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CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA “DISEÑO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO, DEL RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO DE AIRE Y DELSISTEMA DE CLIMATIZACIÓN DEL ÁREA.

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1 CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA “DISEÑO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO, DEL RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO DE AIRE Y DELSISTEMA DE CLIMATIZACIÓN DEL ÁREA DE PINTURA PARA LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE RECIPIENTES A PRESIÓN Y FACILIDADES DE CONSTRUCCIÓN DE LA COMPAÑÍA SERTECPET S.A.-ECUADOR. UBICADA EN LA CIUDAD DE FRANCISCO DE ORELLANA-PROVINCIA DE ORELLANA” PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO CRISTINA GISELLE OSCULLO NARANJO JOSÉ LUIS JÁCOME TAPIA DIRECTOR: ING. FERNANDO MONTENEGRO CODIRECTOR: ING. HERNÁN LARA Sangolquí, 27 de Junio del 2011 A continuación la exposición del proyecto de grado titulado

2 CONTENIDO: Introducción Objetivos Diseño de la red de aire comprimido
Diseño del recipiente de almacenamiento de aire Diseño del sistema de climatización del área de pintura Análisis económico y financiero Conclusiones y recomendaciones

3 INTRODUCCIÓN

4

5 OBJETIVO GENERAL Diseñar la Red de Aire Comprimido, del Recipiente de Almacenamiento de Aire y del Sistema de Climatización para el Área de pintura, para Planta de Producción de Recipientes a Presión y Facilidades de Producción de la Compañía SERTECPET S.A. ESPECÍFICOS Desarrollar el Marco Teórico del aire comprimido, del recipiente a presión y del sistema de climatización descrito en el índice del proyecto Analizar y Seleccionar la mejor alternativa para la red y el recipiente de aire comprimido de la planta PPRP Analizar y Seleccionar la mejor alternativa para el sistema de climatización del área de pintura de la planta PPRP Desarrollar el diseño mecánico e ingeniería de detalle de la red y del recipiente de aire comprimido a instalarse en la Planta PPRP Desarrollar el diseño mecánico e ingeniería de detalle del sistema de climatización del área de pintura de la Planta PPRP Realizar un análisis Económico y Financiero del proyecto

6 DISEÑO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

7 LAYOUT DE LA PLANTA DE RECIPIENTES A PRESIÓN Y FACILIDADES DE PRODUCCIÓN
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8 CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO
Ítem Equipo / herramienta neumática Cantidad Consumo de aire a 6 bar (m3/min) Factor de utilización Total de Consumo de aire (m3/min) 1 Granallado 2 4.9 0.75 7.35 Aire de Vida-granallado 0.57 0.86 3 Micro-granallado 0.52 0.08 0.04 4 Pintura 1.98 0.5 5 Corte plasma-aire 0.26 0.13 6 Soldadora SAW 0.58 0.17 0.20 7 Pistola Limpieza 0.19 0.06 8 Pistola de impacto 1.74 0.28 Subtotal Consumo de aire (m3/min) 10.89 Total Consumo de aire con factor de simultaneidad (m3/min) 0.68 7.41 Consumo de aire por corrección por fugas (m3/min) 5% 0.37 Consumo de aire por corrección por expansión (m3/min) 20% 1.48 Consumo de aire por corrección por error (m3/min) 10% 0.74 Total Consumo de aire (m3/min) 10.00 Caudal Total Corregido por altitud (256 msnm) (m3/min) 10.23 8

9 CALIDAD DEL AIRE Para los diferentes servicios de la planta se requiere una calidad diferente de aire Para obtener una calidad 4 en contenido de humedad se requiere el uso de un secador frigorífico. Contenido máximo de Impurezas Sólidas Contenido Máximo de Humedad Contenido Máximo de Aceite Clase 1 2 3 4 5 Granallado x Granallado altas exigencias Pintura tipo airless Equipo de Corte Equipo SAW Pistolas de Limpieza Pistolas de Armado Fuente: Adaptada de Catálogo Tratamiento de Aire Comprimido 9

10 COMPRESORES Los compresores seleccionados son:
Compresor BOGE modelo S 50-2 Compresor BOGE modelo S 40-2 Caudal entregado a m3/min a una presión de 8 bar Seteados de la siguiente manera: 10

11 MATERIAL Y CÉDULA DE TUBERÍA
Para toda la red de aire comprimido, el material de la tubería es A-53 grado B, roscada y galvanizada. CÉDULA DE TUBERÍA El espesor de la tubería, fue calculado de acuerdo al código ASME B31.3 utilizando las siguientes ecuaciones: Se considera 12.5 % de tolerancia en espesor por fabricación 11

12 Diámetro Nominal (pulgadas) Diámetro exterior (mm)
ESPESOR DE TUBERÍAS Fuente: MEGYESY E.F. Pressure Vessel Handbook. 12va ed. Diámetro Nominal (pulgadas) Diámetro exterior (mm) Cédula Espesor (pulgadas) Espesor (mm) 3/8" 17.2 80 0.126 3.20 1/2" 21.3 0.147 3.73 3/4" 26.9 0.154 3.91 1" 33.7 0.179 4.55 1-1/4" 42.4 0.191 4.85 1-1/2" 48.3 0.200 5.08 2" 60.3 0.218 5.54 2-1/2" 76.1 40 0.203 5.16 3" 88.9 0.216 5.49 12

13 DIMENSIONAMIENTO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO
METODOLOGÍA Se determina los datos de diseño Se asume un diámetro de tubería Se calcula la caída de presión, aplicando la siguiente ecuación: Se compara la caída de presion calculada en el ítem 3 con la caída de presión recomendada. Se determina la longitud equivalente de accesorios. Se procede a calcular nuevamente la caída de presión, con la suma de la longitud real + longitud equivalente (aportada por los accesorios). Si la caída de presión se encuentra dentro de las recomendaciones, se considera que el diámetro asumido es el diámetro de tubería adecuado. 13

14 DIÁMETROS DE TUBERÍAS POR ÁREAS Diámetro de tuberías en pulgadas
Granallado Pintura Taller Armado Corte Soldadura Línea Principal 1 3 Línea Principal 2 --- 2 Línea de Distribución 1-1/2 Línea de Servicio 1 1/2 Línea de Interconexión 3/4 1/4 14

15 DISEÑO DEL RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO
15

16 Almacenamiento de aire Eliminar condensado
FUNCIONES Almacenamiento de aire Eliminar condensado Disminuir temperatura del aire a la salida de compresores Amortiguar pulsaciones del compresor 16

17 CRITERIOS DE DISEÑO Código y Normas Aplicables: ASME VIII Div. 1, Edición 2007, adenda 2009 Parámetros de diseño Tipo de servicio: Baja temperatura Temperatura de diseño: 58 oC Presión de diseño: 150 psi Espesor de corrosión: 1.59 mm (1/16¨) 3.2 mm (1/8¨) Volumen del recipiente: 3 m3 17

18 Tipos de Junta del recipiente Cordones de Soldadura en el recipiente
TIPO DE RECIPIENTE El tipo de recipiente es vertical cilíndrico, tipo de cabezas toriesféricas Eficiencia de junta Parámetros Medidas SI (m) Medidas Inglesas (pulgadas) Diámetro Interior 1.25 31.75” Longitud entre costuras 2.2 55.88” Material A 36 Tipos de Junta del recipiente Ítem Tipo de junta Eficiencia Junta A 1 0.85 B 0..85 C La eficiencia de junta depende del tipo de unión y del grado de radiografiado que se aplique a las diferente soldaduras en el recipiente Cordones de Soldadura en el recipiente Fuente: Adaptado del código ASME VIII tabla UW-12 18

19 CÁLCULOS DE ESPESORES Espesor de Cuerpo Espesor de Cabeza
Espesor de cuellos de boquillas 19

20 ESPESOR DE CUERPO tsc= 9.89 mm
Para determinar el espesor del cuerpo del recipiente se utiliza la siguiente ecuación tsc= 9.89 mm P= 150 Psi Ri= (627.38) 24.7” mm Sv= 16600 E= 0.85 (Spot) CA= 1.58 1/8” Espesor Comercial= 12 mm 20

21 Tipo de cabeza torisférica L/r=1250/76.2= 16.4 M= 1.77
ESPESOR DE CABEZA Tipo de cabeza torisférica L/r=1250/76.2= 16.4 M= 1.77 En condiciones corroídas. th= mm P= 150 Psi Ri= (627.38) 24.7” mm Sv= 16600 E= 0.85 (Spot) CA= 1.58 1/8” Espesor Comercial= 16 mm 21

22 ESPESOR DE CUELLO DE BOQUILLAS
Para determinar el espesor de cuellos de boquillas se utiliza la ecuación del espesor de cuerpo Entrada de Hombre( Manhole) 18 “ cédula 10 Tubería 3 “ cédula 40 Tubería 2 “ cédula 40 22

23 PRESIÓN HIDROSTÁTICA PH= 1.3 x MAWP x STp/STd
 Para determinar la Presión Hidrostática se utiliza la siguiente ecuación: PH= 1.3 x MAWP x STp/STd PH= 195 psi MAWP 150 psi STp 16600 Sv= Psi 23

24 RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO DE AIRE
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25 DISEÑO DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN PARA EL ÁREA DE PINTURA
25

26 INTRODUCCIÓN El objetivo es controlar las condiciones de temperatura y humedad del ambiente para la aplicación y curado de la pintura a ser aplicado en las superficies internas y externas de los recipientes de presión, piezas mecánicas. El zonas corrosivas, la pintura industrial tiene como objetivo proteger el metal de las agresiones a las que está expuesto. Pinturas Sigmacover 150…………….. 26

27 CARACTERÍSTICAS DEL ÁREA A CLIMATIZAR
CONDICIONES EXTERIORES Temperatura promedio máxima absoluta= 35 oC Temperatura promedio mínima absoluta= 17 oC Humedad relativa máxima= 100% CONDICIONES INTERNAS Temperatura interior = 26 oC Máxima Humedad Relativa interior= 80% INAMHI palmoriente huashito, 17 julio por radiacion soar 27

28 35 C; 100% HR 26 C; 80% HR 22 C; 100% HR 28

29 CARGAS TÉRMICA POR ENFRIAMIENTO
Rango de Temperatura: 35 oC a 22 oC Para determinar la carga de enfriamiento se considera las siguientes ganancias de calor: Ganancia de calor a través de paredes, techo que dan al exterior. Ganancia de calor a través de paredes internas y pisos Radiación solar a través de vidrios Ganancia de calor por infiltraciones Ganancia de calor por Interiores 29

30 GANANCIAS DE CALOR A TRAVÉS DE PAREDES EXTERIORES Q = U x A x Δte
Para determinar la ganancia de calor a través de paredes exteriores se utiliza la siguiente ecuación: Q = U x A x Δte Descripción Área (m2) U (kcal/ h m2 C) Δte (oC) Ganancia de Calor (kcal/h) Pared Norte 67.9 1.37 16.6 1544 Pared Este 66.6 17.74 1618 Puerta Este 59.5 2.9 18.52 3195 Techo 91 1.008 16.81 1542 TOTAL CARGA PAREDES EXTERIORES 7900 Fuente: Propia 30

31 GANANCIAS DE CALOR A TRAVÉS DE PAREDES INTERIORES
Descripción Área ( m2) U (kcal/ h m2 C) Δte (C) Ganancia de Calor (kcal/h) Pared Sur 32.2 0.49 8 125 Puerta Sur 35.7 140 Pared Oeste 126.1 0.43 436 Piso 91 0.33 237 Total carga térmica interior 938 Fuente: Propia 31

32 GANANCIAS DE CALOR POR INFILTRACIÓN
q= f x Atp x Dfe x Cp x Cve x Fv q= 1142 Kcal/h f= 82 m3/h Atp= 59.5 m2 Dfe= 13 C Cp= 0.3 Kcal/h C m2 Cve= 0.1 Fv= 0.6 32

33 GANANCIAS DE CALOR POR INTERIORES
GANANCIA POR PERSONAS qsensible = Np x Gsensible = 124 kcal/h qlatente = Np x Glatente = 254 kcal/h GANANCIA POR ILUMINACIÓN qsensible = 0.8 E x x 0.86 = 38.7 = kcal/h GANANCIA POR EQUIPOS qequipos = Nequipos x Fc x Geq = 660 kcal/h 33

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35 CARGAS TÉRMICA POR CALEFACCIÓN
Rango de Temperatura: 17 oC a 26 oC Para determinar la carga de calefacción se considera las siguientes pérdidas calor: Pérdidas de calor a través de paredes, techo que dan al exterior. Pérdidas de calor a través de paredes internas y pisos Pérdidas de calor por infiltraciones 35

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37 CAUDAL DE ENFRIAMIENTO CORRECIÓN DE CALOR DE CALEFACCIÓN
Q = m x Cp x ΔT m= kg/h = 6514 m3/h (3834 CFM) CAUDAL DE CALEFACCIÓN m= kg/h = 1608 m3/h (946 CFM) Q 24388 kcal/h Cp= 0.24 kcal/kg K ΔT 13 K d 1.2 kg/m3 Q 4168 kcal/h Cp= 0.24 kcal/kg K ΔT 9 K d 1.2 kg/m3 Caudal de diseño= 4000 CFM CORRECIÓN DE CALOR DE CALEFACCIÓN Q= kcal/h 37

38 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE CLIMATIZACIÓN
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39 SELECCIÓN DEL EQUIPO DE CLIMATIZACIÓN (Cont.)
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40 MANEJADORA DE AIRE Modelo: 39M W 08 Capacidad: 4000 CFM
SERPENTÍN DE ENFRIAMIENTO Bandeja de drenaje de acero inoxidable, ubicado en el lado derecho Diámetro exterior de tubería ½ pulgada, 6 filas con una área de 0.71 m2, 8 aletas por pulgada SERPENTÍN DE CALENTAMIENTO Diámetro exterior de tubería ½ pulgada,1 fila con una área de 0.45 m2, 8 aletas por pulgada VENTILADOR Tipo:Centrífugo aerodinámico RPM: 2713 BHP= 3.3 Presión Estática= 50.8 mmca 40

41 DUCTOS DE AIRE ACONDICIONADO
Transmite el aire climatizado desde la manejadora de aire hasta el taller de pintura. Velocidad para ductos de suministro= 11 m/s Velocidad para ductos de retorno = 9 m/s Calculados por el método de pérdida de carga constante 41

42 Diámetro Equivalente (mm)
DUCTOS DE SUMINISTRO Tramo Dimensión (m) Diámetro Equivalente (mm) Caudal (m3/h) Hasta A 450 x 400 470 6708 A-B 400 x 350 414 4472 B-6 350 x 250 328 2236 Fuente: Propia 42

43 Diámetro Equivalente (mm)
DUCTOS DE RETORNO Tramo Dimensión (m) Diámetro Equivalente (mm) Caudal (m3/h) Hasta Z 500 x 450 526 6708 Z-Y 450 x 450 501 5031 Y-X 400 x 300 384 3354 X-4 300 x 300 333 1677 Fuente: Propia Ventilador de Retorno Marca Dunham Bush Modelo FS Potencia 1.78 BHP Presión Estática 25.4 mmca Revoluciones 859 RPM 43

44 ANÁLISIS ECONÓMICO Y FINANCIERO

45 Costos Indirectos (5% del costo total directo)
COSTO DEL PROYECTO Ítem Subtotal Costo Material Directo 99,792 Costo Mano de Obra Directa 4,800 Costo de Diseño 3,840 Total (USD) 108,432 Fuente: Propia Descripción USD Costos Indirectos (5% del costo total directo) 5421 Fuente: Propia Ítem Descripción Precio Total (USD) 1 Costo Total Directo 108,432 2 Costo Total Indirecto 5421 Total (USD) 113,853 Fuente: Propia 45

46 ESTUDIO ECONÓMICO Inversión Global= 1,560,000 Tasa de interés= 18%
R= Relación subproyectos Ventas Anuales= 2,500,000 El Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR) calculadas con la siguiente ecuación 46

47 COSTO DE OPERACIÓN FLUJO DE CAJA
Fuente: Sertecpet S.A Ítem Descripción Precio Total (USD) 1 Costo Total Sistema de Aire Comprimido 14,528 2 Costo Total Sistema de Climatización 4,938 Total (USD) 19,467 Fuente: Propia 47

48 VALOR ACTUAL NETO, TASA INTERNA DE RETORNO Y COSTO BENEFICIO
Descripción % TASA INTERNA DE RETORNO (TIR) 42% Fuente: Propia Descripción VALOR ACTUAL NETO (VAN) 42,244 Fuente: Propia AÑO BENEFICIO COSTO TOTAL B/C 1 -60561 13288 -4.6 2 -5682 12908 -0.4 3 69147 12566 5.5 4 72344 12258 5.9 5 11981 6.0 6 11731 6.2 7 11507 6.3 8 11305 6.4 9 11123 6.5 10 10960 6.6 Fuente: Propia 48

49 CONCLUSIONES Se realizó el diseño de la red de aire comprimido, del recipiente de almacenamiento de aire y del sistema de climatización del área de pintura, para la Planta de Producción de Recipientes a Presión y Facilidades de Producción de la Compañía SERTECPET S.A, que garantizarán un correcto suministro y almacenamiento de aire comprimido, y acondicionamiento del taller de pintura. Los diseños mecánicos fueron realizados de acuerdo a los códigos ASME B31.3 para la red de aire comprimido, con el código ASME VIII Div 1 para el recipiente de almacenamiento de aire a presión y de acuerdo a la norma ASHRAE para el sistema de climatización del área de pintura, garantizando integridad mecánica de los sistemas, seguridad en la operación y un correcto funcionamiento cuando sean implementados y entren en funcionamiento. Los diseños fueron revisados y aprobados para construcción por parte de la Compañía SERTECPET. 49

50 CONCLUSIONES (Cont.) Para la red de aire comprimido se seleccionó dos compresores tipo tornillo que abastecerán aire comprimido a la planta, taller de pintura y taller de granallado mediante tres circuitos abiertos. El recipiente de almacenamiento es del tipo cilíndrico vertical de cabezas toriesféricas y sostenido mediante un faldón empernado al concreto con pernos de anclaje. El acondicionamiento del taller de pintura será mediante una manejadora de aire, tanto el suministro de aire climatizado como la extracción de aire posee su propio sistema abierto de ductos. El análisis económico y financiero determinó que el proyecto es rentable. La verificación del diseño mediante softwares de ayuda como Compress son una buena guía para obtener resultados pero se debe considerar que siempre se presentará diferencias mínimas entre los resultados obtenidos analíticamente y numéricamente. 50

51 RECOMENDACIONES Se recomienda que proyectos de ingeniería cumplan con normas nacionales e internacionales ya establecidas.  Debido a la complejidad de los equipos se sugiere que al momento de instalación se cuente con servicio técnico especializado. Resultaría de gran utilidad después de la instalación calibrar, realizar pruebas necesarias y cumplir con planes de mantenimiento para asegurar el buen desempeño de los equipos. El cálculo de diseño debería considerar la facilidad de adquisición de materiales, equipos y fabricación nacional para evitar un incremento de costos por importaciones. Cuando se realiza un diseño de ingeniería se debe realizar las correcciones pertinentes por altitud y condiciones climatográficas de la zona. 51

52 GRACIAS POR SU ATENCIÓN
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