado del tanque biodigestor y sus accesorios básicos, basándonos en los previamente calculados (ver artículo del mes anterior): Volúmenes de biomasa y gas, Presión máxima de diseño, Diámetro y altura. Haremos una clasificación previa de los tanques, de acuerdo a su capacidad o volumen:
 
• Tendremos un “tanque biodigestor pequeño” para volúmenes de hasta 20 metros cúbicos.
• Un tanque biodigestor de “mediana capacidad” tendrá un volumen de entre 20 y 150 metros cúbicos.
• Tanque biodigestor de “gran capacidad” será aquel cuyo volumen sea superior a los 150 metros cúbicos.
 
De acuerdo a la posición, el tanque biodigestor puede ser vertical (en cualquiera de los 3 tamaños) u horizontal (para los 2 primeros). En esta ocasión daremos las pautas básicas de diseño para los dos primeros ítems y algunos referentes aplicables para el tercero .

Biodigestores Verticales de "gran capacidad"
Biodigestores Verticales
 

Biodigestor Horizontal de "mediana capacidad"



CALCULO DE ESPESORES DE PLANCHAS:

Lo próximo a calcular serán los espesores de planchas óptimos. Utilizaremos los criterios de la ASME, que también se encuentran expuestos en el libro de E.Megyesy (Manual de Recipientes a Presión).
Sea horizontal o vertical, nuestro tanque biodigestor contará con un cuerpo (o casco) cilíndrico y tapas. Para ello primero tenemos:


Para la forma de las tapas o cabezas tenemos diferentes alternativas, pero debe considerarse en todo momento el factor costo de planchas y manufactura, además de resistencia a presiones:
Las cabezas ASME o toriesféricas, que suelen ser las más comunes a nivel industrial por su costo de manufactura relativamente más asequible y su capacidad de resistir altas presiones manométricas. Comercialmente podemos encontrarlas disponibles con diámetros de hasta 6 metros. Recomendables para tanques horizontales.


Las cabezas elípticas tienen la bondad de ser las más eficientes para estos casos máxima resistencia a presiones extremas accidentales; se recomiendan para proyectos pequeños y medianos, en posición horizontal o vertical, cuando el espesor de las tapas toriesféricas resulte oneroso en costo. Comercialmente podemos encontrarlas en diámetros de hasta 3m.


Las cabezas cónicas (como base) son muy recomendables para proyectos verticales medianos y pequeños, dado que garantizan una muy eficiente forma de manejo de los efluentes, ahí donde además de la producción de biogás se piense en producción de abono agrícola.

Biodigestor de base cónica


Escogeremos el mayor espesor obtenido en el casco y las tapas seleccionadas, pero no olvidar considerar sumar un factor de corrosión en el caso descrito en el artículo anterior: si no empleamos aceros inoxidables de calidad o con protección galvánica, de resina epóxica o bien recubrimiento GFK.
Para el caso de proyectos de "gran capacidad", adaptaremos las normas API a nuestros requerimientos. Se trata de un tanque de almacenamiento con presión interna. El espesor de plancha se calculará de la siguiente manera, en términos del radio del recipiente, la altura H variable, el esfuerzo de fluencia Sfl o esfuerzo admisible del acero, el margen de corrosión M.C. y la presión de la campana Qd :


Nótese que Qd puede representar no solamente la presión debido al gas, puesto que, en caso de que tengamos un techo “flotante”, debemos sumar el peso de este techo a Qd. El espesor de planchas irá disminuyendo con la altura.
No obstante los espesores obtenidos pueden compararse con las respectivas especificaciones API.
 
Tanto el diseño de la base, cimientos y techo en estos proyectos grandes serán tema de discusión de otro próximo artículo.

TUBOS DE ALIMENTACIÓN Y DESCARGA, BOQUILLAS DE GAS Y REGISTROS:

El diámetro interno de la tubería de alimentación del biodigestor se calcula a partir de la tasa diaria de producción de biomasa G (en unidades de volumen por día). Anotaremos referencialmente que la velocidad de flujo “V” mínima recomendada en tuberías de sustrato o biomasa de estiércol para biodigestores es 5 pies/s (1.5 m/s) y los tubos no deben tener un diámetro inferior a 6” para impedir obstrucciones.

Podemos emplear también el nomograma de Wilson (consignado en manuales de bombeo de estiércol como el de las firmas METSO o WEIR) que nos permite conocer, a partir del tamaño promedio de las partículas en suspensión de la biomasa y la gravedad específica de la misma, el diámetro del tubo o la velocidad de flujo que necesitamos saber. Este nomograma también podremos encontrarlo en nuestra página de Facebook.

El diámetro del tubo de salida de metano, se estimará de manera análoga, a partir del volumen diario esperado de producción del biogás y el consumo del mismo. Con una gráfica como la adjunta en nuestra página de Facebook (teniendo en cuenta la longitud de la instalación o la caída de presión), tendremos el dato buscado.
 
El espesor mínimo de tuberías de conexión para nuestro tanque biodigestor lo calcularemos por medio de la siguiente expresión:


En el caso de los registros, se requieren agujeros-hombre con 15” (diámetro) o dos aberturas con boquilla roscada de 2” para diámetros de recipientes entre 18” y 36”; para mayores diámetros los boquillas deben tener 6”. Estas boquillas se ubicarán preferentemente en las cabezas de los recipientes.

CHAQUETAS TÉRMICAS:

El funcionamiento óptimo de un biodigestor dependerá de que no haya fluctuaciones bruscas de temperatura en su interior. Se hace necesario por ello un revestimiento o aislante térmico.
A nivel técnico-comercial, los materiales recomendados son:
• Lana mineral, se presenta granulada, en manta o en paneles rígidos. Sólo podría servir la presentación en mantas. Sin embargo, este material tiene un buen comportamiento térmico cuando es dispuesto en superficies horizontales o con algún grado de inclinación, pero en superficies verticales se produce una "decantación" de la lana mineral.
• Lana de vidrio, al igual que la lana mineral la opción es usar las mantas, con el mismo inconveniente antes descrito.
• Vidrio celular o expandido, su presentación es en paneles rígidos por lo que no es viable para la aplicación.
• Espuma celulósica, es de fácil aplicación, pero su adherencia no es buena por lo que, para nuestro caso no es recomendable.
• Espuma de polietileno, es económico e hidrófugo y de fácil aplicación. Su rendimiento es de carácter medio.
• Espuma de poliuretano, comparable con la espuma de polietileno, pero con mejor rendimiento, una mayor resistencia a la compresión y menores coeficientes de conductividad térmica.
• Espuma elastomérica, posee excelentes propiedades aislantes, buen rendimiento y es ignífugo. Sus presentaciones están orientadas a aislamiento de ductos y similares por lo que no es un producto que sirva para la aplicación del aislamiento del digestor.

El espesor óptimo se calculará multiplicando por 100 el cociente de los coeficientes globales de transferencia de calor (con y sin aislamiento) y probando diferentes espesores con el material elegido por conveniencia técnico-económica. De esta forma obtenemos en forma porcentual la pérdida de calor y se puede hacer la comparación.


Siendo q la pérdida total de calor sin aislamiento, A el área exterior del tanque h1 la resistencia térmica de la biomasa (que para fines prácticos puede considerarse despreciable, dado que por lo general es inferior al 1% del aislante); h2 la resistencia térmica del aire; XH/KH y Xais/Kais las resistencias térmicas del acero y el aislante respectivamente.

Algunos productos especializados como los de la casa BASF nos proveen de soluciones mucho más prácticas como tablas y nomogramas, pero aplicables únicamente a tales productos (Disponible también en Facebook).


ESPECIFICACIONES PARA SOLDADURA:

Aplicables a proyectos pequeños y medianos.

Electrodos: Para planchas de acero inoxidable se utilizarán electrodos AWS E-308–16 (acero AISI 304); E-316-16 (AISI 316), según el tipo de acero que hayamos empleado. Para planchas de acero convencional, usaremos electrodos AWS E-6010 ó E-6011 para el cuerpo, agujeros-hombre o agujeros-mano y las tapas. Para empalmes en ángulo (tapas con cuerpo), se recomiendan electrodos AWS E-6012. Para elementos estructurales, es suficiente el E-6011.

Juntas: El código ASME las establece en forma jerárquica con 4 categorías: A, B, C ó D. Las uniones del tipo A y B, son a tope, con doble cordón de soldadura.


Se considerará además una eficiencia de 1.0 considerando que la junta debe ser completamente radiografiada. Recuérdese que estas juntas corresponden a la zona de almacenamiento de gas y estamos considerando a la biomasa como un producto tóxico. Para las uniones del tipo C tendremos el mismo tipo de cordón y eficiencia que en los casos A y B. Las uniones del tipo D son de soldadura de penetración total a través de la pared del tanque, boquilla o registro.
 
Continuaremos un tercer artículo haciendo énfasis en elementos estructurales, agitación mecánica, calefacción y más detalles para proyectos grandes. Muchas gracias por la atención.
 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

*BIOGAS HANDBOOK - Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen - University of Southern Denmark Esbjerg - año 2008.

*MANUAL DE RECIPIENTES A PRESIÓN/DISEÑO Y CÁLCULO - Eugene F. Megyesy - Editorial Limusa S.A. de C.V. - México - 1989.

*API 620: Design and Construction of Large Welded Low Pressure Storage Tanks - American Petroleum Institute - 2002.

* SLURRY PUMPING MANUAL - Weir Group PLC - Warman International - 2002.

*THERMAL INSULATION OF BIOGAS PLANTS - Styrodur C - BASF Corporation - BASF Germany.

*FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR, 4ta Edición – Frank P. Incropera y David P. DeWitt - Ed. Prentice Hall - 2008.

domingo, 29 de mayo de 2016

DISEÑO MECANICO DE BIODIGESTORES DISCONTINUOS DE ACERO (1° PARTE)

Después de 6 años vengo a retomar el tema de la producción de Biogás. Los artículos del 2010 hacían referencia a consideraciones de diseño en general para una planta de biogás. Sin embargo, se han dirigido a mí, durante mucho tiempo, numerosas personas haciéndome consultas relativas a proyectos de biogás del tipo “discontinuo” (Batch) para uso industrial, como el que se aprecia en la figura de abajo. El presente artículo viene a ser pues, un resumen de las respuestas a todas aquellas inquietudes, y al mismo tiempo, un referente para quienes realicen nuevos trabajos, sean investigaciones teóricas o proyectos concretos reales.

Puede requerirse y evaluarse “a priori” la conveniencia técnico-económica de una planta de biogás para una empresa pesquera, agroindustrial en general o bien de tratamiento de aguas residuales, inclusive un laboratorio. Hablamos en este caso de muy alta demanda energética, por lo cual la evaluación ha de ser minuciosa (Ver artículo de Mayo del 2010 como referente). Esto es, necesariamente, lo primero que debe hacerse: demostrar con números por qué se debe instalar una planta de biogás: Si la biomasa disponible en la empresa puede producir un gas de calidad, y si este gas puede cubrir rentablemente una necesidad energética.

CÁLCULO DE VOLÚMENES: Lo segundo importante para calcularse, a saber, es el volumen global (V) de nuestro biodigestor, que se estima por medio de la fórmula: V = G x Tr, donde G es la producción de biomasa (en unidades de volumen por dia) y Tr el tiempo de retención (en días). De este volumen V entre el 15 y 20% estará asignado a nuestro “espacio colector de gas”, así podemos estimar: Vg = 0,2 x V (siendo Vg el volumen de gas).

PRESIÓN MÁXIMA DE DISEÑO: Lo tercero importante a calcular es la Presión máxima de diseño (Pmaxd), para lo cual estimaremos antes la Presión máxima interna (Pmax) en nuestro biodigestor, que dependerá de la posición del biodigestor: Horizontal o Vertical, dependerá de la temperatura de operación (la cual debe situarse entre los 30 y 35°C) y del tipo de agitación (si se inyecta aire comprimido para producir burbujas por ejemplo, en biodigestores aeróbicos, método que poco se recomienda) de la biomasa.
Si usamos agitación mecánica: Pmax = Ph + Pg; donde Ph es la presión en el fondo del recipiente debido a la altura de la biomasa, (Ph = densidad de la biomasa x gravedad x altura de biomasa, pudiendo suponerse la altura de forma tentativa); Pg es la presión debida al gas, que puede calcularse con la Ley de Gay-Lussac para un proceso isócoro (a volumen constante), desde Presión y temperatura atmosféricos hasta la temperatura de 35°C.
Si usamos agitación mediante aire comprimido o recirculación de biogás, de acuerdo a la Ley de Dalton, debemos sumarle a la Pmax anterior, la presión de aire o gas empleada. Obsérvese, eso sí, que la Pmax. resultante no esté excediendo la presión crítica del biogás (básicamente metano).
Esta presión máxima, según E.Megyesy (Manual de Recipientes a Presión), no debe ser inferior a los 30 PSI (abs.) ó 207 KPa. , caso contrario multiplíquese Pmax por 1.1 (ó 10% más). Así obtenemos Pmaxd, o nuestra Presión máxima de diseño.

ACEROS RECOMENDADOS: Los aceros más convenientes para estos dispositivos son los inoxidables (de estructura austenítica, como el AISI 304, 304L, y mejor aún, AISI 316 y 316 L) dado que garantizan una mayor durabilidad de las instalaciones frente a altos niveles de corrosión interna y externa. No obstante, el coste de un proyecto superior a los 300 pies cúbicos podría resultar tremendamente oneroso con dicho material. Para estos casos podemos contar con aceros “convencionales” como el A-283 y el A-285 (Grado C) de manera alternativa, pero para estos, en caso de no contar con una protección galvánica o revestimiento, debe considerarse un “margen adicional” en el espesor de planchas considerando el progreso de la corrosión en el tiempo. De este margen hablaremos a continuación.

TAMAÑO ÓPTIMO DEL BIODIGESTOR: Si bien ningún código importante de diseño nos limita en cuanto a la relación que debe existir entre la altura o largo y el diámetro de nuestro tanque biodigestor, siempre existe la preocupación de cuáles son las dimensiones óptimas para economizar el número planchas de acero. Así podemos basarnos en el criterio E. Megyesy (limitado a P menor de 1000 PSI y tapas elipsoidales), el cual establece que, una vez conocido el volumen (en pies cúbicos) se debe calcular un factor “F” del siguiente modo:
Con estos dos valores entraremos a la gráfica siguiente y tendremos el diámetro óptimo de nuestro recipiente.

Para el cálculo de F, debe asumirse una eficiencia de junta (o unión de tapas y cuerpo) alrededor del 90 a 100%.  El margen por corrosión “C” no puede asumirse arbitrariamente dado que depende de “cuánto tiempo de vida queremos” para nuestro recipiente, la tasa de corrosión (pulg/año ó mm/año, que puede medirse experimentalmente) se multiplicará por la expectativa de vida (en años); pero también podemos utilizar la siguiente tabla como referencia:

 

Conocidos el diámetro y el volumen, podemos fácilmente despejar la altura óptima real de nuestro tanque biodigestor.  Podemos ahora hacer una refinación recalculando la altura real de la biomasa, la presión de diseño y verificar el tamaño óptimo obtenido más arriba.
Estas tablas están también disponibles en nuestra página para quien tenga necesidad de ellas con una mejor visualización. Continuaremos los artículos siguientes con los cálculos de espesores de planchas, recomendaciones de soldaduras y dimensionado de accesorios.
Cualquier inquietud o comentario es bienvenido por este medio o vía Twitter o vía Facebook. En base a ellos es que se hizo este artículo. Un cordial saludo para todos.

 

sábado, 30 de abril de 2016

LOS PUQUIOS DE NAZCA Y LA HIDRÁULICA PREHISPÁNICA PERUANA

Sin duda lo más resaltante de este mes que concluye ha sido el redescubrimiento de la función de los famosos "puquios" en Nazca (Departamento de Ica, Perú), por parte de la investigadora Rosa Lasaponara. Tal redescubrimiento, un artículo previo mío y algunas lecturas complementarias son las que han inspirado la nota siguiente.
Buen tiempo se observó el paralelo existente entre los sistemas hidráulicos prehispánicos y los famosos (y también milenarios) "Qanats" persas, que se construyeron en muchos países de oriente y occidente. Y es que realmente todos ellos responden al mismo principio para el transporte y accesos. Incluso se habló de la posibilidad de que hayan sido los españoles quienes introdujeron esta tecnología en el Perú a inicios del siglo XVI.  Pero otras evidencias como el asentamiento previo de poblaciones en regiones áridas y de poquísimas precipitaciones anuales (como es el caso de Nazca), y construcciones análogas en otras regiones, como los famosos "Muyus" en el Cuzco, han rebatido tal argumento y confirmado el notable dominio de nuestros antiguos compatriotas respecto a la tecnología hidráulica.
Nos ocuparemos en primer lugar de los "Puquios", que como bien se ha indicado, responden al mismo principio, desempeño y aplicación que el clásico Qanat.
En estos últimos,como puede observarse, hay pozos de acceso, pero hay también edificaciones auxiliares para "refrigerar" o mantener la temperatura del agua con ayuda del aire.
Precisamente lo que ha hecho original al "Puquio" o "Qanat peruano" es la ingeniosa unificación del acceso y la ventilación, que maximiza el aprovechamiento de corrientes de aire mediante los sumideros (tal ha sido la sorprendente noticia que nos brindó doña Rosa). Ya no tienen estos sólo la finalidad de hacer accesible el agua al hombre o asegurar la estabilidad del terreno.
 
La razón de ser de esta curiosa forma de "pozo" queda pues entonces así aclarada. No obstante cabe destacar que el "Qanat peruano" tenía dos variantes: una a cielo abierto o "canales" (como puede verse en la foto) y la otra "subterránea" en zonas donde las temperaturas eran mayores a fin de minimizar la evaporación del agua. El agua era conducida desde la "napa freática" hasta reservorios o "conchas" donde se almacenaba.
 
Los "Muyus" en cambio, aunque tienen similitud física con los "Puquios", responden a principios hidráulicos diferentes: Uso del agua proveniente de las precipitaciones en las alturas.
 
 
La diferencia, también radica en que el sumidero se convierte en un verdadero sistema de drenaje del agua hacia cada una de las terrazas donde se practicaba (y se sigue practicando en algunos casos) la agricultura. Este sistema de sumidero también garantizaba (y este es quizás su mayor mérito) la no acumulación de sales y desechos en el cauce natural del agua (por canales de piedra) por las terrazas. 
 
Pero los sistemas hidráulicos prehispánicos de nuestro país deben verse no como dispositivos aislados, sino como un "todo" a fin de entender cómo es que se llevaba a cabo el manejo del agua por parte de nuestros antiguos compatriotas. Puede observarse que era un sistema integral de manejo del agua, que incluía los recursos forestales de las regiones (cuando los había):
 
Nos faltaría hablar de las "amunas" y los "waru-warus". Las primeras eran "recargas" fluviales por inyección de agua proveniente de la napa freática o filtrada desde mayores alturas.
 
Los segundos, también conocidos como "camellones" o plataformas de tierra levantadas sobre tierras inundadas con el fin de maximizar el recurso acuífero en la agricultura, es decir, se cultiva sobre la plataforma construida.
 
Este complejo sistema hidráulico, con algunas variantes según la región fue empleado con éxito por las antiguas culturas de nuestro país y llevadas a su máximo nivel (aunque sin mayores innovaciones) por el Imperio Inca. Aún en nuestros días se emplean estos sistemas construidos por nuestros antepasados.