ESTANQUE DE BIOGÁS LICUADO

ESTANQUE DE BIOGÁS LICUADO Metodología de desarrollo de proyecto – Cálculo de resistencia de materiales

29 DE AGOSTO DE 2016 HENRIQUEZ – KLOCKER – LEAL ICM – UACh 0

1

ANTECEDENTES Y CONTEXTO

4

1.1 INTRODUCCIÓN 1.2 MARCO GLOBAL Y NACIONAL 1.2.1 Surgimiento de nuevas energías 1.2.2 Gases de efecto invernadero 1.2.3 Emisión y aprovechamiento del metano 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo general 1.3.2 Objetivos específicos 1.4 PRESENTACIÓN DE LA EMPRESA 1.5 ESQUEMA DE DESARROLLO 2

4 4 5 5 5 5 5 6 6 7

DESCUBRIMIENTO DEL PRODUCTO (PRODUCT DISCOVERY) 2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 2.2 NECESIDAD DEL PRODUCTO 2.3 PROPUESTA DEL PRODUCTO 2.4 ANÁLISIS INTERNO 2.4.1 Análisis FODA 2.4.2 Análisis Pro-Con

3

4

8 9 9 10 10 11

PLANIFICACIÓN DE PROYECTO (PROJECT PLANNING) 3.1 3.2 3.3

8

ELECCIÓN PLAN DE PROYECTO IDENTIFICACIÓN DE TAREAS GENERACIÓN DE CRONOGRAMA

13 13 14 14

DEFINICIÓN DEL PRODUCTO (PRODUCT DEFINITION)

15

4.1 4.2 4.3

PASO 1: IDENTIFICAR A LOS CLIENTES: ¿QUIÉNES SON? 16 PASO 2: DETERMINAR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE: ¿QUÉ QUIEREN LOS CLIENTES? 16 PASO 3: DETERMINAR LA IMPORTANCIA RELATIVA DE LOS REQUERIMIENTOS: QUIÉN VERSUS QUÉ 18 4.4 PASO 4: IDENTIFICAR Y EVALUAR LA COMPETENCIA: ¿QUÉ TAN SATISFECHOS ESTÁN HOY LOS CLIENTES? 19 4.5 PASO 5: GENERAR ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿QUÉ TAN BIEN SE CUMPLIRÁN LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE? 20 4.6 PASO 6: RELACIONAR REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE CON ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿CÓMO MEDIR QUÉ? 21 4.7 PASO 7: DEFINIR OBJETIVOS DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA E IMPORTANCIA: ¿CUÁNTO ES SUFICIENTEMENTE BUENO? 22 4.8 PASO 8: IDENTIFICAR LA RELACIÓN ENTRE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿CÓMO DEPENDEN LOS “CÓMO” ENTRE ELLOS? 24 4.9 MATRIZ QFD 26 5

DISEÑO CONCEPTUAL (CONCEPTUAL DESIGN)

27

5.1 ENTENDIENDO LA FUNCIÓN DE DISPOSITIVOS EXISTENTES 5.2 FUNCIÓN 5.3 INGENIERÍA INVERSA 5.4 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 5.4.1 Función principal

1

27 28 28 28 29

5.4.2 Sub – funciones 5.4.3 Orden de las sub – funciones 5.4.4 Refinamiento de sub – funciones 5.5 GENERACIÓN DE CONCEPTOS 5.6 MORFOLOGÍA 5.6.1 PASO 1: Descomponer la función 5.6.2 PASO 2: Desarrollar conceptos para cada función 5.6.3 PASO 3: Combinar conceptos 5.7 CONCEPTOS 5.7.1 Concepto 1 5.7.2 Concepto 2 5.7.3 Concepto 3 5.8 SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE CONCEPTOS 5.9 MATRIZ DE DECISIÓN – MÉTODO DE PUGH 5.9.1 Paso 1: Definir el problema 5.9.2 Paso 2: Seleccionar las alternativas a ser comparadas (Conceptos) 5.9.3 Paso 3: Elegir los criterios de comparación 5.9.4 Paso 4: Desarrollar valorización para la importancia relativa 5.9.5 Paso 5: Evaluar alternativas 5.9.6 Paso 6: Calcular el resultado 5.10 DECISIÓN: SELECCIÓN DEL CONCEPTO 6

DESARROLLO DEL PRODUCTO (PRODUCT DEVELOPMENT) 6.1 LIMITACIONES ESPACIALES 6.2 CONFIGURACIÓN DE LOS COMPONENTES 6.3 SELECCIÓN DEL MATERIAL 6.4 DIMENSIONES DEL ESTANQUE 6.5 DIMENSIONES SILLETAS 6.6 DIMENSIONES OREJAS DE IZAJE 6.7 LISTA DE MATERIALES (BOM) 6.8 EQUILIBRIO DE CUERPO DE RÍGIDO 6.9 ESFUERZOS 6.9.1 Factor de seguridad 6.9.2 Esfuerzo máximo permisible 6.9.3 Cálculo de esfuerzos 6.10 ANÁLISIS

7

39 39 39 40 41 45 47 50 50 57 57 58 58 61

SOPORTE DEL PRODUCTO (PRODUCT SUPPORT) 7.1 7.2 7.3

29 30 30 31 31 31 31 31 33 33 34 34 35 35 35 35 35 36 36 36 37

FABRICACIÓN MONTAJE VIDA ÚTIL

71 71 72 72

8

CONCLUSIÓN

73

9

ANEXOS

74

9.1 9.2 9.3 9.4

ANEXO 1.1: BRAINSTORMING: CATEGORÍAS FACTORES PRINCIPALES ANEXO 1.2: BRAINSTORMING: FACTORES SECUNDARIOS ANEXO 3.1: TAREAS ANEXO 3.2: CARTA GANTT

2

74 74 75 81

9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 10

ANEXO 4.1: ENTREVISTAS A CLIENTES ANEXO 5.1: INGENIERÍA INVERSA ANEXO 5.2: BRAINSTORMING: CONCEPTOS PARA SUB – FUNCIONES ANEXO 5.4: CONCEPTOS ANEXO 6.1: STATUS SIMULACIÓN DEL ESTANQUE COMPLETO ANEXO 6.2: STATUS SIMULACIÓN DE LA SILLETA ANEXO 6.3: STATUS SIMULACIÓN DE LA ORJA DE IZAJE

BIBLIOGRAFÍA

82 90 94 95 98 101 104 107

3

1 ANTECEDENTES Y CONTEXTO 1.1 INTRODUCCIÓN En la carrera de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad Austral de Chile, estudiantes desarrollan un proyecto grupal bajo un programa de estudios basado en competencias, PBL (Problem-based learning). Un proyecto real de una empresa es entregado a los estudiantes para poder desarrollar un proyecto ingenieril. Donde se realizan visitas a las empresas, reuniones de información, levantamiento de datos y paralelamente un proyecto escrito. Los estudiantes (ahora conocidos como el equipo), forman parte del grupo 5. El problema a resolver está relacionado con el Relleno Sanitario Los Ríos en Valdivia, con la Corporación de Desarrollo Productivo de los Ríos y Voltari. En el lugar se planea instalar Biodigestores que produzcan de manera controlada una cantidad de Biogás. Éste planea ser usado como combustible para vehículos locales debido a que existe una preocupación medioambiental por el efecto de la liberación del Biogás a la atmósfera. El proceso de diseño es basado en el libro The Mechanical Design Process (David G. Ullman. (2010). The Mechanical Design Process. New York: McGraw – Hill) que describe las partes y procesos del desarrollo de un producto. Finalmente, se analiza la solución al problema mediante software computacional y la aplicación de conocimientos en el área de elementos finitos y estática.

1.2 MARCO GLOBAL Y NACIONAL Chile, como país en vías de desarrollo posee una alta demanda energética. En la Tabla 1.1 se muestra los totales de consumo y la variación entre los años 2012 y 2013 de fuentes de energía usadas para combustible. El 98,4% del petróleo crudo es importado1 y es el que al mismo tiempo presenta el mayor consumo anual (Ver tabla 1.1). Actualmente hay un alto porcentaje de importación de combustibles (Petróleo, gas natural) y baja la producción y aporte de energías no convencionales o renovables (Hidroelectricidad, eólica, solar, Biogás, etc). En caso de un conflicto internacional, el abastecimiento de los recursos mencionados se vería suspendido afectando directamente al país, sus regiones y empresas. Tabla 1.1 BNE 2013 – Variación consumo bruto energía primaria. Combustible Petróleo Crudo Gas Natural Hidroelectricidad Eólica Solar Biogás

1

Año 2012 (Tcal) 96.791,00 45.579,00 17.336,00 351,00 185,00 72,00

Año 2013 (Tcal) 102.123,00 45.680,00 16.973,00 477,00 191,00 134,00

Balance Nacional de Energía 2011

4

Variación (%) 5,50 0,20 -2,10 35,90 3,40 84,80

1.2.1 Surgimiento de nuevas energías En los últimos años, fuentes de energía alternativas han aumentado en uso considerablemente. De la Tabla 1.1 se puede apreciar que la utilización de energía eólica aumentó en un 35,9% entre los años 2012 y 2013. El uso de Biogás aumentó considerablemente y de forma más brusca en el mismo periodo de tiempo.

1.2.2 Gases de efecto invernadero El gas metano es altamente contaminante y es uno de los principales causales del efecto invernadero y el agujero en la capa de ozono. En el año 2006, Chile produjo una cantidad neta de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) de 60 millones de toneladas2. “El CO2 tiene la mayor participación (65%), siguiéndole el CH4 (21%) y el N2O (14%).” (Ministerio Medio Ambiente, 2011, pág. 438)

1.2.3 Emisión y aprovechamiento del metano Las causales de emisión de gas metano al medio ambiente son explicadas con la siguiente cita: “Hidrocarburo que es un gas de efecto invernadero, producido por la descomposición anaerobia (sin oxígeno) de residuos en vertederos, digestión animal, descomposición de residuos animales, producción y distribución de gas natural y petróleo, producción de carbón, y combustión incompleta de combustibles fósiles. El metano es uno de los seis gases de efecto invernadero que se intenta reducir en el marco del Protocolo de Kyoto.” (Ministerio Medio Ambiente, 2011, pág. 439)

Como se puede apreciar, la emisión de gas metano al ambiente es casi inevitable. Existen métodos para mitigar los efectos adversos del gas en el ambiente, como la termodegradación. Sin embargo, al conocer los beneficios del gas metano en la generación de energía térmica y eléctrica, de su uso como combustible, es importante considerar su almacenamiento y aprovechamiento. Al revisar nuevamente la tabla 1.1, se observa un gran aumento en el uso de Biogás desde un año al siguiente. El Biogás tiene su potencial en el alto contenido de metano dentro de él. El cual oscila entre el 40% y 70%. Al comparar el efecto ambiental del metano en el gas natural (GN) con el gas licuado de petróleo, el GN ofrece ventajas como la emisión muy baja de subproductos de la combustión tales como, óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre3 en uso doméstico e industrial.

1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo general Diseñar un estanque para almacenar biogás licuado, a alta presión, para el relleno sanitario Morrompulli, Región de los Ríos, Valdivia. Respetando los requerimientos de los consumidores y rigiéndose por las normas que permiten construir un estanque más seguro y óptimo. 2 3

Informe del estado del medioambiente 2011 Grupo BALPER ®

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1.3.2 Objetivos específicos - Definir el problema del proyecto - Aplicar los conocimientos aprendidos en clases en el proyecto. - Realizar modelación en CREO y planos.

1.4 PRESENTACIÓN DE LA EMPRESA El Relleno sanitario regional Los Ríos Morrompulli, está situado aproximadamente a 24 km al sureste de la comuna de Valdivia, perteneciente XIV región de los ríos. Éste vertedero tiene como finalidad recibir y procesar residuos humanos de una amplia cobertura de ciudades tales como: Valdivia, Los Lagos, Panguipulli, Lanco, Máfil, Corral, San José de la Mariquina. Donde se recolectan aproximadamente 130.000 toneladas anuales de residuos, atendiendo así las necesidades de los 360.000 habitantes de la región de Los Ríos. Además, paralelamente se trabaja con VOLTARI, la cual es una empresa de servicios, enfocada a desarrollar productos y/o servicios que permitan satisfacer necesidades de clientes, con un personal que posee conocimientos y competencias adecuadas para lograr identificar la real problemática respondiendo eficientemente al mercado. Su oficina queda ubicada en Pérez Rosales #1401 Valdivia. La Corporación, es una institucionalidad de derecho privado, sin fines de lucro al alero del Gobierno Regional que está dotada de una estructura basada en tres unidades estratégicas: Unidad de Innovación para la Competitividad, Desarrollo Económico Local y Atracción de Inversiones y Proyectos Estratégicos. El rol de esta institución es formular, implementar y ejecutar estudios, programas y proyectos estratégicos que favorezcan la consolidación de la Región de Los Ríos y a la construcción de un tejido productivo vigoroso, que fortalezca la equidad y el desarrollo económico local. VOLTARI, como empresa prestigiosa, se le adjudicó la licitación de éste proyecto a través de la Corporación. El equipo trabaja en conjunto con la empresa para una buena realización del proyecto; recabando datos y también aprendiendo a resolver un problema real.

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1.5 ESQUEMA DE DESARROLLO Las siguientes etapas del proyecto, que se muestran a través de este informe, se desarrollan a partir de lo presentado en la Tabla 2.1 y en base al libro (Ullman, 2010, pág. 82). El libro sugiere un sistema de etapas a desarrollar, los cuales son abordadas, explicadas y fundamentadas de aquí en adelante.

Imagen 1.1 El proceso de diseño mecánico (Ullman, 2010, pág. 82).

7

2 DESCUBRIMIENTO DEL PRODUCTO (Product Discovery) 2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Para el desarrollo del informe se estima como el primer paso en las etapas del diseño mecánico (Imagen 1.1) que es necesario definir el problema. La definición del problema llevará al equipo de trabajo a diseñar un producto de calidad. Para definirlo de buena manera, es pertinente utilizar algún método ordenado de ideas. En este caso se utiliza el Diagrama de Ishikawa. Mediante el diagrama de Ishikawa (Diagrama causa-efecto) se puede analizar las relaciones causa-efecto, comunicar las relaciones causa-efecto y facilitar la resolución de problemas desde el síntoma, pasando por la causa hasta la solución (Instituyo Uruguayo de Normas Técnicas, 2009, pág. 22).

Imagen 2.1 Diagrama de Ishikawa. El primer paso para la construcción de este diagrama es decidir el efecto que se quiere controlar y/o mejorar o un problema específico. Este efecto se emplaza al final de una línea horizontal. Luego se escriben los principales factores vinculados al efecto sobre la línea principal. Posterior a eso, a partir de los factores principales se escriben factores secundarios que influyan en el factor principal (Instituyo Uruguayo de Normas Técnicas, 2009).

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Las categorías utilizadas son producto de referencias a textos, de una lluvia de ideas o Brainstorming (Anexo 1.1) y de discusión grupal. Al igual que para las categorías de los factores, los factores secundarios fueron origen de discusiones grupales, Brainstorming (Anexo 1.2) y en base a lo conversado con Voltari. El proceso de análisis y discusión sobre el diagrama de Ishikawa, deja en claro el problema en el que el informe está basado, así como sus causales. En síntesis, el problema es:

Inexistencia de un sistema de almacenamiento de Biogás 2.2 NECESIDAD DEL PRODUCTO El marco global del planeta, la demanda energética chilena, la falta de independencia de recursos energéticos nacionales, los niveles de desuso de energías alternativas y las nuevas políticas ambientales demandan soluciones integrales. Es por esto que, a lo largo de este informe, se desarrolla un proyecto de almacenamiento de gas metano, con el fin de aprovechar el Biogás producido por los Biodigestores que se encuentran en el Relleno Sanitario Los Ríos, ubicado en el sector de Morrompulli, Valdivia, Región de Los Ríos.

2.3 PROPUESTA DEL PRODUCTO La Corporación Regional de Desarrollo Productivo de Los Ríos ha considerado en sus bases de licitación del ESTUDIO DE POTENCIABILIDAD DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA Y/O ELÉCTRICA DEL RELLENO SANITARIO LOS RÍOS, MORROMPULLI la importancia de buscar alternativas de generación de energía sustentables y amigables con el medio ambiente. Una parte del aprovechamiento del Biogás es la construcción de un estanque para almacenar gas metano. Tabla 2.1 Propuesta del producto (Ullman, 2010, pág. 100).

Propuesta del Producto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 30/Marzo/16

Propuesta del nombre del producto: Estanque para metano Resumen: En el Relleno Sanitario Los Ríos, localidad de Morrompulli, se propone la instalación de un sistema de almacenamiento con estructura soportante para almacenar biogás y utilizarlo en la producción de energía eléctrica. Antecedentes del producto: En el Relleno Sanitario Los Ríos existe una producción constante de Biogás, el cual desde 2006 es quemado por proceso de termo-degradación con el fin de reducir la emisión de gases de efecto invernadero (GEI). Del Biogás, el gas metano será separado y utilizado para la producción de energía térmica y/o electricidad. Esto en base a la preocupación de la administración por generar energía sustentable y amigable con el medio ambiente. Actualmente el gas cuenta con 11 chimeneas que liberan constantemente Biogás al incinerador.

9

Mercado del producto: El producto se contempla para el vertedero Morrompuli. Por lo tanto, el mercado del producto se limita a los productores de biogás que deseen almacenar una cantidad igual o menor a la que se proyecta en el vertedero. Competencia: La Corporación Regional de Desarrollo Productivo de Los Ríos ha lanzado una licitación (IDI 30386975). A esta licitación pueden postular empresas que cumplan con requisitos de documentación. Capacidad de producción: Se espera contar con fábricas, distribuidoras o maestranzas locales o nacionales en el área de fabricación de estructuras metálicas. Distribución del producto: Siendo el producto específico para el Relleno Sanitario Los Ríos, se planea distribuir por partes y ensamblar en terreno. Detalles de la propuesta: 1. Aclarar el propósito y la razón de producción. 2. Desarrollar el descubrimiento del producto. 3. Desarrollar conceptos para la solución del problema. 4. Analizar las posibles soluciones y seleccionar una. 5. Analizar la posible solución. 6. Desarrollar la solución. Integrante del equipo: Bastián Henríquez Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker Integrante del equipo: Joaquín Leal The Mechanical Design Process

Elaborado por: Grupo n° 5 Revisado por: Aprobado por: Designed by Professor David G. Ullman

Copyright 2008, McGraw Hill

Form # 8.0

2.4 ANÁLISIS INTERNO De cara a la presentación del problema, el equipo de trabajo analiza la situación en la que se encuentra, es por esto que se identifican métodos mencionados en el libro (Ullman, 2010).

2.4.1 Análisis FODA El primer método de apoyo que se usa para determinar la viabilidad del proyecto es el análisis FODA (Ullman, 2010, pág. 101 y 102), el acrónimo FODA es Fortalezas, Oportunidades, Debilidades y Amenazas. Luego de analizar grupalmente lo que FODA involucra, se añaden las ideas a la siguiente tabla:

10

Tabla 2.2 Análisis FODA (Ullman, 2010, pág. 102).

Análisis FODA Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 05/04/2016

Tema del análisis FODA: Diseño de un Sistema de almacenamiento de gas metano Fortalezas:       

Debilidades:  

Manejo de base de datos UACH Conocimiento de mecánica de sólidos, estática, y MEF Disponibilidad de un área de trabajo Tolerancia a recibir opiniones del grupo Equipo responsable, cumple horarios y aporta positivamente al proyecto Apoyo de docentes capacitados Movilización particular (automóvil)

 

Oportunidades:  

Poca experiencia de trabajo en equipo Escaso conocimiento de normas y software Inseguridad en la información encontrada Poco dominio de inglés

Amenazas:   

Facilidad de coordinación con la empresa, para la recopilación de información Relacionarse de manera temprana con empresas.

Condiciones climáticas y geográficas Accidentes laborales Propenso a tomas y paros estudiantiles

Integrante del equipo: Bastián Henríquez

Elaborado por: Grupo n° 5

Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker

Revisado por: Aprobado por:

Integrante del equipo: Joaquín Leal

2.4.2 Análisis Pro-Con A partir de la Tabla 2.2 se desarrolla una tabla comparativa, donde las Fortalezas y Oportunidades se añaden a la columna de los Pro y las Debilidades y Amenazas a la columna de los Con. A cada ítem en las columnas se le asigna un valor de 1 a 3, donde 1 es menos influyente, 3 es más influyente y 2 es un término medio entre ambos. La puntuación es dada a partir de una discusión grupal y se resume en la siguiente tabla:

11

Tabla 2.3 Análisis Pro-Con (Ullman, 2010, pág. 104).

Análisis Pro-Con Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 05/04/2016

Tema del análisis FODA: Diseño de un Sistema de almacenamiento de gas metano Pros:

Cons:



Facilidad de coordinación con la  Condiciones climáticas y geográficas empresa, para la recopilación de (1) información (2)  Accidentes laborales (1)  Relacionarse de manera temprana  Propenso a tomas y paros sociales (2) con empresas. (3)  Poca experiencia de trabajo en equipo  Conocimiento de mecánica de (2) sólidos, estática, y MEF (3)  Escaso conocimiento de normas y  Manejo de base de datos UACH (1) software (1)  Disponibilidad de un área de trabajo  Inseguridad en la información (2) encontrada (3)  Tolerancia a recibir opiniones del  Poco dominio de inglés (3) grupo (2)  Equipo responsable, cumple horarios y aporta positivamente al proyecto (3)  Apoyo de docentes capacitados (3)  Movilización particular (automóvil) (1) Integrante del equipo: Bastián Henríquez Elaborado por: Grupo n° 5 Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker

Revisado por: Aprobado por:

Integrante del equipo: Joaquín Leal

En la columna de los Pro, se obtiene un puntaje de 20 puntos y en la columna de los Con un total de 13 puntos. En base a esto, se determina teóricamente la viabilidad de realizar el proyecto.

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3 PLANIFICACIÓN DE PROYECTO (Project Planning) 3.1 ELECCIÓN PLAN DE PROYECTO Para desarrollar las etapas siguientes es importante establecer un plan. El plan establece condiciones y requerimientos para avanzar. En el libro (Ullman, 2010) se mencionan dos tipos: el de Etapa-Barrera (Stage-Gate) o de Cascada (Waterfall) y el de Espiral (Spiral process) (Ullman, 2010, págs. 113 - 117). Un plan de Cascada se caracteriza porque existe una barrera (Gate) al final de cada etapa (Stage). En esta barrera se evalúa el proceso realizado en la etapa anterior decidiendo si se aprueba o no. El plan de Espiral requiere la constante fabricación de prototipos y la implementación de mejoras a éstos dentro del proceso de diseño. Debido a la condición de formación estudiantil en la que está enmarcado este proyecto, la posibilidad de desarrollar prototipos es poco probable o manejable. Por lo tanto, se opta por basar, el avance del proyecto, en el plan de Cascada o Etapa-Barrera. El sistema puede representarse como una cascada en la cual se representan las etapas como un área plana donde el agua “llena una etapa” antes de caer a la siguiente. En síntesis, se espera que cada etapa sea realizada en su totalidad antes de continuar a la siguiente.

Imagen 3.1 El modelo de cascada (Ullman, 2010, pág. 114)

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3.2 IDENTIFICACIÓN DE TAREAS Como se menciona en el punto 3.1 el proyecto se desarrolla por etapas (Imagen 3.1). Estas etapas son tareas que deben ser completadas. A su vez, cada tarea posee una sub-tarea. Cada tarea contiene los siguientes ejes:   

Objetivos Entregables Decisiones

Los entregables son el producto de la toma de decisiones para completar los objetivos. Las tareas son 6 y se encuentran en el Anexo 3.1.

3.3 GENERACIÓN DE CRONOGRAMA Con el objetivo de clarificar la secuencia y duración de cada tarea y sub-tarea, es conveniente la implementación de una carta Gantt. Aquí puede mostrarse de manera clara la duración estimada de cada actividad y el periodo de tiempo que tomaría cumplirla. A partir de la tarea 3 en el anexo 3.1 (Definición del proyecto) los tiempos son estimados. Antes de eso las actividades son mostradas con su duración real. La Carta Gantt se muestra en el Anexo 3.2.

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4 DEFINICIÓN DEL PRODUCTO (Product Definition) En el siguiente capítulo, se pone gran énfasis en entender el problema de diseño (Ya definido en el punto 2.1). Gran parte de las demoras en la entrega del producto son por una definición deficiente del producto (Ullman, 2010, pág. 143). Es por esto que, con la intención de desarrollar especificaciones de ingeniería de calidad, durante los puntos siguientes, se analiza al cliente y sus requerimientos. El procedimiento a seguir es el sugerido en el libro. Este consta de las siguientes fases: Identificar clientes (Identify customers), Generar requerimientos del cliente (Generate customers’ requirements), Evaluar la competencia (Evaluate competition), Generar especificaciones de ingeniería (Generate engineering specifications) y definir objetivos (Set targets). Además, cuenta con una fase de aprobación de las especificaciones donde se decide si se refina lo hecho anteriormente (Modelo de etapa-barrera. Punto 3.1), se sigue a la siguiente etapa del diseño (Diseño conceptual. Imagen 1.1) o se cancela el proyecto.

Imagen 4.1 La fase de definición del producto (Ullman, 2010, pág. 146). Existen muchas técnicas usadas para generar especificaciones de ingeniería. Una de las mejores y más usadas es el método QFD (Quality Function Deployment), Despliegue de la función de calidad, por sus siglas en inglés. (Ullman, 2010, págs. 143 - 168). La construcción del método QFD consta de 8 pasos, los cuales se relacionan con la imagen 4.1.

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4.1 PASO 1: IDENTIFICAR A LOS CLIENTES: ¿QUIÉNES SON? Para identificar al cliente es necesario tener en cuenta la diferencia entre usuario y el cliente. El usuario tiene directa relación con el producto y el cliente es quien adquiere el producto. Muchas veces ambos son la misma persona, en el caso de una empresa de manufactura el cliente es el departamento de adquisición que escoge una máquina para que el usuario (Un operador) la utilice. En el caso que se desarrolla en este informe, Voltari solicita al grupo de estudiantes el diseño de un sistema de almacenamiento, el cual está proyectado en el Relleno Sanitario Los Ríos. El lugar corresponde a un terreno municipal, donde tiene interferencia el Gobierno Regional de Los Ríos y el Ministerio de Energía debido al tipo de proyecto. Hasta la fecha, el Biogás no cuenta con un marco regulatorio específico, debido a que es un combustible con reciente utilización en el país, sin embargo, el Ministerio de Energía está efectuando los estudios para la eventual elaboración de un reglamento sobre la materia, y a esta Superintendencia la ha correspondido actuar como contraparte técnica.4 (Superintendencia de electricidad y combustibles, SEC. www.sec.cl) Debido a la inexistencia de un sistema previo de almacenamiento, no se cuenta con operadores ni personal que se relacione directamente con el proceso de extracción, almacenamiento y descarga del gas. Debido a esto, autoridades y personal del Gobierno Regional son fundamentales al momento de conocer lo que se requiere de un proyecto de este tipo. Por lo tanto, se han seleccionado los siguientes clientes, debido a sus cargos y la relación que tienen con el proyecto a realizar en el Relleno Sanitario Los Ríos.: 1. Cristóbal Cárdenas (Encargado de ingeniería, Voltari) 2. Leonardo Cisterna (Profesional área residuos sólidos, Gobierno Regional) 3. Pablo Díaz (Seremi de Energía, Ministerio de Energía)

4.2 PASO 2: DETERMINAR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE: ¿QUÉ QUIEREN LOS CLIENTES? Una vez que se ha identificado a los clientes (Cristóbal Cárdenas, Pablo Díaz, Leonardo Cisternas), es importante conocer lo que ellos esperan del producto. La clave para lograr esta parte del método QFD es recolectar información clara y concisa de parte del cliente. El libro sugiere 3 métodos para recabar información: Observación, encuestas y grupos de enfoque o Focus groups en inglés (Ullman, 2010, pág. 152). -Las observaciones se utilizan principalmente para un producto ya existente, en donde se puedan observar los requerimientos necesarios que deben ser cumplidos. En este caso no se utiliza éste método ya que el producto no existe actualmente, por lo que, extraer requerimientos o información a través de la observación es bastante engorroso, prácticamente habría que obtener información de otras fuentes. -Grupos de enfoque o focus group es un método ventajoso en términos de la recolección de información, gracias a la agilidad y diversidad de puntos de vista de los clientes. Este método 4

http://www.sec.cl/portal/page?_pageid=33,3429541,33_4671637&_dad=portal&_schema=PORTAL

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consiste en establecer una reunión con todos los clientes relacionados, teniendo como objetivo principal conocer lo que se desea en un producto no existente, basándose en la imaginación de los clientes, que se extrae de las discusiones que se generan dentro de la entrevista. En este caso no se utiliza el focus group ya que es muy complicada la tarea de reunir a todos los clientes en un mismo lugar y en un mismo horario, debido a que cada uno de ellos desempeña labores diferentes. -Entrevista consiste en que se prepara una lista de preguntas separada en secciones en donde se utiliza generalmente para reunir información específica o solicitar opiniones de los clientes sobre un tema bien definido, tratando de hacer preguntas lo bastante cortas y precisas para mantener la atención del cliente. Los requerimientos se obtienen mediante el método de la entrevista (Anexo 4.1). Se realiza una entrevista diferente para cada entrevistado dependiendo el área que desempeña. En el caso de Leonardo Cisternas y Pablo Díaz, se le realiza una entrevista de acuerdo a ámbitos energéticos, ambientales y de seguridad ya que ambos pertenecen al gobierno regional de la Región de los Ríos. Por otro lado, Cristóbal Cárdenas como ingeniero a cargo de Voltari, la entrevista va de acuerdo a los ámbitos del sistema de almacenamiento tanto como la presión, volumen y diferentes aspectos en cuanto al vertedero y al manejo del biogás. Las preguntas de las secciones son leídas en orden a los entrevistados, ellos entregan una respuesta (e implícitamente información) que el entrevistador analiza para determinar si la pregunta fue contestada, si existe algún comentario o si amerita agregar una pregunta sobre el mismo tema. Así sucesivamente hasta que se complete el cuestionario (Imagen 4.2).

Imagen 4.2 Dinámica de la entrevista (Acevedo, 1986, pág. 19).

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A continuación, se muestran los requerimientos obtenidos a partir del levantamiento de información realizado a cada uno de los clientes: Tabla 4.1 Requerimientos clientes

Requerimientos Capacidad para almacenar la producción de una semana Almacenamiento Seguridad e inspección Diseño

Almacenar biogás en estado liquido Utilizar normas chilenas para almacenamiento de GLP Utilizar norma ASME sección VIII división 1

4.3 PASO 3: DETERMINAR LA IMPORTANCIA RELATIVA DE LOS REQUERIMIENTOS: QUIÉN VERSUS QUÉ Esta etapa consiste en evaluar la importancia de cada uno de los requerimientos por parte de cada consumidor entrevistado. Esto se genera obteniendo una valorización para cada una de las necesidades identificadas. Éste resultado ayuda a tener una idea de cuán importante es cada requerimiento a conciencia de los clientes. Cada uno de ellos tiene 100 puntos los cuales debe distribuir entre los requerimientos que se obtuvieron anteriormente, método llamado la suma fija. Los resultados entregados por los clientes se muestran en la matriz QFD.

Cristóbal Cárdenas

Leonardo Cisterna

Pablo Díaz

Requerimientos

Tabla 4.2 Importancia relativa de los requerimientos

Capacidad para almacenar la producción de una semana

0

15

20

Almacenar el biogás en estado líquido

40

15

30

35

30

45

25

40

5

Utilizar normas chilenas para el almacenamiento de GLP Utilizar norma ASME sección VII División 1

18

4.4 PASO 4: IDENTIFICAR Y EVALUAR LA COMPETENCIA: ¿QUÉ TAN SATISFECHOS ESTÁN HOY LOS CLIENTES? El objetivo de esta sección es determinar cómo los clientes perciben la habilidad de la competencia para cumplir cada uno de los requerimientos. En el mercado chileno existe una gama de compañías que se dedican a fabricar sistemas de almacenamiento de gas. Ya sean gasómetros o estanques para gas licuado, son una competencia importante para el diseño que se desarrolla. Se han seleccionado dos fabricantes que se relacionan con los requerimientos mostrados en el PASO 2 (Tabla 4.1). La primera se especializa en estanque de gas licuado y la segunda en proyectos de aprovechamiento de Biogás y almacenamiento en gasómetros. Los objetivos de estudiar productos existentes son: Primero, hace al fabricante darse cuenta de lo que ya existe, el ahora (Now), y segundo, revela oportunidades de mejorar lo que ya existe (Now versus What) (Ullman, 2010, pág. 157). A continuación, se genera una escala donde los clientes seleccionan, desde su parecer, que tan bien el producto de la competencia cumple los requerimientos. 1. 2. 3. 4. 5.

El producto no cumple el requerimiento. El producto cumple el requerimiento levemente. El producto cumple el requerimiento medianamente. El producto cumple mayormente el requerimiento. El producto satisface el requerimiento por completo.

Tabla 4.3 Principales competidores

Fabricantes Vapor Industrial S.A

Schwager Mining & Energy

El resultado obtenido es el siguiente:

19

Tabla 4.4 Comparación requerimientos – competencia

Tabla 4.5 Simbología “Comparación competencia – requerimientos”

Simbología Vapor industrial Schewerger mining & energy

Así se puede apreciar que, si bien ambos fabricantes satisfacen requerimientos por completo, no cumplen todos los mostrados en la tabla 4.1. Lo que se traduce en una oportunidad, para el equipo de trabajo, de desarrollar un producto que si lo haga.

4.5 PASO 5: GENERAR ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿QUÉ TAN BIEN SE CUMPLIRÁN LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE? En este paso se busca desarrollar una lista de especificaciones de ingeniería a partir de los requerimientos del producto, convirtiendo la voz del cliente en la voz del ingeniero. Estas especificaciones pueden ser medidas y tienen objetivos. Para cada requerimiento se tiene al menos una especificación, dependiendo de la complejidad de éste. A cada especificación se le agregan dos cuadros de información más. Uno es la dirección de mejora, donde más es mejor (↑) o menos es mejor (↓). El otro es la unidad en la que se mide la especificación (Ejemplo: Fuerza, N; Temperatura, °C; Presión, Pa). A continuación, se muestran las especificaciones de ingeniería, su dirección de mejora y su unidad, según el libro (Ullman, 2010, págs. 158 - 163) Tabla 4.6 Especificaciones de ingeniería

Especificaciones de ingeniería Volumen del sistema Presión de trabajo N° de apoyos del estanque

Descripción

Unid. ↑ ó ↓

Cantidad de biogás a almacenar

𝑚3

↑

Soportar la presión de operación que ejerce el biogás

PSI

↓

Cantidad óptima de apoyos para soportar el estanque

N°

↑

20

Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

Espesor adecuado del estanque para soportar tanto fuerzas internas como externas del sistema Soportar peso del estanque y del biogás comprimido en él

m

↓

N

↑

4.6 PASO 6: RELACIONAR REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE CON ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿CÓMO MEDIR QUÉ? En este paso se completa la parte central de la matriz QFD (Tabla 4.12) y cada una de sus celdas representa como las especificaciones de ingeniería se relacionan con los requerimientos del consumidor. Estas especificaciones pueden medir más de un requerimiento. Y la fuerza o grado de esta relación puede variar, es decir que algunas especificaciones de ingeniería pueden tener una fuerte relación con el requerimiento, y otras no tienen relación en absoluto. Esta relación es representada mediante los siguientes símbolos y números: Tabla 4.7 Simbología relación requerimientos – especificaciones.

Símbolos

Espacio en blanco

Números 9 3 1 0

Grado de relación Relación fuerte Relación media Relación débil No hay relación

Para la realización de este paso, en el texto guía se muestran algunas pautas (Ullman, 2010, pág. 164) : -

Cada requerimiento del cliente debe tener una relación fuerte con al menos una especificación No se debe realizar una matriz diagonal compuestas con relaciones fuertes, idealmente cada especificación debe medir más de un requerimiento del cliente Si el requerimiento del cliente tiene solamente relaciones débiles o medias. Entonces no se ha entendido o la especificación no ha sido bien meditada.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los resultados obtenidos se muestran a continuación:

Tabla 4.8 Comparación requerimientos - especificaciones

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Volumen del sistema Presión de trabajo Numero de apoyos del estanque Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

= 9 (Relacion Fuerte) = 3 (Relacion media) = 1 (Relacion debil)

m³

Almacenamiento Seguridad e inspección

Diseño

PSI

Capacidad para almacenar la producción de una semana Almacenar el Biogás en estado líquido Utilizar Norma chilena de almacenamiento de glp Utilizar la norma ASME sección VIII División 1

4.7 PASO 7: DEFINIR OBJETIVOS DE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA E IMPORTANCIA: ¿CUÁNTO ES SUFICIENTEMENTE BUENO? En este paso se calcula la importancia de las especificaciones de ingeniería, para luego fijar los objetivos y umbrales de cada una de ellas. Para determinar la importancia de cada especificación de ingeniería se sigue el siguiente orden: 1. Cada especificación fue relacionada con un requerimiento, con los valores 0, 1, 3 y 9, el primer cálculo consiste en multiplicar cada valor con la importancia relativa que el cliente le asignó al requerimiento. Por ejemplo, la especificación “Ancho forma de acceso” tiene una relación fuerte (9) con el requerimiento “Utilizar norma chilena de almacenamiento de GLP”, que fue ponderado con 30 puntos por Leonardo Cisterna. Por lo tanto, el puntaje que obtiene dicha especificación de ingeniería es 270 (9 x 30), para el cliente mencionado. 2. En caso de existir más relaciones de la especificación de ingeniería con los requerimientos del cliente, se suman los valores obtenidos. Para Pablo Díaz y la especificación de ingeniería “Cargas que resisten los apoyos” existen dos requerimientos que se relacionan “Utilizar Norma chilena de almacenamiento de glp” (Relación débil, 1) y “Utiliza la norma ASME sección VIII División 1” (Relación fuerte, 9). Las valoraciones para estos requerimientos por parte de este cliente son 45 y 5 respectivamente. Por lo tanto, la suma que se obtiene es: 45 x 1 + 5 x 9 = 90. 3. Se repiten los puntos 1 y 2 para cada especificación de ingeniería y se realizan de nuevo las comparaciones con los otros dos clientes restantes. Ejemplos: 22

mm N

a. Leonardo Cisterna: 390; 310; 270; 450; 525; 390 b. Cristóbal Cárdenas: 435; 385; 315; 330; 620; 260 c. Pablo Díaz: 465; 455; 405; 180; 360; 90 4. El valor obtenido de cada especificación de ingeniería por cada cliente que se obtiene en el punto 3, es dividido por la suma total de los puntajes de cada especificación de ingeniería. El paso se repite para cada cliente y sirve para normalizar las especificaciones. Por ejemplo, para Cristóbal Cárdenas, la suma total de los puntajes corresponde a: 435 + 385 + 315 + 330 + 620 + 260= 2.345; Y la ponderación normalizada para la especificación de ingeniería “Volumen del sistema” corresponde a 435/2.345 = 19 % Las sumas normalizadas (Importancia de la especificación) son las siguientes:

Almacenamiento Seguridad e inspección

Diseño

Profesional área de residuos solidos Leonardo Cisternas Seremi de energía Pablo Díaz Volumen del sistema Presión de trabajo Numero de apoyos del estanque Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

= 9 (Relacion Fuerte) = 3 (Relacion media) = 1 (Relacion debil)

Encargado de ingeniería Cristóbal Cárdenas

Tabla 4.9 Importancia de las especificaciones

m³

PSI

mm N

Capacidad para almacenar la producción de una semana 0 15 20 Almacenar el Biogás en estado líquido 40 15 30 Utilizar Norma chilena de almacenamiento de glp 35 30 45 Utilizar la norma ASME sección VIII División 1 25 40 5 Porcentaje encargado de ingeniería Cristóbal Cárdenas 19 17 14 26 11 Porcentaje profesional área de residuos solidos Leonardo Cisternas 17 13 19 22 17 Porcentaje seremi de energía Pablo Díaz 24 23 9 18 5

Los objetivos de ingeniería están directamente relacionados con el resultado numérico al cual se desea llegar, para que el cliente esté encantado. Esto se relaciona directamente con lo desarrollado en el Paso 5, donde se fija una dirección en la que una especificación tiende a mejorar. En el caso de la especificación “Ancho de forma de acceso”, la dirección de mejora implica que más es mejor, sin embargo, no puede ser mucho. El valor en metros que cumple el objetivo de ingeniería está relacionado con la información entregada por los clientes en cuanto a la cantidad de gente que puede acceder al estanque. Dos personas pueden transitar de forma 23

mínima por 60 centímetros. Sin embargo, con 80 centímetros se tiene mejor movilidad tanto para una y dos personas. Tabla 4.10 Objetivos de ingeniería

Especificación Volumen del sistema Presión de trabajo Número de apoyos del estanque Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

Umbral (disgustado)

Objetivo (encantado)

24 m³

29 m³

485 PSI

533 PSI

1

2

23 mm

25 mm

80000 N

90000 N

4.8 PASO 8: IDENTIFICAR LA RELACIÓN ENTRE ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA: ¿CÓMO DEPENDEN LOS “CÓMO” ENTRE ELLOS? En este paso se puede ver que las especificaciones de ingeniería pueden ser dependientes unas de otras. Y así, se añade el techo de la matriz QFD para demostrar que mientras se trabaja por cumplir una especificación, se puede tener un efecto positivo o negativo sobre otra (Ullman, 2010, págs. 166 - 167). En la Tabla 4.8, el techo de la matriz presenta líneas diagonales, las cuales conectan las especificaciones de ingeniería. Si dos especificaciones son dependientes y el resultado es la mejora de ambas especificaciones (de acuerdo al Paso 5) es anotado un símbolo “+” en la intersección de estas líneas diagonales. Se usa el símbolo “-” cuando la relación de las especificaciones genera que al menos una de ellas empeore. Se toma en cuenta al momento de construir el techo de la matriz QFD (Tabla 4.12) algunas pautas que aparecen en el libro guía (Ullman, 2010, pág. 167), las cuales se muestran a continuación: 

 

En un mundo ideal, todas las especificaciones deberían ser independientes unas de otras, sin embargo, la realidad es que a veces, cuando se mejora algo, se mejora o se perjudica otra cosa. Con estas relaciones se da una orientación sobre las ventajas y desventajas Si el techo tiene muchas casillas ocupadas, las especificaciones son demasiado independientes y deben examinarse de nuevo Si la relación no es clara, entonces al menos una de las especificaciones no está clara.

Dicho esto, y teniendo en cuenta las pautas dadas. A continuación, se ve el desarrollo del techo de la matriz QFD:

24

Volumen del sistema Presión de trabajo Numero de apoyos del estanque Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

Tabla 4.11 Comparación entre especificaciones de ingeniería

m³

PSI

mm N

Finalmente, se ensamblan los pasos realizados anteriormente, formando la Tabla a continuación.

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4.9 MATRIZ QFD

Diseño

PSI

mm N

Umbral (disgustado)

24 170 1 6 80000

Seguridad e inspección

m³

1- No cumple con el requerimiento 2- Cumple un poco el requerimiento

3- Cumple medianamente con el requerimiento 4- Cumple la mayoria del requerimiento 5- Cumple completamente el requerimiento Vapor industrial

Schewerger mining & energy

1 2 3 4 5

Capacidad para almacenar la producción de una semana 0 15 20 Almacenar el Biogás en estado líquido 40 15 30 Utilizar Norma chilena de almacenamiento de glp 35 30 45 Utilizar la norma ASME sección VIII División 1 25 40 5 Porcentaje encargado de ingeniería Cristóbal Cárdenas 19 17 14 26 11 Porcentaje profesional área de residuos solidos Leonardo Cisternas 17 13 19 22 17 Porcentaje seremi de energía Pablo Díaz 24 23 9 18 5

Objetivo (encantado)

29 530 2 24 90000

Almacenamiento

Profesional área de residuos solidos Leonardo Cisternas Seremi de energía Pablo Díaz Volumen del sistema Presión de trabajo Numero de apoyos del estanque Espesor del manto del estanque Cargas que resisten los apoyos

= 9 (Relacion Fuerte) = 3 (Relacion media) = 1 (Relacion debil)

Encargado de ingeniería Cristóbal Cárdenas

Tabla 4.12 Matriz QFD

A partir de lo desarrollado en este capítulo, se han obtenido requerimientos, especificaciones, ponderaciones, objetivos, entre otros. Estos son resumidos en la matriz QFD. Las importancias relativas le sirven al ingeniero que ejecuta el proyecto para identificar las especificaciones que son más importantes de cumplir. Por ejemplo, para Pablo Díaz, la especificación más importante a cumplir es la del “Volumen del sistema”, sin embargo, para Leonardo Cisterna lo más importante a ser cumplido es lo relacionado con el “Espesor del manto del estanque”, esto se debe a que cada uno de ellos desempeña diferentes labores o trabajos, ambientales e ingenieriles respectivamente, por lo tanto, cada uno se enfoca en el área que le compete.

26

5 DISEÑO CONCEPTUAL (Conceptual Design) En esta sección, el entendimiento del problema se usa como base para generar conceptos que lleven a un producto de calidad. Al hacer esto, se aplica la filosofía propuesta en el libro “form follows function” (Ullman, 2010, pág. 171) o “la forma viene después de la función”. Que remarca el afán de entender de primera mano la función de un dispositivo, antes de diseñar su forma. Por lo tanto, este capítulo se centra en la función.

5.1 ENTENDIENDO LA FUNCIÓN DE DISPOSITIVOS EXISTENTES Para comenzar con el desarrollo del capítulo, se selecciona un producto de la competencia (Tabla 4.2). Luego el producto seleccionado se descompone y se analiza en base a su función. El producto seleccionado es un estanque para GLP de 4m3 de capacidad de la empresa Vapor Industrial S.A (Imagen 5.1)

Imagen 5.1 Estanque GLP 4m3 – Vapor Industrial S.A.

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El detalle de los componentes y partes de la Imagen 5.1 se muestran a continuación: Tabla 5.1 Detalle Imagen 5.1

PARTE # 1 2 A B C D E F

NOMBRE Estanque Estructura soportante Indicador de nivel Multiválvula Válvula de vaciado Válvula de seguridad Válvula de llenado Flotador

5.2 FUNCIÓN En primera instancia es importante saber que la función de un producto responde a la pregunta ¿Qué hace? Y que la forma responde al ¿Cómo lo hace? En el caso del estanque de GLP que se muestra en la Imagen 5.1, la respuesta a la primera pregunta es: “Almacena gas”. Ésta respuesta, entrega claramente lo que el estanque hace. Por lo tanto, su función es simple: “Almacenar gas”. En este caso el estanque almacena GLP (gas licuado de petróleo), lo que involucra una serie de componentes o partes que se asocian a la función mencionada. De acuerdo con el libro guía, la función es el “flujo lógico de energía, información y material” (Ullman, 2010, pág. 177). Las clasificaciones de flujo interpretan de manera clara lo que hace el objeto en sí (la función), ya sea si posee un movimiento, entrega un valor o existe un efecto en la forma del objeto.

5.3 INGENIERÍA INVERSA La ingeniería inversa es un método para entender cómo funciona un producto. El método se aplica a un objeto existente (Imagen 5.1). Esto se logra descomponiendo el producto en funciones generales, de las cuales nacen sub-funciones lo que permite conocer y entender su flujo de energía, flujo de material y flujo de información. Lo más importante de esta etapa es enfocarse en lo que hace cada elemento y olvidarse del cómo se hace, provisoriamente. Ya que lo importante es la función, no la forma, ayudando a generar conceptos sin limitaciones. En el Anexo 5.1, se muestran las tablas “Ingeniería Inversa”, en la primera se realiza una relación y análisis de los objetos principales que se encuentran en el producto (Imagen 5.1). En la segunda tabla se descompone el estanque y se identifican los componentes. Los componentes se relacionan con el estanque y su estructura soportante en términos del flujo de energía, material e información.

5.4 DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL Descomponer un producto es de gran utilidad al momento de analizar lo que debe hacer el nuevo producto a diseñar. Anteriormente en Ingeniería Inversa se descompone el estanque y se define la función de cada objeto interactuando entre ellos. A continuación, se toman los objetos y se asocian a una función y sub-función del conjunto. 28

5.4.1 Función principal Como se menciona anteriormente en el punto 5.2, la función del producto corresponde a lo que hace, y no cómo lo hace. La función principal engloba a todas las sub – funciones que el objeto emplee. Al tener reconocida la función principal, se está atendiendo directamente al problema a solucionar (Punto 2.1). La función principal que cumple el estanque de 4m 3 de Vapor Industrial es:

ALMACENAR GAS 5.4.2 Sub – funciones A partir del punto anterior y la Imagen 5.1, la intención aquí es descomponer la función principal en distintas sub-funciones. La importancia de este paso es muy alta. Debido a que es primordial entender la función antes de gastar tiempo en desarrollar conceptos que resuelven el problema incorrecto. De acuerdo con el libro, el desarrollo lógico de un producto es en base a la función. “Los conceptos siguen a la función, y los productos siguen a los conceptos” (Ullman, 2010, pág. 185). Las sub-funciones son descritas a partir de las partes o componentes del estanque (Imagen 5.1), éstas se muestran en la siguiente tabla: Tabla 5.2 Sub-funciones estanque

Estanque para GLP 4m3 Función principal: ALMACENAR GAS

Partes

Sub – función Soportar las cargas

1-Estanque

acoplar los componentes Evitar filtraciones

2-Estructura soportante

A-Indicador de nivel

Soportar peso del estanque y el gas

¿Cómo lo hace? Estructura del estanque resiste la presión que genera el gas al interior Los componentes están fijados al manto del estanque El tipo de construcción permite que el estanque sea un sistema hermético Estructura sostiene el estanque desde la base

Evitar desplazamientos

La estructura evita que el estanque se mueva

Mostrar nivel de gas al interior del estanque

Indicador de nivel posee un flotador el que se encuentra en la superficie del líquido

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B-Multiválvula D-Válvula de seguridad

Evitar que el gas supere el máximo seguro de almacenamiento mientras se llena Mantener una presión segura

E-Válvula de llenado

Asegurar un llenado adecuado

C-Válvula de vaciado

Asegurar un vaciado adecuado

Multiválvula interrumpe el llenado al alcanzar el límite seguro

En caso de un aumento de presión interna que supere el umbral, la válvula libera gas para reducir la presión interna La válvula permite el ingreso de gas al estanque, evitando fugas y el retroceso del gas por la válvula La válvula permite la salida de gas desde el estanque, evitando fugas y el re-ingreso del gas por la válvula

5.4.3 Orden de las sub – funciones Para entender de mejor manera las sub – funciones y su efecto en la función principal. A continuación, se ordenan los componentes del estanque (Imagen 5.1), donde cada uno de ellos está asociado a su sub – función.

Imagen 5.2 Diagrama de sub – funciones

5.4.4 Refinamiento de sub – funciones La refinación de conceptos consiste en “hilar fino”. Lo que significa examinar cada sub – función. El proceso resultante es el de la Tabla 5.2, donde ahí las sub – funciones ya son refinadas. 30

5.5 GENERACIÓN DE CONCEPTOS A partir del análisis del estanque de Vapor Industrial, se ha obtenido bastante información acerca de lo que el producto debe hacer. De ahora en adelante, se desarrollan conceptos que cumplan lo descrito en el capítulo 4 (Product Definition), mostrado en la matriz QFD (especificaciones de ingeniería, requerimientos del cliente, etc.) La metodología para desarrollar conceptos puede ser muy variada. En el libro, se mencionan diversos métodos como: Lluvia de ideas, la teoría de máquinas inventivas (TRIZ), contradicciones, morfología, entre otros (Ullman, 2010, págs. 189 - 209). La generación de conceptos se realiza en base a dos métodos: Lluvia de ideas o Brainstorming (Ullman, 2010, pág. 190) y Morfología (Ullman, 2010, págs. 204 - 208).

5.6 MORFOLOGÍA Esta técnica utiliza las funciones y sub – funciones identificadas anteriormente para promover ideas (Ullman, 2010, pág. 204). Para desarrollar esta técnica se siguen 3 pasos. La base aquí es la generación de ideas, que se realiza con el método de Lluvia de ideas (Anexo 5.2). En las secciones anteriores se busca entender la función del objeto a diseñar, el “Qué”. En los pasos siguientes, lo que se busca es el estudio de la forma o la estructura, el “Cómo”.

5.6.1 PASO 1: Descomponer la función Este paso está directamente relacionado con lo realizado anteriormente, donde una función se descompone en varias sub – funciones (Tabla 5.2).

5.6.2 PASO 2: Desarrollar conceptos para cada función A partir de las sub – funciones de la Tabla 5.2, esta etapa consiste en asignar objetos, materiales o componentes que cumplan cada una de las sub – funciones descritas. Las entradas son generadas en una lluvia de ideas (Anexo 5.2) y seleccionadas para cada uno de las sub – funciones. El resultado se muestra en la tabla 5.3

5.6.3 PASO 3: Combinar conceptos De lo obtenido en el paso 2, en este paso los conceptos para cada función se combinan para crear diseños conceptuales. El método es seleccionar un concepto de cada sub – función y combinarlos en un solo diseño (Ullman, 2010, pág. 207). A partir de las combinaciones de conceptos, se generan bosquejos es éstos. A continuación, se presenta la tabla de la morfología, donde se escogen productos de la lluvia de ideas (Anexo 5.2) para una sub-función determinada

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Tabla 5.3 Morfología

MORFOLOGÍA Producto: Sistema almacenamiento biogás

Sub-Función

Idea 1

Nombre de la organización: Grupo 5

Idea 2

Idea 3

Idea 4

Soportar las cargas

Plancha acero inoxidable

Plancha de acero

Plancha de aluminio

orificio roscado

Soldadura

Soldadura

Remaches

Teflón

Perfiles rectangulares

Radier de hormigón

Hormigón

Pernos hilti

Soporte angular

Soldadura

Acoplar los componentes (Válvulas)

Evitar filtraciones

Soportar peso del estanque y el gas

Evitar desplazamientos

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empotramiento

Mostrar nivel de gas al interior del estanque

Medidor visual

Indicador de nivel

Sensor electrónico

Sensor electrónico

Manómetro

Flotador

Multiválvula

Válvula de llenado

Llave de paso

Contador de flujo

Teflón

Válvula de vaciado

Llave de paso

Bomba

Regulador

Evitar que el gas supere el máximo seguro de almacenamiento mientras se llena

Asegurar un llenado adecuado

Asegurar un vaciado adecuado

Integrante del equipo: Bastián Henríquez Integrante del equipo: Joaquín Leal

Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker

5.7 CONCEPTOS Los conceptos generados en el Paso 3 del punto 5.6 son explicados a continuación y la tabla de Conceptos se adjunta en el Anexo 5.4

5.7.1 Concepto 1 Para el Sistema de almacenamiento se considera utilizar, planchas de acero inoxidable, el cual tiene como finalidad soportar las cargas y presiones producidas por el biogás hacia las paredes del mismo, además tener en cuenta un sistema de rosca para la fijación o soporte

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de las diferentes componentes (válvulas) y por ultimo las soldaduras normalizadas que evitarán cualquier tipo de filtraciones e inflamaciones. Para la estructura de la base, en el sistema de almacenamiento se utilizan perfiles de acero con la finalidad de soportar el peso del estanque y gas como conjunto. En cuanto al anclaje se considera la utilización de pernos hilti para una fijación al suelo segura, evitando cualquier tipo de desplazamiento de todo el conjunto. Para ver el control dentro del estanque, se utiliza: un sensor electrónico para saber el nivel del biogás cuando se requiera, y al momento de que la presión del sistema aumente se utiliza un sistema de enfriamiento para así bajar la temperatura del estanque y su vez bajar la presión que hay al interior de este Para la regulación del flujo de biogás se considera utilizar una válvula de llenado, válvula de vaciado y un manómetro, ya que esto permite una entrada y salida adecuada del estanque y además contar con un funcionamiento eficiente, evitando cualquier tipo de peligro.

5.7.2 Concepto 2 El estanque tendrá un cuerpo cilíndrico, con caras semiesféricas, y para la estructura de este, se utilizan planchas de acero, para así soportar las cargas que ejerce el gas que son el peso de este y la presión que este ejerce al interior del estanque. Para poder acoplar todos los componentes (Válvulas) las cuales convergerán todas en una sección del estanque, se utilizan orificios roscados y así atornillar estos componentes al estanque, para poder llegar a estos componentes y obtener la información que entregan se implementa una pasarela a un costado del estanque. Y finalmente para que no ocurra ninguna filtración en el estanque se considera usar soldadura. Para la base, el peso del estanque con el gas en su interior se soporta con perfiles rectangulares los cuales irán empotrados al suelo donde se instale el estanque (idealmente suelo de hormigón) y así evitar los desplazamientos que pueda sufrir el sistema. Para lograr ver el nivel del gas en el interior del estanque se utiliza un indicador de nivel. Al momento de llenar el estanque se considera usar una multiválvulas, la que en caso de que el gas supere el limite seguro de llenado, esta corta el flujo de entrada al estanque. Y al momento de que la presión del sistema se utiliza una válvula de seguridad que libera la presión al interior del sistema. Para asegurar un llenado adecuado del estanque se considera una válvula de llenado y para el vaciado del mismo considera una bomba.

5.7.3 Concepto 3 Este concepto consiste en un estanque de acero inoxidable, soterrado, anclado con sobre un radier de hormigón con pernos hilti. Los componentes son acoplados al estanque con orificios roscados. Para evitar filtraciones el acero se suelda. El control del nivel de biogás al interior involucra diversos componentes: Un indicador de nivel (Con flotador), una Multiválvula que corte el ingreso de biogás al estanque (para ser re-direccionado), una válvula de seguridad que libere biogás desde el estanque en caso de un aumento de presión. Para el llenado del gas se considera una válvula de llenado

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conectada a la red de alimentación. Finalmente, para el vaciado se considera una bomba de vaciado y distribución. Los sistemas involucrados serán posicionados en la parte superior del estanque (a nivel del suelo) y serán asequibles por medio de una plataforma de acercamiento.

5.8 SELECCIÓN Y EVALUACIÓN DE CONCEPTOS En ésta etapa para generar un producto de calidad, primero se debe seleccionar un concepto. Aunque los conceptos generados en el paso anterior sean ideas en bruto, éstas pueden ser evaluadas entre ellas para determinar su potencialidad al momento de compararlas. Estos resultados obtenidos de la evaluación nos entregan la información necesaria para tomar buenas y completas decisiones acerca del concepto a desarrollar. Al seleccionar un concepto se toma un alto riesgo, sin embargo, éste puede ser refinado posteriormente para asegurarse de que cumpla con lo requerido. La evaluación de los conceptos se realiza por medio de la Matriz de Pugh o Matriz de Decisión (Ullman, 2010, págs. 221 - 226)

5.9 MATRIZ DE DECISIÓN – MÉTODO DE PUGH Éste es un método efectivo para comparar alternativas de conceptos. En esencia, el método compara los diferentes conceptos de acuerdo a su capacidad o habilidad para cumplir los criterios establecidos. La comparación se hace en base a puntuaciones las cuales entregan una visión de las mejores alternativas y la posibilidad de tomar mejores decisiones. El método se realiza por 6 pasos, estos son:

5.9.1 Paso 1: Definir el problema La matriz de Pugh se aplica para poder seleccionar un concepto. Por lo tanto, el problema es:

“Escoger un concepto para almacenar biogás” 5.9.2 Paso 2: Seleccionar las alternativas a ser comparadas (Conceptos) Las alternativas que se comparan corresponden a los conceptos generados anteriormente por Morfología (Anexo 5.3)

5.9.3 Paso 3: Elegir los criterios de comparación Los criterios de comparación se basan en los requerimientos del cliente (Tabla 4.1), las especificaciones de ingeniería (Tabla 4.5) y la opinión del equipo de trabajo. Los criterios de comparación establecidos por el equipo de trabajo son los siguientes: 1.- Distribución de la presión: se refiere a la distribución uniforme de la presión en todos los sentidos, para evitar concentración de ésta en los vértices del cabezal, o en cualquier lado en general. 2.-Acceso a los componentes: Los componentes son asequibles y la forma de llegar a ellos es segura y simple (multiválvulas, manómetro, etc.) 3.-Control de llenado: Al estanque ingresa un flujo constante de biogás, por lo tanto, debe haber un sistema de control para un llenado adecuado, sin interrupciones ni perdidas. 35

4.-Estructura soportante: La estructura soporta de forma segura el peso del estanque y el biogás de su interior. 5.-Tipo de material: Material adecuado para soportar la presión y diseño del estanque.

5.9.4 Paso 4: Desarrollar valorización para la importancia relativa A partir de una discusión, a cada criterio desarrollado en el paso anterior, se le da una valorización dependiente de la importancia relativa. La importancia relativa hace alusión a la perspectiva del equipo en cuán importante es el criterio en el concepto final. Tabla 5.4 Valorización para la importancia relativa de los criterios Criterios Distribución de la presión Acceso a los componentes Control de llenado Estructura soportante Tipo de material

Puntuación 27 17 18 18 20

5.9.5 Paso 5: Evaluar alternativas En esta etapa corresponde a que cada miembro del equipo escoge un concepto que le parece el más apropiado, donde se comparará con los demás conceptos establecidos anteriormente. Éste concepto se le conoce como “datum”. Para cada comparación, se evalúa si el concepto es mejor, prácticamente igual o peor que el “datum” con respecto a cada criterio. Este proceso se lleva a cabo para confirmar si realmente el datum escogido es la mejor opción, o si existe otro concepto que cumpla de mejor manera con el objetivo. Los valores de comparación son los siguientes de los conceptos con respecto al datum: Tabla 5.5 Valores de comparación de conceptos Criterio Si el concepto es mejor que el datum Si el concepto es prácticamente igual Si el concepto es peor que el datum

Valores +1 0 -1

5.9.6 Paso 6: Calcular el resultado Luego de obtener las comparaciones con sus respectivas puntuaciones se calculan 2 totales, el total global y el total ponderado. 1. Total global: Para cada uno de los conceptos sumar de forma vertical los valores obtenidos en el paso anterior. Por ejemplo, para el concepto N°1, el total global es el siguiente: -1 + (−1) + 0 + 0 + (−1) = -3 Este resultado indica la satisfacción por parte del equipo de diseño frente a dicho concepto. El cual en este caso equivale a -3. Éste mismo proceso se realiza con el concepto N°3.

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2. Total ponderado: Se debe multiplicar la “puntuación” de cada criterio, con los valores (+1, 0, -1) del paso anterior y establecer la suma de todos conceptos generados, obteniéndose así el valor ponderado de ese concepto. Por ejemplo, en el concepto N°1 nuevamente el total ponderado es: (27 × 0) + (17 × -1) + (18 × -1) + (18 × 0) + (20 × −1) = -55 Este resultado es más bien orientativo, donde representa que con respecto al datum tiene un peor valor, pero no quiere decir que sea completamente malo. Luego de realizar el proceso descrito anteriormente con todos los conceptos, se establece un cuadro resumen conoce como “matriz de Pugh” el cual se observa a continuación: Tabla 5.6 Matriz de Pugh

Distribución de la presión Acceso a los componentes Control de llenado Estructura soportante Tipo de material

27 17 18 18 20

CONCEPTOS

Datum: Concepto 2

El problema: Escoger un concepto para almacenar biogás

Total global Total ponderado

1

3 0 -1 -1 0 -1

-1 0 0 -1 -1

-3

-3

-55

-65

El razonamiento utilizado por el equipo de trabajo es el siguiente: 





El datum es mejor en el criterio “Tipo de material”, ya que el concepto 3 contempla acero inoxidable, el cual tiene una menor resistencia que el acero al carbono (datum). Lo mismo ocurre con el concepto 1. El concepto 3 es igual en el criterio “Acceso a los componentes” con el datum. Esto debido a que el concepto 3 al igual que el datum, facilita el acceso a los componentes, no pasa lo mismo con el concepto 1 ya que no incluye una forma de acceso a los componentes. El concepto 1 es igual en el criterio “distribución de la presión “con el datum. Esto debido a que el concepto 1 tiene la misma forma que el datum y distribuyen la presión de la misma forma. Pero el concepto 3 tiene una forma cilíndrica con caras planas y la distribución de la presión es menor que la del datum y concepto 1.

5.10 DECISIÓN: SELECCIÓN DEL CONCEPTO En el punto anterior, se desarrolla un método de comparación que ayuda a seleccionar un concepto de manera objetiva. Al analizar los conceptos entre ellos, se logra identificar que el Concepto 2 cumple de mejor manera los criterios (Obtiene un mayor puntaje).

37

El concepto 2 diverge del concepto 3 en los criterios “Distribución de la presión”, “Estructura soportante” y “Tipo de material”. En el resto de los criterios, el equipo de trabajo considera en igualdad de condiciones a ambos. Al comparar el concepto 2 y el concepto 1 se tiene una mayor diferencia en cuanto al cumplimiento de los criterios. Al comparar el total global, el concepto 3 obtiene “-3”. Esto no significa que el concepto sea peor al datum. Es importante observar también el total ponderado, donde se relaciona la ponderación dada a cada criterio con la comparación de cada concepto. Así en los criterios donde difiere el datum con el concepto 3, es más importante en la selección que el concepto 2 cumpla de mejor manera la “Distribución de la presión”, “Estructura soportante” y “Tipo de material”. Por lo tanto, se selecciona el Datum para refinarlo y continuar con el desarrollo del proyecto.

38

6 DESARROLLO DEL PRODUCTO (Product development) El concepto escogido en el capítulo anterior se refina durante esta etapa hasta lograr un producto de calidad. Para cumplir con el objetivo se desarrollan diversos procesos para determinar las cargas, materiales y dimensiones. En primera instancia se trabaja de forma teórica, hasta que finalmente un modelo computacional del estanque para biogás licuado se analiza en el software CREO parametric 3.0. Durante el Capítulo 4 “Definición del producto” se desarrolla la Matriz QFD (Tabla 4.11). En el Paso 2 se muestran los “Requerimientos del cliente” (Volumen, estado, normas), éstos se aplican en este capítulo al desarrollo del producto.

6.1 LIMITACIONES ESPACIALES Las limitaciones espaciales, se refieren al espacio disponible, con el que se cuenta para la construcción del estanque de gas. La única restricción espacial que existe para la construcción del estanque en el interior del vertedero, es un área basal que no supere los 400 𝑚2 .

6.2 CONFIGURACIÓN DE LOS COMPONENTES Tabla 6.1 Configuración de los componentes Componentes principales

Ilustración

Componentes secundario

Cilindro Estanque

Cabezal circunferencial

Placa de refuerzo

Arterias

39

Ilustración

Base Silleta Placa curva

Placa de fondo

Cuerpo oreja

Oreja de izaje

Placa

6.3 SELECCIÓN DEL MATERIAL El material seleccionado tiene directa influencia con las dimensiones. Mientras mayor sea el límite de fluencia mayor será el diámetro del estanque y el esfuerzo máximo permisible, mientras que el largo del cilindro y el espesor del manto serán menores. Por lo tanto, la calidad del material está directamente relacionado con el costo y las posibilidades de fabricación del estanque y sus componentes. La norma ASME en su sección VII división 1 plantea diversos aceros de baja aleación para estanques a presiones medias y altas. Entre estos están el SA – 515 y el SA – 516 en grados 60, 65 y 70. El SA – 516 Gr.70 es el que posee un mayor esfuerzo máximo permisible (S), por lo tanto, las dimensiones del estanque serán las menores posibles al utilizar este material. “Los aceros SA – 516 Gr.70 se caracterizan por su buena soldabilidad. Se utilizan sobre todo para la fabricación de calderas, recipientes a presión y tuberías de transporte de líquidos calientes. Asimismo, ofrecen buenas propiedades en altas y bajas temperaturas5”

5

http://www.casider.com/asa_516_gr70_es.php

40

Este acero se produce en Chile y se encuentra en las siguientes dimensiones6:   

Ancho: 2.440 [mm] Largos: Entre 6.000 y 12.000 [mm] Espesor: Entre 6 y 45 [mm]

Las propiedades mecánicas del SA – 516 Gr.70 son: Tabla 6.2 Propiedades SA – 516 Gr.70 7 CALIDAD

ASTM SA – 516 Gr.70

Límite de fluencia mínimo, Fy [MPa] 260

Tensión de rotura por tracción, Fu [MPa] 485

Alargamiento mínimo, 50 mm [%]

Fy/Fu [≤ 0,85]

21

0,54

Esfuerzo máximo permisible [Psi] 17.500

6.4 DIMENSIONES DEL ESTANQUE Para determinar las dimensiones del estanque es necesario considerar: 1. 2. 3. 4. 5.

Producción Composición del biogás a almacenar Estado de almacenamiento Normas chilenas Normas ASME

En el Relleno Sanitario Los Ríos, existen 171 chimeneas que producen 1 m3 de Biogás por hora. Inicialmente, el Biogás pasa por un proceso de filtración donde se eliminan gases como el H2S (ácido sulfhídrico), NH3 (Amoniaco) y H20 (vapor de agua), logrando una reducción del 50% del volumen inicial. El Biogás restante es comprimido y almacenado. Dentro de los requerimientos del cliente (Tabla 4.1, Definición del producto) se encuentran dos que tienen directa relación con el volumen que se debe almacenar finalmente. 1. Capacidad para almacenar la producción de una semana 2. Almacenar el biogás en estado líquido El primer requerimiento se relaciona con la Tabla 6.3, la cual define la cantidad de sustancia a almacenar. Para cumplir con el segundo requerimiento, es necesario conocer la relación de volumen que se da al llevar el biogás a estado líquido. Este valor se conoce como Equivalente líquido/gas y su valor es de 621,4 vol/vol 8. Este valor se asume a partir del gas metano, ya que la composición del gas filtrado es de 99% de CH4. La producción de biogás se detalla en la siguiente tabla:

6

http://www.fpetricio.cl/planchas-gruesas/215-astm-a516-gr-70.html http://www.fpetricio.cl/planchas-gruesas/215-astm-a516-gr-70.html 8 http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?GasID=41&LanguageID=9&CountryID=19 7

41

Tabla 6.3 Volumen de biogás.

PERIODO

VOLUMEN SIN FILTRAR

VOLUMEN BIOGÁS FILTRADO

1 Hora 1 Día (24 horas) 1 Semana

171 m3 4.104 m3 28.728 m3

85,5 m3 2.052 m3 14.364 m3

A partir de la relación 621,4 vol/vol se puede obtener el volumen de biogás licuado a almacenar en el estanque. El cual es 621,4 veces menor que el volumen en estado gaseoso. Por lo tanto, el volumen de biogás licuado que se produce durante una semana, y que el estanque debe contener es de: 𝑉𝑠 = 23,1 𝑚3 , 𝑉𝑠 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 𝑙𝑖𝑐𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟 Para almacenar los 23,1 𝑚3, es necesario tener en cuenta un aumento del 20% en el volumen del estanque, ya que éste debe llenarse solamente hasta un 80 % de su capacidad, considerándose un nivel óptimo de almacenamiento. Lo que significa que el volumen interior del estanque es de 28,9 m3, aproximadamente 29 m3. Por lo tanto, 𝑉𝑡 = 29 𝑚3, 𝑉𝑡 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 De la generación de conceptos, la posición del estanque es horizontal sobre el suelo. La norma ASME en su sección VIII, división 1 contempla el diseño de estanques horizontales y cilíndricos, con diferentes cabezales, sometidos a presión interna. Los pasos siguientes se basan es diferentes textos que aplican la norma internacional para diseñar estanques. Para continuar es necesario identificar las partes de un estanque (Imagen 6.1)    

Cilindro (o casco): Es el cuerpo principal del estanque, donde se soportan los componentes, silletas y orejas de izaje. Cabezal: Parte lateral del cilindro. Estos pueden ser semi-esféricos, elípticos, hemiesféricos, toriesféricos, entre otros. Silletas: Son las encargas de soportar el peso del estanque y su contenido. Pueden ser 2 o 3 y ser ancladas fijas o móviles. Orejas de izaje: Son las encargadas de soportar el peso mientras el estanque (vacío) se transporta para su instalación o mantención.

42

Imagen 6.1 Partes estanque Existen conceptos importantes que se deben conocer para poder continuar con el entendimiento adecuado del desarrollo del producto. 



Presión de operación (𝑃𝑜 ): También se le conoce como presión de trabajo y es la presión manométrica a la que el estanque se encuentra en condiciones normales de operación (Megyesy, 1992, pág. 15) Presión de diseño (𝑃𝑑 ): Presión que se utiliza para diseñar un estanque. Por lo general es un 10% mayor que la presión de operación (Megyesy, 1992, pág. 15)

La presión de operación para el biogás licuado está dada por la presión a la que ingresa el biogás desde el compresor al estanque. “El biogás se despide del compresor aproximadamente a 33 atm y 50°C“ 9 Al seguir la relación entre la presión de operación y la de diseño se tiene que: 𝑃𝑑 = 1,1 ∗ 𝑃𝑜 = 1,1 ∗ 485 [𝑃𝑠𝑖] = 533,5[𝑃𝑠𝑖], 𝑃𝑠𝑖: 𝐿𝑖𝑏𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑎 [

𝑙𝑏 ] 𝑝𝑢𝑙𝑔2

En el “Manual de Recipientes a Presión” (Megyesy, 1992), se consideran diversos tipos de materiales para estanques a presión, además de las fórmulas para determinar el diámetro y espesor del estanque. Existe una relación directa entre el diámetro interno y la presión de diseño. La relación involucra también los siguientes conceptos: 



9

Margen de corrosión (𝐶): Margen del espesor para lograr la vida deseada del producto, al estar sometido a corrosión, abrasión mecánica o erosión. El valor sugerido es de 5 milésimas de pulgada por año (Megyesy, 1992, pág. 191). Eficiencia de la soldadura (𝐸): Valor que se asigna dependiendo del tipo de examen que se le haga a la soldadura del estanque al momento de la mantención o inspección, en éste caso el valor es 1 (adimensional), ya que se considera como radiografía completa (Megyesy, 1992, pág. 142).

http://www.imiq.org/wp-content/uploads/2012/02/1241.pdf (Pág.35)

43



Esfuerzo máximo permitido a tensión (𝑆): Valor dependiente del material (SA-516 Gr.70) (Megyesy, 1992, pág. 159)

Para determinar el diámetro interno del estanque se utiliza la siguiente ecuación, donde el valor obtenido (𝐹), se relaciona con el volumen total del estanque (𝑉𝑡 ) para obtener el diámetro interno del casco (∅𝑖 ). La gráfica de 𝐹 se encuentra en el Anexo 6.1. 𝐹=

𝑃𝑑 𝐶𝑆𝐸

El valor es 𝐹 = 0,3 con    

𝑃𝑑 = 533,5 [𝑃𝑠𝑖] 𝐶 = 0,1 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝑆 = 17.500 [𝑃𝑠𝑖] 𝐸=1

Al revisar el Anexo 6.1, el valor 𝐹 se une con 𝑉𝑡 =1.204 [ft3] y se obtiene el valor del diámetro interno en pies de: ∅𝑖 = 4,6 [𝑝𝑖𝑒𝑠] o ∅𝑖 = 1402 [𝑚𝑚] Los cabezales se consideran esféricos, debido a su alta resistencia a la presión y la eliminación de acumulaciones de fuerzas en los extremos del casco cilíndrico. Esto implica que el diámetro interior del cilindro es igual al diámetro interior de las semiesferas de los costados. Por lo tanto, para obtener el largo del cilindro se utiliza la siguiente ecuación: 𝑉𝑡 = 𝑉𝑐 + 𝑉𝑒 , 𝑉𝑐 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜; 𝑉𝑒 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 Así, ∅

2

4

∅

𝑉𝑡 = 𝜋 ( 𝑖 ) ℎ + 𝜋 ( 𝑖) 2 3 2

3

,

Por lo tanto, ℎ corresponde al largo del cilindro y es:

ℎ = 17.800 [𝑚𝑚] El espesor del manto se calcula según lo descrito en el “Manual de Recipientes a Presión” (Megyesy, 1992, pág. 18), esto corresponde a la siguiente ecuación: 𝑡=

𝑃𝑑 ∅𝑖 2(𝑆𝐸 − 0,6𝑃𝑑 )

El valor de 𝑡 = 0,85 [𝑃𝑢𝑙𝑔] o 𝑡 = 21,6 [𝑚𝑚], a estos valores se les debe sumar el factor de corrosión definido anteriormente, lo que entrega el espesor del manto: 𝑒 = 24,14 [𝑚𝑚]

44

El fabricante (Francisco Petricio), presenta planchas estandarizadas, cuyos espesores más cercanos a este valor, son 22 mm y 25 mm, el espesor mínimo que puede tener el manto es 24,14 mm, por esto se determina que el espesor del manto igual a 25 mm. 𝑒 = 25 [𝑚𝑚] El largo total del estanque, contando el largo del cilindro, el radio de ambos cabezales y el espesor de cada uno de los cabezales es: 𝐿𝑡 = 19.252 [𝑚𝑚] El bosquejo del estanque queda de la siguiente forma:

Imagen 6.2 Bosquejo medidas

6.5 DIMENSIONES SILLETAS Las silletas se muestran en la Imagen 6.1, corresponden a la estructura que soporta al estanque y a la vez las que permiten anclar la estructura al suelo. Se encuentran normadas y las medidas pueden observarse en la siguiente imagen:

Imagen 6.3 Posición silletas (León, 2001, pág. 134) 45

   

𝐿𝐴 : 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑙í𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑦 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 𝐿𝐶 = ℎ: 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 17.800 [𝑚𝑚] ∅𝑐 : 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 𝑅: 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜

El valor de 𝐴 se encuentra entre el 20% de ∅𝑐 y el 20 % de 𝐿𝐶 0,2 𝐷 ≤ 𝐴 ≤ 0,2 𝐿 290,36 𝑚𝑚 ≤ 𝐴 ≤ 3.560 𝑚𝑚 Debido a que el largo del estanque es considerable, aproximadamente 19 metros, se considera 𝐴 = 3560 𝑚𝑚. Las otras dimensiones de las silletas se muestran en la Tabla 6.4. Los valores se obtienen de una tabla (León, 2001, pág. 135), interpolando los valores que ahí aparecen para el diámetro correspondiente. Los valores para un diámetro de 37 [Pulg] (1.451,8 mm) obtenidos son: Tabla 6.4 Dimensiones silletas  𝐴1 = 35,5 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐴1 = 902 [𝑚𝑚]  𝐵 = 8 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐵 = 204 [𝑚𝑚]  𝐶 = 50,5 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐶 = 1.283 [𝑚𝑚]  𝐷 = 5/8[𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐷 = 16 [𝑚𝑚]  𝐸 = 9 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐸 = 229 [𝑚𝑚]  𝐹 = 21,5 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐹 = 547 [𝑚𝑚]  𝐺 = 52,5 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐺 = 1.326 [𝑚𝑚]  𝐻 = 1/2[𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐻 = 13 [𝑚𝑚]  𝐽 = 12,5 [𝑃𝑢𝑙𝑔]  𝐽 = 318 [𝑚𝑚]  𝐾 = 3/8[𝑃𝑢𝑙𝑔  𝐾 = 10 [𝑚𝑚] La vista frontal de la silleta se muestra a continuación. Es posible apreciar 2 placas diferentes: espesor H y K (Imagen 6.5). Donde la única de espesor K se encuentra entre la silleta y el estanque, la que se conoce como placa de refuerzo, teniendo como principal función reducir la concentración de esfuerzos en el estanque y hacia la silleta. La vista lateral de la silleta muestra una placa que se une a las verticales de manera transversal (con línea segmentada), esta posee un espesor H y se ubica en la dirección de los cascos (imagen 6.5). En éste caso son 2 silletas donde una de ellas se ancla al suelo completamente y la otra se deja móvil debido a la dilatación del material (por cambios de temperatura, etc). El barreno del lado móvil se muestra en la imagen 6.4.

Imagen 6.4 Barreno móvil (León, 2001, pág. 134) 46

Imagen 6.5 Vista lateral y frontal de la silleta (León, 2001, pág. 134)

6.6 DIMENSIONES OREJAS DE IZAJE Los estanques estacionarios son transportados para su instalación. Para ser montados en la base son colgados de las orejas de izaje. Éstas se encuentran normadas y son explicadas en el libro “Diseño y cálculo de estanques a presión” (León, 2001). La masa del estanque se calcula a partir del volumen del casco completo y la densidad del 𝐾𝑔 ] 𝑚3

material. La densidad del acero SA 516 Gr.70 10 es 𝜌516 = 7.850 [

y el volumen del manto

se da por la siguiente ecuación: 𝑉𝑚 = 𝑉𝑒 − 𝑉𝑡 , 𝑉𝑚 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑜; 𝑉𝑒 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟; 𝑉𝑡 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 Con, 4 1.452 3 1.452 2 𝑉𝑒 = 𝑉𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 + 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 ( ) +𝜋( ) 17.800 = 1.6 [𝑚3 ] + 29.4[𝑚3 ] 3 2 2 Entonces, 𝑉𝑒 = 31,06 [𝑚3 ] El valor de 𝑉𝑡 = 28,96 [𝑚3 ]. Por lo tanto, el volumen del manto (𝑉𝑚 ) es: 𝑉𝑚 = 31,06 [𝑚3 ] − 28,96 [𝑚3 ] = 2,1 [𝑚3 ] La masa del manto o casco (𝑀𝑐 ) está dada por: 10

http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=9ccee2d0841a404ca504620085056e14&ckck=1

47

𝑀𝑐 = 𝜌516 𝑉𝑚 = 7.850 [

𝐾𝑔 ] ∗ 2,1 [𝑚3 ] 𝑚3

Por lo tanto, 𝑀𝑐 = 16.485 [𝐾𝑔] Las dimensiones de las orejas están dadas por:

Imagen 6.6 Detalle orejas (León, 2001, pág. 137) Las orejas de izaje son 4 (Dos a cada lado) y los valores de sus medidas se muestran en la siguiente tabla (León, 2001, pág. 137) Tabla 6.5 Dimensiones orejas de izaje        

𝐴 = 2 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐵 = 9 − 3/4 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐶 = 9 − 3/4 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐷 = 1 − 5/8[𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐹 = 3 − 1/2 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐺 = 3/4 [𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐻 = 1/2[𝑃𝑢𝑙𝑔] 𝐵. 𝐷 = 1 − 11/16[𝑃𝑢𝑙𝑔]

48

       

𝐴 = 51 [𝑚𝑚] 𝐵 = 248 [𝑚𝑚] 𝐶 = 248 [𝑚𝑚] 𝐷 = 42[𝑚𝑚] 𝐹 = 89 [𝑚𝑚] 𝐺 = 20 [𝑚𝑚] 𝐻 = 13[𝑚𝑚] 𝐵. 𝐷 = 43 [𝑚𝑚]

La posición de las orejas se define por las siguientes imágenes:

Imagen 6.7 Ángulo lateral orejas de izaje (León, 2001, pág. 138)

Imagen 6.8 Ángulo orejas frontal/latera (Manrique, 2011, pág. 196) La distancia del inicio de la oreja, desde la línea de soldadura de los cascos, es mínimo 5 veces el espesor del manto. 𝑑𝑜 = 5𝑒 = 5 ∗ 25[𝑚𝑚] = 125 [𝑚𝑚] 𝑑𝑜 : 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑒𝑗𝑎 − 𝑙í𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 El valor de 𝜃, está limitado por 𝜃 ≤ 45°. Así, con 𝜃 = 𝛼, se considera 𝛼 = 45°, debido a que este ángulo involucra la menor altura de izaje al momento de transportarse, además de una mayor estabilidad para rotar el estanque.

49

6.7 LISTA DE MATERIALES (BOM) Tabla 6.6 Lista de materiales

LISTA DE MATERIALES Producto: Estanque de biogás

Fecha: 10/08/16

Item #

Un.

Nombre

Material

Fuente

1

4

Plancha 25mm, 12 m largo y 2,44 m ancho

SA 516 Gr.70

Fco. Petricio

2

1

Plancha 14mm, 6 m largo y 2,44 m ancho

SA 516 Gr.70

Fco. Petricio

3

1

Plancha 51mm, 6 m largo y 1,5 m ancho

SA 516 Gr.70

Fco. Petricio

Integrante: Bastián Henriquez Integrante: Cristhoffer Klocker Integrante: Joaquín Leal

6.8 EQUILIBRIO DE CUERPO DE RÍGIDO Cuando se habla de equilibrio de un cuerpo rígido, se deben cumplir dos condiciones, la primera de estas ecuaciones establece que la suma de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo sean iguales a cero. La segunda ecuación establece que la suma de los momentos de todas las fuerzas en el sistema con respecto a un punto cualquiera, sean iguales a cero. En el análisis en dos dimensiones es de gran utilidad dividir la ecuación de equilibrio de fuerzas en las componentes rectangulares X e Y. Entonces: ∑ 𝐹𝑥 = 0 ∑𝐹 = 0{ ∑ 𝐹𝑦 = 0 ∑ 𝑀𝑜 = 0 Para la aplicación de las ecuaciones de equilibrio se requiere de una especificación completa de todas las fuerzas externas conocidas y desconocidas que actúan sobre un cuerpo. La mejor manera de expresar estas fuerzas es mediante un diagrama de cuerpo libre, el cual es un bosquejo del cuerpo que representa al mismo aislado o libre de su entorno, en este bosquejo es necesario mostrar todas las fuerzas y momentos que ejerce el entorno sobre el cuerpo, para así de esta manera, se puedan aplicar las ecuaciones de equilibrio. Para calcular las reacciones y momentos en los componentes del estanque es necesario conocer de antemano algunos valores: 

𝑀𝑖 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 (80% 𝑙𝑖𝑐𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑦 20% 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑜𝑠𝑜) = 10.144 [𝐾𝑔]

50

    

𝑀𝑜 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑜𝑟𝑒𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑧𝑎𝑗𝑒 = 24 [𝐾𝑔] 𝑀𝑠 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 = 124 [𝐾𝑔] 𝑀𝑐 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 𝑦 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙𝑒𝑠 = 8.538 [𝐾𝑔] 𝑀𝑝 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 = 32 [𝐾𝑔] 𝑀𝑡 : 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑖 + 4 𝑥 𝑀𝑜 + 2 𝑥 𝑀𝑠 + 𝑀𝑐 + 2 𝑥 𝑀𝑝 = 19.090 [𝐾𝑔]

Así mismo, los valores en Newton de las masas mencionadas con 𝑔⃗ = 9,8066 [𝑚⁄ 2 ] son: 𝑠      

𝑊𝑖 = 99.478,2 [𝑁] 𝑊𝑜 = 235,4 [𝑁] 𝑊𝑠 = 1.216,1 [𝑁] 𝑊𝑐 = 83.728,8 [𝑁] 𝑊𝑝 = 313,9 [𝑁] 𝑊𝑡 = 187.208 [𝑁]

El momento se considera positivo en sentido anti horario y los valores en el eje vertical son positivos hacia arriba. En el eje horizontal son positivos hacia la derecha.

Estanque completo

Imagen 6.9 D.C.L estanque completo (Vista lateral derecha)    

𝑊𝑒 = 𝑊𝑡 − 2 ∗ 𝑊𝑠 = 184.775,8 [𝑁]; 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑠 𝑜𝑟𝑒𝑗𝑎𝑠 𝑊𝑠 = 1.216,1 [𝑁] 𝐻𝑠 : 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (𝐶) = 915 [𝑚𝑚] 𝐿𝑠 : 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑥 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (𝐶) = 5.340 [𝑚𝑚]

51

Ecuaciones de equilibrio: ∑ 𝐹𝑥 = 0 → 𝐴𝑥 = 0 ∑ 𝑀𝑜𝑐 = 0 → −𝐴𝑦 ∗ 𝐿𝑠 + 𝑊𝑠 ∗ 𝐿𝑠 − 𝑊𝑠 ∗ 𝐿𝑠 + 𝐵𝑦 ∗ 𝐿𝑠 → −𝐴𝑦 ∗ 𝐿𝑠 + 𝐵𝑦 ∗ 𝐿𝑠 = 0 → 𝐿𝑠 (𝐵𝑦 − 𝐴𝑦) = 0 → 𝐴𝑦 = 𝐵𝑦 ∑ 𝐹𝑦 = 0 → 𝐴𝑦 + 𝐵𝑦 − 2 ∗ 𝑊𝑠 − 𝑊𝑒 = 0 → 2 ∗ 𝐴𝑦 = 2 ∗ 𝑊𝑠 + 𝑊𝑒 → 𝐴𝑦 =

2 ∗ 𝑊𝑠 + 𝑊𝑒 2

→ 𝐴𝑦 =

187.208 [𝑁] 2

→ 𝐴𝑦 = 93.604[𝑁] Como 𝐴𝑦 = 𝐵𝑦, entonces, 𝐵𝑦 = 93.604[𝑁], y queda demostrado que la reacción del suelo en la base de la silleta, es igual a la mitad del peso total (𝑊𝑡 ).

Imagen 6.10 D.C.L Vista frontal estanque

52

Ecuaciones de equilibrio: ∑ 𝐹𝑥 = 0 ; 𝑛𝑜 ℎ𝑎𝑦 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛 𝑒𝑛 𝑥 ∑ 𝐹𝑦 = 0 ; (

𝑊𝑒 𝑊𝑒 + 𝑊𝑠) − 𝑊𝑠 − = 0; 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑖𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜. 2 2

Estudio del cuerpo por partes. Estanque Las silletas se encuentran fijas al estanque en los puntos A y B, por ende, tiene dos reacciones.

Imagen 6.11 D.C.L Estanque (vista lateral) Ecuaciones de equilibrio: +→ ∑ 𝐹𝑥 = 0 ; ∑ 𝑀𝐴 = 0 ;

𝐴𝑥 − 𝐵𝑥 = 0 → 𝐴𝑥 = 𝐵𝑥 −𝑊𝑒 ∗ 𝐿𝑠 + 𝐵𝑦 ∗ 2 ∗ 𝐿𝑠 = 0 → 𝐵𝑦 ∗ 2 ∗ 𝐿𝑠 = 𝑊𝑒 ∗ 𝐿𝑠 → 𝐵𝑦 =

𝑊𝑒 2

→ 𝐵𝑦 = 92.387,9[𝑁] +↑ ∑ 𝐹𝑦 = 0 ;

𝐴𝑦 + 𝐵𝑦 − 𝑊𝑒 = 0 → 𝐴𝑦 +

𝑊𝑒 𝑊𝑒 − 𝑊𝑒 = 0 → 𝐴𝑦 = 2 2 → 𝐴𝑦 = 92.387,9[𝑁]

Con esto queda demostrado que cada silleta soporta la mitad del peso del estanque cuando se encuentra a su capacidad máxima.

53

Imagen 6.12 D.C.L Silleta Ecuaciones de equilibrio:

+→ ∑ 𝐹𝑥 = 0 ; 𝑁𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑥 +↑ ∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑊𝑒 𝑊𝑒 ; ( + 𝑊𝑠) − − 𝑊𝑠 = 0; 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎. 2 2

Orejas 𝑇𝑐1 : 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑗𝑒𝑟𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑧𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑊𝑒𝑠 = 𝑊𝑐 + 2 ∗ 𝑊𝑝 = 84.356,6 [𝑁] ; Con 𝑊𝑐 : 𝑃eso del manto del estanque y 𝑊𝑝 : 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜. 𝑊𝑜 = 235,4[𝑁]: Peso de la oreja de izaje 𝐶𝑀𝑠 = 100 𝑚𝑚; Centro de masa de la oreja de izaje 𝐻𝑓 = 206 𝑚𝑚; 𝐶 + 𝐷 = 290 𝑚𝑚;

54

Imagen 6.13 D.C.L Orejas Ecuaciones de equilibrio:

+↑ ∑ 𝐹𝑦 = 0 ;

𝑇𝑐1 ∗ sin(45°) −

𝑊𝑒 𝑊𝑒𝑠 − 𝑊𝑜 = 0; → 𝑇𝑐1 ∗ sin(45°) = + 𝑊𝑜 4 4 → 𝑇𝑐1 =

21.089,15 + 235,4 sin(45°)

→ 𝑇𝑐1 = 30.157,5[𝑁]

+→ ∑ 𝐹𝑥 = 0 ;

𝑇𝑐1 ∗ cos(45°) − 𝑅𝑥1 = 0; → 𝑅𝑥1 = 𝑇𝑐1 ∗ cos(45°) → 𝑅𝑥1 = 30.157,5[𝑁] ∗ cos(45°) → 𝑅𝑥1 = 21.324,6 [𝑁]

55

Imagen 6.14 D.C.L Orejas Ecuaciones de equilibrio: +→ ∑ 𝐹𝑥 = 0 ; 𝑁𝑜 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑥 +↑ ∑ 𝐹𝑦 = 0 ;

𝑇𝑐1𝑦 − 𝑊𝑜 −

𝑊𝑒 = 0 → 21.324,6 − 235,4, −21.089,2 = 0 4 → 21.324,6 − 21.324,6 = 0

Reacciones en el interior del estanque: En el diagrama de cuerpo libre, se ve la acción de la presión del gas licuado en el interior de las paredes, esta presión se distribuye uniformemente en las paredes del interior del estanque y tiene la misma magnitud en cualquier punto. También se aprecia el peso del contenido que se dirige hacia abajo (representada como una fuerza distribuida).

Imagen 6.15 D.C.L interior del estanque 56

Imagen 6.16 D.C.L interior del estanque vista frontal

6.9 ESFUERZOS En el diseño del estanque es de suma importancia considerar los esfuerzos máximos a los cuales estará sometido. Éstos son de diferentes magnitudes, tipos y direcciones y dependen de diversos factores. Los esfuerzos se calculan en las condiciones más desfavorables con el objetivo de compararlos con el esfuerzo máximo permisible del material (𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 ). Debe cumplirse la siguiente relación: 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝜎𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 Para obtener el valor del esfuerzo máximo permisible es necesario conocer de antemano el factor de seguridad (𝐹𝑆) y el límite de fluencia (𝜎𝑓 ) o “sigma de fluencia” del acero a utilizar. La relación es: 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =

𝜎𝑓 𝐹𝑆

6.9.1 Factor de seguridad El valor del factor de seguridad considera distintos sub – factores que deben ser discutidos previamente (Propiedades del material, esfuerzo, geometría, análisis de falla y confiabilidad deseada) y se calcula por la multiplicación de todos ellos. Mientras mayor sea el conocimiento de los sub – factores, más cercano a 1 es el valor. Es decir, el esfuerzo máximo permisible se encontrará muy cercano al límite de fluencia del material. 𝐹𝑆 = 𝐹𝑆𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 ∗ 𝐹𝑆𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 ∗ 𝐹𝑆𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟í𝑎 ∗ 𝐹𝑆𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎 ∗ 𝐹𝑆𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 Los valores son obtenidos desde el texto guía (Ullman, 2010, pág. 405 y 406). Cada uno de ellos cumple con una definición. Los valores y la condición que cumplen se muestran a continuación:  

𝐹𝑆𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 1,1: Las propiedades del material se conocen desde un manual o son valores del fabricante. 𝐹𝑆𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 = 1,1: Las cargas están bien definidas como estáticas o dinámicas, no hay sobrecargas anticipadas o cargas de golpe, y un método preciso de análisis de esfuerzo ha sido usado. 57

 



𝐹𝑆𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟í𝑎 = 1,0: Las tolerancias de construcción son promedio. 𝐹𝑆𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎 = 1,1: El análisis de falla a ser usado es derivado del estado de esfuerzo, como un esfuerzo estático en una o varias direcciones, o esfuerzo de fatiga totalmente invertido en una dirección. 𝐹𝑆𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = 1,6 La confiabilidad debe ser alta, mayor o igual al 99%. 𝐹𝑆 = 1,1 ∗ 1,1 ∗ 1,0 ∗ 1,1 ∗ 1,6 = 2,1296

6.9.2 Esfuerzo máximo permisible Al inicio del capítulo, en la sección de la selección del material, se da a conocer el límite de fluencia del acero SA 516 Gr 70. Por lo tanto, el esfuerzo máximo permisible es: 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =

𝜎𝑓 260 = = 122,1[𝑀𝑃𝑎] 𝐹𝑆 2,1296

6.9.3 Cálculo de esfuerzos Los cálculos de esfuerzos se basan en lo mostrado en el Manual de Recipientes a presión 𝑅

(Megyesy, 1992) y se considera como recipiente de paredes delgadas, según la relación 𝑇 ≥ 10 donde R es el radio y T es el espesor del estanque. Dando como resultado 29,04 siendo mayor que 10. Es importante conocer:        

𝑆𝑛 : 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑄: 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 = 9.420 [𝐾𝑔] 𝑅𝑒 : 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 = 726 [𝑚𝑚] 𝑒: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑠𝑐𝑜 = 25 [𝑚𝑚] 𝐾𝑛 : 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 → 𝐾1 = 0,387; 𝐾2 = 1,022; 𝐾3 = 0,319; 𝐾4 = 0,722; 𝐾5 = 0,362; 𝐾6 = 0,045; 𝐾7 = 0,726; 𝐾8 = 0,689 𝜃: Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 = 130° 𝐿𝑎 : 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑙í𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 = 3.560 [𝑚𝑚] 𝐵: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑠𝑖𝑙𝑙𝑒𝑡𝑎 = 204 [𝑚𝑚]

Imagen 6.17 Bosquejo dimensiones

58

Por efecto de la presión interna se generan 2 tipos de esfuerzos, los cuales son: 1. Esfuerzos en la dirección circunferencial 𝜎𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 =

𝑃𝑑 𝑅𝑒 3,68[𝑀𝑃𝑎] 𝑥 726[𝑚𝑚] = = 106,8 [𝑀𝑃𝑎] 𝑒 25[𝑚𝑚]

2. Esfuerzos en la dirección longitudinal 𝜎𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 =

𝑃𝑑 𝑅𝑒 3,68[𝑀𝑃𝑎] 𝑥 726[𝑚𝑚] = = 53,4 [𝑀𝑃𝑎] 2𝑒 2 𝑥 25[𝑚𝑚]

CONDICIONES

ESFUERZO

Tabla 6.7 Esfuerzo flexionante longitudinal (Megyesy, 1992, pág. 86) EL ESFUERZO MÁXIMO SE PRESENTA

FÓRMULAS

RESULTADO

𝐿𝑎 𝐿𝑐 𝑄𝐿𝑎 (1 − 4𝑅𝑒 ) 1 + 3𝐿 𝑐 𝑆1 = 𝐾1 𝑅𝑒2 𝑒

Tracción 𝑆1 = 15,6[𝑀𝑝𝑎]

𝐿𝑎 𝐿𝑐 𝑄𝐿𝑎 (1 − 4𝑅𝑒 ) 1+ 3𝐿𝑐 𝑆1 = − 2 𝐾8 𝑅𝑒 𝑒

Compresión 𝑆1 = −8,8[𝑀𝑝𝑎]

CASCO SIN ATIESAR

FLEXIÓN LONGITUDINAL

1−

EN LAS SILLETAS

EN LA MITAD DEL CLARO

1−

𝑆1 = ±

𝑄𝐿𝑐 1 4𝐿𝑎 4𝑅𝑒 − 𝐿𝑐 ) 4 ( 1 + 3𝐿 𝑐

𝜋𝑅𝑒2 𝑒

Tracción 𝑆1 = 17,4[𝑀𝑝𝑎] Compresión 𝑆1 = −17,4[𝑀𝑝𝑎]

En el claro (punto medio entre las silletas) existen esfuerzos de tracción y compresión. Al verificar el esfuerzo por tracción del claro se debe cumplir que la suma de éste y el esfuerzo producido por el biogás licuado del interior no sea mayor que el esfuerzo máximo permisible. Entonces el esfuerzo total por tracción en el claro es: 𝑆1 + 𝜎𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 = 70,8 [𝑀𝑝𝑎] Al compararlo con el esfuerzo máximo permisible se da la relación 70,8 [𝑀𝑝𝑎] < 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 El esfuerzo por compresión es importante de ser considerado sólo para una relación entre el espesor del casco y el radio del caso menor o igual a 0,005 (Megyesy, 1992, pág. 87). En este 59

caso la compresión no es de importancia ya que el estanque se diseña para soportar presión interna. 𝑒 25 = = 0,034 > 0,005 𝑅𝑒 726 Con las relaciones anteriores se asegura que el material del estanque soportará los esfuerzos por flexión producidos por la posición de las silletas y la presión interna. En cuando a las silletas. Los esfuerzos por flexión son menores al esfuerzo máximo permisible. 15,6[𝑀𝑝𝑎] < 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 8,8[𝑀𝑝𝑎] < 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

CONDICIONES

EL ESFUERZO MÁXIMO SE PRESENTA

FÓRMULA

RESULTADO

Tracción 𝑆2 = 3[𝑀𝑝𝑎]

𝑅𝑒⁄ 2 SIN ATIESAR 𝐿𝑎 >

ESFUERZO CORTANTE TANGENCIAL

ESFUERZO

Tabla 6.8 Esfuerzo cortante tangencial

EN EL CASCO

𝑆2 =

𝐾2 𝑄 𝐿𝑐 − 2𝐿𝑎 ( ) 𝑅𝑒 𝑒 𝐿𝑐 + 4⁄ 𝑅𝑒 3

Compresión 𝑆2 = −3[𝑀𝑝𝑎]

Para estudiar en esfuerzo cortante tangencial en el casco hay que compararlo con el esfuerzo máximo permisible. El esfuerzo en el casco no puede ser mayor al 80% del esfuerzo máximo (Megyesy, 1992, pág. 86). 3[𝑀𝑝𝑎] < 0,8 𝑥 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 En este caso el esfuerzo máximo ocurre en el cuerno de la silleta.

60

CONDICIONES SIN ATIESAR (𝐿𝐶 ≥ 8𝑅𝑒 )

ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL

ESFUERZO

Tabla 6.9 Esfuerzo circunferencial EL ESFUERZO MÁXIMO SE PRESENTA EN EL CUERNO DE LA SILLETA EN LA PARTE INFERIOR DE LA SILLETA

FÓRMULAS

𝑆4 =

𝑄 4𝑒(𝐵 + 1,56√𝑅𝑒 𝑒)

𝑆5 =

RESULTADO

+

3𝐾6 𝑄 2𝑒 2

𝐾7 𝑄 𝑒(𝐵 + 1,56√𝑅𝑒 𝑒)

Tracción 𝑆4 = 2,3[𝑀𝑝𝑎] Compresión 𝑆4 = −2,3[𝑀𝑝𝑎] Tracción 𝑆5 = 6,5[𝑀𝑝𝑎] Compresión 𝑆5 = −6,5[𝑀𝑝𝑎]

El esfuerzo circunferencial en el cuerno de la silleta no debe ser mayor a 1,5 veces el esfuerzo máximo permisible (Megyesy, 1992, pág. 86). 2,3[𝑀𝑝𝑎] < 1,5 𝑥 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 Al considerar la parte inferior de la silleta, el esfuerzo calculado no debe ser mayor al 50% del esfuerzo de fluencia (Megyesy, 1992, pág. 86) 6,5[𝑀𝑝𝑎] < 0,5 𝑥 𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 Los esfuerzos calculados en los distintos puntos del estanque (Silletas y cilindro) se encuentran siempre por debajo del esfuerzo máximo permisible (𝜎𝑚á𝑥 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 ). A partir de esto, se afirma y respalda teóricamente la resistencia del estanque a los esfuerzos a los cuales es sometido.

6.10 ANÁLISIS La creación de un prototipo es una herramienta útil al momento de verificar el correcto funcionamiento del producto. Existen diversas alternativas para generar prototipos. Una alternativa económica y confiable es crear un modelo computacional. Esto permite analizar los componentes y el conjunto de objetos de una forma más práctica. Como se menciona al principio del capítulo, el software que se utiliza es el CREO Pro Engineering 3.0 en su versión Parametric. La construcción del prototipo virtual (Imagen 6.18) mediante este tipo de software permite analizar estáticamente los esfuerzos producidos en el estanque, así como también los desplazamientos, índice de falla, máximos y mínimos principales, entre otros. Estos resultados se comparan con los obtenidos anteriormente “en papel”. El software encargado del análisis 61

(CREO Pro Engineering 3.0 versión Simulate) genera una malla de tetraedros (Imagen 6.19) sobre el modelo computacional. Los tetraedros creados son de utilidad para generar nodos, en los cuales se generan ecuaciones de diverso orden que se resuelven mediante métodos iterativos.

Imagen 6.18 Modelo computacional El método de resolución se conoce como el método de elementos finitos. Este método genera una aproximación del resultado real. Mientras más pequeños sean los tetraedros, mayor es la convergencia a la solución real. Existen diversas formas de iterar ecuaciones en el software. Cada una de ellas utiliza distintos polinomios y pasos para calcular. La iteración más simple es el “Quick check” que utiliza polinomios de máximo tercer grado. El “Single-Pass” es un método un poco más acertado que emplea polinomios de orden entre 3 y 6. Finalmente, el método iterativo más acertado es el “Multi-Pass”, que utiliza ecuaciones hasta de orden 9, además repite el proceso 3 veces, generando más ecuaciones. Los criterios de falla más frecuentemente utilizados para el análisis son el de Tresca y Von misses. Tresca es más conservador y fácil de calcular con respecto a Von Misses, pero este último, es bastante más preciso. Por lo tanto, el método a utilizar es el criterio de falla Von Misses.

Análisis estanque completo Para analizar el estanque de biogás licuado, las silletas, placas de refuerzo y orejas de izaje, se utilizaron distintas densidades de malla en varios análisis. El primer análisis es del estanque como se muestra en la imagen 6.21. Para las silletas se utiliza un ancho de tetraedro de 25 mm y para los cilindros, cabezales y placas de refuerzo un ancho de 100 mm. En total, el análisis genera una cantidad de aproximadamente 140.000 tetraedros. Los resultados completos se encuentran adjuntos en el Anexo 6.1.

62

Imagen 6.19 Malla de tetraedros 100 y 25 mm El análisis debe parecerse lo más posible a la realidad, por lo que la presión interna del estanque, las características del material, la masa del biogás en el interior y las fijaciones deben ser ingresadas. Esto considerando la situación en la que el estanque esté sometido a la mayor cantidad de cargas. Además, para tener un análisis más realista, Los resultados se obtienen mediante el método de convergencia Multi-Pass con polinomios de grado 6.

Von Misses

Imagen 6.20 Análisis von Misses del estanque completo El esfuerzo von Misses mostrado en la Imagen 6.20, Tiene un valor máximo de 533 𝑀𝑝𝑎, este valor es alto en comparación con el límite de fluencia del material (260 𝑀𝑃𝑎), Pero al ver la imagen del estanque completo, se ve casi en su totalidad de color azul, es decir que el esfuerzo von Misses tendría un máximo de 106,6 𝑀𝑃𝑎. Al buscar dentro del modelo, se puede ver en la Imagen 6.21, que el esfuerzo Von Misses de 533 𝑀𝑃𝑎 se produce dentro de la silleta, en un cambio de brusco de sección, por ende, se concluye que es un punto singular, que en este caso se considera despreciable.

63

Imagen 6.21 Análisis von misses del estanque completo, punto singular.

Índice de falla

Imagen 6.22 Análisis índice de falla del estanque completo En la Imagen 6.22 se muestra el índice de falla, donde alcanza un máximo de 2, ocurriendo algo similar al esfuerzo Von Misses debido al punto singular ya expuesto. Por lo tanto, guiándonos por el color del estanque se concluye que el índice de falla bordea los 0,41. Al Calcular con la siguiente ecuación se puede obtener el índice de falla permisible: 1 = 𝐼. 𝐹 𝐹. 𝑆 El índice de falla máximo permisible restringido por nuestro factor de seguridad es de 0,47. Por lo tanto, el valor entregado por el software (0,41) es menor al máximo permisible. Por lo tanto, la estructura no falla.

𝐼. 𝐹.𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 ≤ 𝐼. 𝐹.𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 0,41 ≤ 0,47

64

Desplazamientos

Imagen 6.23 Análisis de desplazamientos del estanque completo En la Imagen 6.23 se puede apreciar el desplazamiento que es sometido el diseño al aplicarle sus cargas estáticas respectivas. Su valor máximo es de 1,72 mm en los cabezales. En las Imágenes 6.24, 6.25 y 6.26 se pueden apreciar los desplazamientos en los ejes x, y, z respectivamente. Se observa que en los parámetros entregados existen valores tanto positivos como negativos, esto representa el tipo de solicitación a que se somete tanto de tracción (positivo) como de compresión (negativo).

Imagen 6.24

Imagen 6.25

65

Imagen 6.26

DEFORMACIÓN (Strain)

Imagen 6.27 Análisis de deformación del estanque completo En la Imagen 6.27 se observa la deformación presente en el diseño, su valor máximo es de 0,002784 y se presenta en el punto singular expuesto anteriormente en la base de la silleta. Existen valores positivos y negativos representando deformación por tracción y compresión respectivamente, el valor máximo se considera despreciable ya que se ubica en un punto singular. En la estructura predomina el color azul, por lo tanto, la deformación es también significativa. Con respecto a los resultados entregados en este análisis, se observa que el estanque como conjunto, soporta la presión y las cargas a las cuales fue sometido.

Análisis silleta El segundo análisis fue realizado a las silletas, el soporte del estanque al suelo. El análisis fue un poco más minucioso que el anterior. En este caso la malla fue generada con elementos de 15 mm (Imagen 6.28) para tener una mayor aproximación del resultado con cerca de 83.000 elementos. Los resultados completos se encuentran adjuntos en el Anexo 6.2.

Imagen 6.28 Silleta malla 15 mm

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Von Misses

Imagen 6.29 Análisis de Von Misses de la silleta En la Imagen 6.29 se observa que el esfuerzo Von Misses tiene un valor máximo de 84,04 𝑀𝑃𝑎, por lo tanto, no falla, ya que el límite de fluencia del material es de 260 𝑀𝑃𝑎.

Índice de falla

Imagen 6.30 Análisis del índice de falla de la silleta En la Imagen 6.30 se observa que el índice de falla máximo es de 0,3232 , y el valor del índice de falla máximo permisible al igual que en el estaque completo es de 0,47 , por lo tanto, la estructura no debería presentar falla alguna.

67

Desplazamientos

Imagen 6.31 Análisis del índice de falla de la silleta En la imagen 6.31 se aprecia que el desplazamiento máximo representado de color rojo, es de 0,3 mm aproximadamente. En los desplazamientos con respecto a los ejes de coordenadas (X, Y, Z), existen valores negativos y positivos, como ya se explicó anteriormente se debe a la solicitación a la cual está sometida. Con los análisis anteriores podemos concluir que la silleta de la estructura, no presenta falla, además que los esfuerzos están dentro de parámetros confiables, por lo tanto, la silleta soporte del gas y el estanque al 100 % de su capacidad.

Análisis oreja de izaje El tercer análisis es sobre la oreja de izaje, con una malla de 15 mm (Imagen 6.32). Lo que genera una cantidad aproximada de 9000 elementos. Los resultados completos se encuentran adjuntos en el Anexo 6.3.

Imagen 6.32 Oreja de izaje malla de 15 mm 68

Von Misses

Imagen 6.33 Análisis Von Misses oreja de izaje En la imagen 6.33, se puede apreciar el esfuerzo Von Misses que tiene la oreja de izaje, cuyo máximo valor es de 30,0879 𝑀𝑃𝑎, el cual no se acerca al límite de fluencia, entonces la oreja al momento del izaje no debería presentar falla alguna.

Índice de falla

Imagen 6.34 Análisis índice de falla oreja de izaje

69

En la imagen 6.34 se observa que el valor máximo del índice de falla (0,1157) no supera el máximo permisible de 0,47 calculado anteriormente.

Desplazamientos

Imagen 6.35 Análisis desplazamientos de la oreja de izaje En la imagen 6.35 se observa la variación de los colores desde el azul hasta llegar al rojo, donde el mayor desplazamiento ocurre en la parte superior de la oreja. Este máximo valor corresponde a 0,02726 mm y con respecto al espesor de la oreja se considera despreciable. En la oreja de izaje a través de los análisis y cálculos realizados, se puede concluir que resiste el peso del estanque completamente vacío, ya que para su instalación, el estanque no debe contener gas en su interior, para tener una mayor maniobrabilidad y menor peso. Este se reparte entre las 4 orejas que cuelgan al estanque.

Conclusiones de los análisis -Los análisis que se realizaron en el software, que son una forma representativa de lo que realmente sucede dentro de la pieza (desplazamientos, esfuerzos, deformaciones). Al analizar el conjunto (estanque y silletas) los valores de esfuerzos máximos mostrados son mayores al esfuerzo máximo permisible. Lo que hace pesar que la estructura podría fallar. Sin embargo, esto se debe a los puntos singulares los cuales se forman por la convergencia de las aristas de los tetraedros, pertenecientes a la malla. -Al analizar cada pieza por separado, los esfuerzos máximos disminuyen, ya que al aumentar el número de polinomios y disminuir el tamaño de la malla se genera un análisis que converge más a la solución real. La gran diferencia entre los resultados del análisis de conjunto y de componentes es la existencia de un punto singular, que en el análisis de conjunto “dispara” el esfuerzo máximo sobre el límite de fluencia.

70

7 SOPORTE DEL PRODUCTO (Product Support) En esta última etapa, lo que se busca es establecer una buena comunicación con el usuario, entregando planos y detalles que permitan una información general, tanto de operación como de mantenimiento para una mejor fabricación y montaje. A continuación, se presentan consejos, especificaciones y normas para la correcta instalación y vida útil del estanque.

7.1 FABRICACIÓN Para la fabricación del estanque y sus componentes se utiliza el material mencionado en el capítulo anterior (SA 516 Gr.70). Este material al tener alto contenido de carbono, posee un alto límite de fluencia, lo que lo convierte en un material excelente para la fabricación de estanques a presión. Para la construcción del casco se utilizan placas curvadas de un espesor de 25 milímetros (tanto para el cilindro como los cabezales). La gran longitud del estanque requiere de la unión de varias placas, las cuales deben ser unidas con soldadura de arco manual, ya que es un proceso versátil y simple. Los electrodos recomendados, por INDURA© para la unión de las placas del estanque (SA 516 gr70) es la 6010, que permite una velocidad de depósito mayor y una aplicación más fácil, ejecutándola tanto dentro como fuera del estanque con un tipo de junta a tope (Megyesy, 1992, pág. 142). Tabla 7.1 Soldadura de tope sobre bordes rectos (o a escuadra) (bastidas, pag 63) Ilustración

Símbolo

En cuanto a la construcción de los otros componentes (Silletas, orejas de izaje, placas de refuerzo) se utilizan placas de distintos espesores (10 y 13 mm). Para soldar las piezas de las silletas y las orejas de izaje se utiliza la misma forma de soldadura mencionada anteriormente, con la diferencia de que en este caso el tipo de soldadura es de filete, como se muestra en la siguiente tabla: Tabla 7.2 Soldadura de cordón de filete (bastidas, pag 63) Ilustración

Símbolo

71

7.2 MONTAJE Para el montaje del estanque en el lugar deseado, se debe tener un radier de hormigón suficientemente grueso para poder soportar la masa del estanque a su capacidad máxima (Aproximadamente 20 toneladas). Al radier, se le deben anclar las dos silletas de la manera especificada anteriormente mediante pernos de anclaje. Se sugiere el siguiente perno Hilti©. Tabla 7.3 Perno sugerido Hilti HSL-3 M10/4011

Tamaño de anclaje Longitud de anclaje Profundidad de perforación Configuración de cabeza Aprobaciones / informes de prueba

M10 130 mm 90 mm Cabeza hexagonal. Actividad sísmica, BZS (choque), ETA, Fatiga, Fuego, Informe ICC-ES (concreto), VDS. Acero, galvanizado. Acero, galvanizado (mín. 5 µm), Perno: hacer, dureza grado 8.8, galvanizado (mín. 5 µm).

Protección frente a corrosión Composición del material

Cuando las silletas estén fijadas al suelo, el estanque con las orejas de izaje y las placas de refuerzo instaladas, debe ser colgado de los elementos de izaje por una o dos grúas (respetando la altura mostrada en el capítulo anterior). Las placas de refuerzo deben coincidir con las silletas respetando la posición con respecto al suelo. Ahí las placas de refuerzo se sueldan según la Tabla 6.2 a las silletas.

7.3 VIDA ÚTIL La vida útil del estanque es de 20 años. Esta se asegura con una buena calidad de soldadura, cumpliendo las normas al momento de soldar para que cumplan con el examen radiográfico completo. La corrosión no es un problema para la durabilidad, ya que como se calcula en el capítulo 5, el espesor incluye un margen de corrosión. En caso de que se requiera pintar el estanque, debe usarse una pintura para acero. La pintura no es determinante de la durabilidad de 20 años del estanque. Para evitar accidentes, el estanque no debe estar cercano a vías donde transiten vehículos que puedan impactarlo. Además, el estanque debe ubicarse cercano a la red de contención de incendios y siempre debe ser operado por personal capacitado.

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https://www.hilti.cl/sistemas-de-anclaje/anclajes-de-expansi%C3%B3n/371779

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8 CONCLUSIÓN Luego de finalizado el proyecto, las conclusiones grupales son las siguientes: 







 





Los métodos sugeridos por el texto guía (Ullman, 2010) en la primera parte para la identificación y asimilación del problema son de gran utilidad al momento de generar objetivos y tareas a realizar. Es decir, los métodos evitan la búsqueda de información en vano, las tareas extras y la pérdida de tiempo. En el método de planificación utilizado (Carta Gantt), la falta de experiencia en la realización de proyectos, genera que el cronograma no se apegue a la realidad. Muchas veces los tiempos asignados no son acordes a la realidad, produciendo épocas de relajo con tareas que toman menos del tiempo asignado y otras de estrés alto donde la actividad que debe ser realizada requiere de mayor tiempo que el otorgado. La descoordinación del cronograma provoca que las tareas futuras tengan menos tiempo para ser realizadas. La matriz QFD, del capítulo 4, es una herramienta útil para la recolección y canalización de información. El hecho de separar requerimientos del cliente de las especificaciones ingeniería crea una mejor visión de lo que debe hacerse y qué debe ser cumplido. La identificación de la competencia es un punto importante en la generación de esta matriz, donde el objetivo es superar los productos existentes. El concepto escogido para ser desarrollado, pasa por un proceso largo y minucioso. Donde primero, a partir de la identificación de los componentes y el diseño conceptual, se generan diversos conceptos. La matriz de Pugh es una muy útil herramienta al momento de decidir cuál concepto mejorar. La matriz reduce la ambigüedad y la posibilidad de que algún integrante ponga su concepto por sobre el de los otros, es decir elimina las subjetividades. A partir del concepto escogido, la fase de cálculos estáticos, es una forma muy práctica de aplicar los contenidos aprendidos en clases. El análisis computacional mediante CREO, otorga habilidades muy necesarias para la formación de un ingeniero civil mecánico, siendo esta una herramienta necesaria para un futuro como profesionales. Luego de pasar por todas las etapas del diseño mecánico sugeridas en el libro (Ullman, 2010) se puede concluir que el modelo de cascada como método de trabajo no se apega a la realidad. Ya que muchas veces una etapa debía ser replanteada luego de haber sido “terminada”. La realización de este proyecto, crea un impacto positivo en los integrantes del equipo. Mejorando habilidades en el desarrollo de un proyecto y la capacidad de trabajar en equipo. Los integrantes destacan los aprendizajes en el área de mecánica de sólidos, análisis computacional y la posibilidad de trabajar en un problema real. El sistema integra los contenidos aplicados en el proyecto de buena manera hacia el estudiante.

73

9 ANEXOS 9.1 ANEXO 1.1: Brainstorming: categorías factores principales

Brainstorming ¿Cuáles son las categorías que envuelven las causas del problema?  Seguridad  Economía  Gestión  Materiales  Mano de obra  Contexto  Medioambiente  Método  Contaminación  Maquinaria Tabla 8.1 Lluvia de ideas – Categorías Ishikawa

9.2 ANEXO 1.2: Brainstorming: factores secundarios

Brainstorming ¿Por qué se necesita un sistema de almacenamiento de Biogás?  Gas se libera al ambiente  Gas dañino para el ambiente  Gas inflamable  Demanda energética interna  Riesgo a la salud  Se está estudiando una canalización del gas  Se abaratan costos de energía  Para utilizarlo  Para cumplir con normativas ambientales  Por una alta producción de gas  Para generar una auto-sustentabilidad  Daña la capa de ozono  Puede ser comercializado  Existe una alta tendencia a la reducción de la huella de carbono  Riesgo de accidentes  Sirve como combustible  Existe una alta emisión

Tabla 8.2 Lluvia de ideas – Sub-categorías Ishikawa

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9.3 ANEXO 3.1: Tareas

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 06/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Descubrimiento del producto Objetivos: - Describir la necesidad de realizar este proyecto. - Generar un marco teórico del proyecto. - Definir factores que influyen en la realización del proyecto. Entregables:  Texto del informe que respalda la necesidad de realizar el proyecto.  Propuesta del producto  Análisis FODA  Análisis Pro-Con Decisiones necesarias:

Tarea 1

Decisión 1: Identificación de cuán relevante es la información para la justificación del proyecto. Decisión 2: Decisión de los datos más importantes dentro de la licitación IDI 30386975 Decisión 3: Estudio de los aspectos positivos y negativos de la realización del proyecto por parte de la empresa en conjunto con el grupo de trabajo. Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez Tiempo estimado: Horas totales: 40 horas Lapso de tiempo: 10 días Secuencia: Sucesora: Tarea n°2 Planificación del Proyecto Fecha de inicio: 06/04/2016 Fecha de término: 12/04/2016 Tabla 8.3 Tarea N°1 – Descubrimiento del producto 75

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 06/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Planificación del proyecto Objetivos: - Definir un plan de proyecto - Identificar las tareas y sub-tareas - Designar tiempos, personal y otros recursos necesarios Entregables: - Plan de Cascada en informe. - Plantilla de planificación - Carta Gantt Decisiones necesarias: Decisión 1: Visualización y análisis de planes de proyecto.

Tarea 2

Decisión 2: Elección de tareas y sub-tareas en base a las buenas prácticas. Decisión 3: Estimación del tiempo y personal para cada tarea y sub-tarea. Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez

Tiempo estimado: Horas totales: 20 horas Lapso de tiempo: 5 días Secuencia: Sucesora: Tarea N°3 Definición del producto Fecha de inicio: 12/04/2016 Fecha de término: 22/04/2016 Tabla 8.4 Tarea N°2 – Planificación del proyecto

76

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 7/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Definición del producto Objetivos: -

Entender el problema de diseño Identificar el consumidor Generar los requerimientos del consumidor Identificar y evaluar la competencia. Generar especificaciones de ingeniería Establecer objetivos de ingeniería

Entregables:

Tarea 3

- Encuesta - Generar matriz QFD Decisiones necesarias: - Creación de una encuesta para levantar requerimientos de los consumidores - Estudio de la competencia del producto - Relación de la información antes obtenida. Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez

Tiempo estimado: Horas totales: 36 Horas Lapso de tiempo: 9 días Secuencia: Sucesora: Diseño Conceptual Fecha de inicio: 25/04/2016 Fecha de término: 29/04/2016 Tabla 8.5 Tarea N°3 – Definición del producto 77

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 7/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Diseño conceptual Objetivos: - Generar conceptos - Evaluar conceptos Entregables:

Tarea 4

- Plantilla de ingeniería inversa - Diagrama de función y sub-función - Morfología - Planilla de evaluación de la disponibilidad tecnológica - Matriz de Pugh. Decisiones necesarias: - Descomposición del problema en términos de flujo de energía - Tormenta de ideas (BrainStorming) - Elección de los conceptos que se desarrollaran - Verificación de tecnologías disponibles - Comparación de resultados de la morfología en base a nuestros criterios Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez Tiempo estimado: Horas totales: 20 horas Lapso de tiempo: 5 días Secuencia: Sucesora: Desarrollo del producto Fecha de inicio: 02/05/2016 Fecha de término: 03/06/2016 Tabla 8.6 Tarea N°4 – Diseño Conceptual

78

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 8/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Desarrollo del producto Objetivos: - Establecer materiales y dimensiones para concepto de fase anterior. - Dibujar planos en CAD - Generar modelo computacional - Analizar resistencia y eficiencia del concepto computacionalmente Entregables:  Modelo computacional tridimensional y planos CAD  Especificaciones técnicas (Medidas, tolerancias, materiales) Decisiones necesarias: Decisión 1: Elección de materiales óptimos entre los disponibles en mercado.

Tarea 5

Decisión 2: Enfoque en las restricciones de tamaño, forma y relacionados. Decisión 3: Verificación de especificaciones técnicas en los planos y modelo. Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez Tiempo estimado: Horas totales: 100 horas Lapso de tiempo: 25 días Secuencia: Sucesora: Tarea n°6 Soporte del producto Fecha de inicio: 06/06/2016 Fecha de término: 24/06/2016 Tabla 8.7 Tarea N°5 – Desarrollo del producto

79

Planificación de Proyecto Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 7/04/2016

Nombre del producto propuesto: Sistema de almacenamiento de gas metano Nombre de la tarea: Soporte del producto Objetivos: -

Planos con sus despieces Finalizar informe entregando detalles para una buena realización del producto

Entregables:

Tarea 6

 

Planos del producto y despiece Proyecto final

Decisiones necesarias: Decisión 1: Analizar si los planos satisfacen las necesidades. Personal necesario: Título: Estudiantes de pregrado Ingeniería Civil Mecánica Integrantes del equipo: Joaquín Leal Cristhoffer Klocker Bastián Henríquez Tiempo estimado: Horas totales: 60 horas Lapso de tiempo: 15 días Tabla 8.8 Tarea N°6 – Soporte del producto

80

9.4 ANEXO 3.2: Carta Gantt

Tabla 8.9 Carta Gantt

81

9.5 ANEXO 4.1: Entrevistas a Clientes

Entrevista 1. Entrevistado: Cristóbal Cárdenas. Empresa: Voltari Ingeniería & Negocios. Sección 1: Problemática y administración – En esta sección se pretende recabar información con respecto a la perspectiva y necesidades de la empresa. 1. A grandes rasgos, desde el punto de vista del origen ¿Cuál es la problemática principal? Resp: La problemática principal es el venteo de Biogás al medioambiente. Hay un incumplimiento normativo. Hay un aporte significativo al calentamiento global. 2. ¿Por qué necesitan almacenar el gas? Resp: Porque si es una oportunidad generar un combustible, en vez de quemarlo, puede ser usado como un posible combustible de vehículo. 3. Cada empresa tiene requerimientos y normativas especiales ¿Existen requisitos o normativas de este tipo que debamos considerar? Resp: No hay normativas. Si les pediría que vieran todo lo que tiene que ver con seguridad y salud ocupacional para proyectos de este tipo. 4. ¿Existen normativas internas que regulen de alguna manera el uso, aprovechamiento o construcción del sistema de almacenamiento? Resp: No hay. 5. Suponiendo la necesidad de un compresor, un purificador, removedor de humedad o algún otro elemento de tratamiento para el gas ¿Requieren de personal especializado en el proceso de compresión y almacenamiento? Resp: Sí, se va a necesitar un profesional capacitado. Que tenga las competencias para realizar esa actividad. Hay presiones. Hay cosas que no cualquier operario las va a saber. 6. ¿Cuál será el uso del gas almacenado? Resp: Nosotros, para el trabajo de ustedes, lo tenemos pensado como un combustible. 7. De los usos mencionados anteriormente y si existe descargas programadas o continuas ¿Qué cantidad se ocupa/requiere diariamente? Resp: Yo pienso que hay que tener un stock de seguridad de un día. Que permita tener un día sin producción. Además, limitar el uso diario a la mitad de la capacidad. 8. ¿Puede describir detalladamente las descargas programadas/continuas? Resp: Depende de la mitad de la capacidad diaria. Si 10 m3 alcanzan para 10 vehículos sería para esos 10 vehículos y los llenados serían en base a la demanda de los vehículos en el día.

82

9. En caso de una alimentación mayor a la descarga ¿Qué planea hacer con el gas restante? Resp: Quemarlo con la chimenea. 10. Si desea almacenar el gas restante ¿Cuánto tiempo de almacenamiento se requiere? Resp: Tendríamos que ver en base a costos, ampliar un poco la cuota. Pensemos en 25 o 27 metros cúbicos. Es un volumen que se puede manejar por camiones. Podríamos poner dos camiones para sacar hasta 50 metros cúbicos, si tuviéramos otro modelo de negocio. 11. ¿Cuáles son las dimensiones del sistema de almacenamiento? Resp: Un tamaño adecuado para que almacene el biogás producido en una semana. 12. La mayoría de los productos requiere de mantención ¿Existe posibilidad de realizar mantención? ¿Qué vida útil espera del producto? Resp: Obvio que hay que hacer mantenimiento. Hay riesgo de inflamabilidad. Es gas licuado. Yo creo que es más seguro dejarlo licuado. Idealmente 20 años. Porque los proyectos de rellenos sanitarios y todo esto de manejo de residuos van en la línea de 20 años. 13. ¿Considera usted que en el diseño del sistema de almacenamiento debe incluirse formas de acceso o acercamiento? Por ejemplo: pasarelas, escaleras, etc. Resp: Sí, para el mantenimiento e inspección. 14. En caso de que exista alguna forma de acceso ¿Cuál es el número estimado de personas que accederán? Resp: Máximo 2 personas. Dijimos que íbamos a tener un operario y algún mantenedor. Eventualmente 3, pero la idea es para el operario y el mantenedor. 15. Con respecto a los materiales ¿Existen lugares específicos o formas específicas para adquirir los materiales? Resp: No, está abierto a su criterio. 16. ¿Desea agregar algún tipo de requerimiento específico a la fabricación del sistema? Resp: Sistema de control y alarma. Sensores. Electro-válvulas. 17. ¿Existen limitaciones geográficas con respecto al terreno? Resp: si, el área basal debe ser acotada Sección 2: Gas – A continuación, se presenta preguntas con respecto a la composición, la cantidad y las características del gas. 1. ¿Qué cantidad de gas se produce diariamente? Resp: Se producen 171 m3 de biogás por hora. 2. ¿Cuál es la composición del gas producido?

83

Resp: El gas se compone de un 50% de metano, el resto corresponde a SH4, CO2, etc. 3. ¿Cuál es la composición del gas a almacenar? Resp: El gas a almacenar es metano puro. 4. ¿Existe alguna inclinación al estado de almacenamiento? Ejemplo: Líquido o gaseoso Resp: líquido 5. ¿Por qué en ese estado? Resp: Porque el biogás en estado líquido ocupa menos espacio. Entonces es una buena alternativa para la reducción del tamaño. 6. ¿Qué consideraciones hay que tener en cuenta con respecto a la presión del biogás con respecto al sistema? Resp: Lo más importante es que el sistema debe soportar la presión ejercida por el biogás evitando algún peligro de fuga o de inflamación. Sección 3: Ingreso del gas al sistema – Aquí la información que se pretende adquirir es sobre la forma en la que ingresa el gas al sistema y la canalización. 1. ¿Cuántas entradas de gas se requieren? Resp: Para éste caso en particular se requiere de una sola entrada de gas al sistema de almacenamiento. 2. ¿Cuál es la presión de ingreso al sistema de almacenamiento? Resp: La presión que ingresa a éste medio es la presión atmosférica. 3. ¿Cuál es el diámetro y material de las tuberías de entrada? Resp: Con respecto al diámetro y material, es diseño netamente de ustedes, ya que la idea también es que aprendan a establecer parámetros los cuales les permitan reconocer que alternativa es más viable. Sección 4: Estructura y forma - En esta sección se busca recopilar información con respecto a forma, apariencia, posición y todo ámbito relacionado con el estanque. 1. Teniendo en cuenta el entorno visual y arquitectónico ¿Existen limitaciones visuales en el diseño del sistema de almacenamiento? Considere materiales, revestimiento, color, forma, etc. Resp: Como ya les dije anteriormente, tanto la forma, material, espesor, color, etc. Son parámetros de los cuales ustedes como equipo de trabajo deberán evaluar y decidir obviamente privilegiando la seguridad dentro de la empresa, por lo tanto, no existen limitaciones de éste tipo. 2. Sin considerar apariencia ¿Existe alguna inclinación hacia la posición o forma del sistema?

84

Resp: No, no tenemos ningún requisito de diseño estético; y en cuanto a la posición del sistema de almacenamiento va a depender directamente del diseño que presente su producto. 3. Suponiendo que el sistema pueda o no encontrarse en altura ¿Considera usted de importancia la altura con respecto al suelo del sistema? Resp: No, la verdad que la altura va a depender si el sistema está soterrado, anclado horizontal o verticalmente, etc. Prácticamente es decisión de ustedes, pero lo más relevante es que esté seguro, que no sea chocado y que sea visible. 4. En consideración al anclaje con el suelo ¿Cree usted que es importante un anclaje específico? Ejemplo: Radier de hormigón, pilares de concreto o fierro, etc. Resp: Si, un buen anclaje es primordial para la seguridad de un sistema, por lo tanto, las opciones son varias, ustedes deben de recabar información y decidir con qué tipo de soporte armaran su estructura. Algunos tipos más comunes y eficientes son, por ejemplo: los pernos hilti, empotramiento, pilares de concreto u hormigón, etc. 5. Si en un caso hipotético el sistema llega a su límite de almacenamiento ¿Cómo cree usted que debe ser el dispositivo de seguridad para liberar presión? Ejemplo: Electrónico, operador, etc. Resp: Bueno un regulador de presión es también bastante importante en términos de seguridad, por lo que una electroválvula o un sistema de sensores, serían muy útiles para evitar cualquier tipo de problema. Sección 5: Salida del gas al sistema – A continuación, se presentan preguntas relacionadas con el uso específico del gas desde el sistema, así como también la forma en que será descargado. 1. Considerando los medios de descarga del sistema ¿Cuantas salidas se requieren? Resp: Si va a ser para combustible yo creo con una basta, vamos a cargar vehículos de trabajo, va a ser para estación de servicio, una isla de tensión, digamos una maquina dos mangueras para que pueda cargar dos vehículos. 2. ¿Cómo es el sistema de descarga del gas desde el sistema de almacenamiento? Resp: Es una máquina que te pueda contabilizar lo que estas entregando al vehículo que estas cargando. Básicamente una estación de servicio. 3. ¿Cuál es el diámetro y material de las tuberías de descarga? Resp: Decisión de ustedes, en base a que terminamos en una manguera con una pistola para llenar el estanque de gas del vehículo, entonces ahí que ustedes vallan reduciendo los diámetros da lo mismo, pero es parte del diseño, no sé si ustedes van a diseñar esa parte solo lo van a dejar enunciado, piensen como cargan el gas natural. 4. Con respecto al sistema de descarga ¿Existen limitaciones o requerimientos? Por ejemplo: Posición de la salida con respecto al suelo, bomba de distribución, etc.

85

Resp: yo creo que podríamos tener la salida para cargar un camión y la otra a la altura de un centro de distribución de gas. Sección 6: Entorno – Lo que se busca en esta sección es comprender el entorno al que estará sometido el sistema. 1. ¿Qué superficie límite se puede usar para el sistema? Resp: Alrededor de 400 metros cuadrados un diseño de 20x20 2. ¿Cuáles son las características del entorno? Considere flujo vehicular, tránsito de personas, maquinaria cercana, vegetación importante, etc. Resp: Puro interno, pura maquinaria, vehículos propios. Muy poco tránsito de personas, maquinarias y de camiones basureros 1,5/hora aprox. Dentro del área establecida para el sistema de almacenamiento vamos a limitarlo como área de seguridad, autorización de circulación a solo personal autorizado. 3. ¿Cuáles son las características geográficas de la superficie? Ejemplo: Inclinación. Resp: si estuviera inclinado se empareja. Va a estar plano. 4. Considerando las condiciones climáticas y exposición del sistema a estas ¿Qué precauciones hay que considerar? Resp: Un techo para la estación de servicio, y no veo necesario que el gasómetro este revestido si va aislado

Entrevista 2. Entrevistado: Leonardo Cisterna. Organismo: Gobierno Regional de Los Ríos. Cargo: Profesional área de residuos sólidos, Gobierno Regional. Sección 1: Administración – Se consideran conceptos de gestión, presupuesto, fiscalización, etc. 1. En caso de que exista un plan que controle la emanación de gases al ambiente ¿En qué consiste a grandes rasgos? Resp: Consisten en quemar el biogás. Lograr la no emanación del biogás. Si el gas tiene la potencialidad de ser quemado se lleva al quemador. Si no es potencialmente “quemable” se pasa por un biofiltro. La idea siempre es quemarlo. 2. ¿Cuál es la importancia de proyectos que consideren la reducción en la emanación de gases al ambiente? Resp: No liberar gases de efecto invernadero 3. ¿Cuánto es aproximadamente el presupuesto de proyectos de este tipo? Resp: 43.000 Uf proyecto del biogás. Desde captación hasta la antorcha 86

4. ¿Existen fiscalizaciones o mantenciones programadas para proyectos de este tipo? Resp: Superintendencia de combustible. Combustibles gas o líquidos 5. En caso de que existan fiscalizaciones o mantenciones. Enfocándose en un sistema de almacenamiento de gas ¿En qué consistirían? Resp: Revisan el proyecto. Y aprueban el proyecto del ingeniero. Ellos aprueban un plan de mantención. 6. ¿Cuál es la vida útil esperada de un sistema de almacenamiento? Considere el tiempo en que se re-estudian proyectos de este tipo. Resp: 20 años. Cualquier proyecto de este tipo no se le puede dar una vida útil de más años. Luego se evalúa. 7. ¿Dónde pueden implementarse proyectos de disminución o aprovechamiento de Biogás? Resp: En rellenos sanitarios. El vertedero no tiene un manejo de biogás. La leche. Procesos de ganadería. Donde existan residuos orgánicos en situación anaeróbica. Sección 2: Seguridad – A continuación, se muestran preguntas enfocadas a la seguridad y la salud de las personas. Tanto en contacto directo o por alguna actividad relacionada. Tratando de prevenir posibles accidentes debidos a las características del gas. 1. ¿Cree usted que deba existir alguna restricción en cuanto a la cercanía del sistema de almacenamiento con edificios, áreas de trabajo, etc.? Resp: De seguro es parte de la normativa. NCh2369.Of2003 2. ¿Existen normativas o restricciones de seguridad que se deban considerar al momento de diseñar un sistema de almacenamiento de gas? Ya sean nacionales, regionales o del mismo vertedero. Es la misma cantidad de restricciones para todos los sistemas de almacenamiento. Todo está en normativa. Todo lo que tenga que ver con seguridad está normado. NCh2427.Of2004 3. En cuanto al estado de almacenamiento del gas (gaseoso o líquido) ¿Ve usted algún beneficio de seguridad en alguno de ellos? Resp: Si es líquido las presiones son más altas. Basándose en la norma ninguno debería ser más riesgoso que el otro. 4. ¿Qué regulación se debe considerar para el almacenamiento de gases o líquidos inflamables? Resp: NCh2427.Of2004 5. ¿Existen riesgos a la salud de las personas que estén en contacto con la emanación deliberada de Biogás al ambiente dentro del mismo Relleno Sanitario?

87

Resp: En general no hay. Molesta el olor. Nunca va a generar una cantidad de biogás para que cause alguna consecuencia. En caso de un contacto directo te puedes desmayar. Es básicamente lo mismo que con exposición a cualquier gas. 6. ¿Ve usted como un riesgo al entorno el almacenamiento de un gas inflamable posiblemente a altas presiones? Resp: No

Entrevista 3. Entrevistado: Pablo Díaz. Organismo: Gobierno Regional de Los Ríos. Cargo: Seremi de Energía, Gobierno Regional. Sección 1: Medioambiente - En esta sección, se pretende recabar información relacionada con la interacción entre el Biogás y el medioambiente. Ya sea por la liberación descontrolada de gases, por la utilización del gas o por tratamientos aplicados al gas. 1. ¿Qué tan importante es el impacto del Biogás en el medioambiente? Resp: Libera gases de efecto invernadero 2. ¿Cuáles son los principales factores de que el Biogás sea perjudicial al medioambiente? Resp: El calentamiento global, estos gases elevan la temperatura 3. En la región ¿Qué tan grande es la emanación de biogás al ambiente? Resp: No tengo el dato, haría que buscarlo e 4. Entre liberar a la atmósfera, incinerar o utilizar el gas como combustible ¿Qué alternativa es menos perjudicial para el medioambiente? Resp: Siempre utilizar el gas como combustible. Porque en el fondo lo que estamos haciendo es evitar que ocurra una emanación descontrolada de gas al ambiente. 5. ¿Existen normativas o restricciones ambientales que se deban considerar al momento de diseñar un sistema de almacenamiento de gas? Ya sean nacionales, regionales o del mismo vertedero. Resp: Ahí está el reglamento de la sec, que va a ordenar todo el tema de las instalaciones y almacenamiento. Sección 2: Energía – El potencial energético, sus usos y aplicaciones son abarcadas a continuación. 1. ¿Qué usos considera usted que son los mejores para el Biogás? Resp: siempre cuando hablamos de energías renovables, nos vamos inmediatamente a la generación de energía eléctrica. Entonces cuando se pregunta por qué usos son mejores tiene que

88

ver con el tipo de biogás, con el lugar donde este, algunas veces va a ser mucho mejor usarlo en generación eléctrica, y otras en procesos térmicos 2. ¿Cree usted que la producción de Biogás en el vertedero aumentará o disminuirá con el paso del tiempo? Resp: Más que lo que yo crea, este es un cálculo que hay que hacer noma. Va a depender de la cargar que tena ese vertedero, va a depender del manejo que se realice 3. ¿Cree usted que el uso del biogás aumente? Considere usos como combustible, calefacción, etc. Resp: Yo creo que de aquí a varios años más, solo va a ser una curva ascendente. 4. ¿Qué ventajas tiene el uso de Biogás en comparación con otros combustibles? Considere porcentajes de contaminación, eficiencia energética, etc. Resp: Cuando uno ocupa biogás, estamos desplazando el uso de otros combustibles que no son renovables, por lo tanto, la ventaja está en ir limpiando la matriz energética, e ir limpiando la cantidad emisiones que tenemos hacia el medioambiente 5. Considerando el proyecto y la información entregada anteriormente ¿Desea agregar algún detalle? Resp: Solo insistir en que tomen la información que les voy a enviar de la SEC, y la revisen. Y la reglamentación que ya existe 6. Como Gobierno Regional ¿Qué espera usted en la construcción y diseño de un sistema de almacenamiento de gas? Resp: Lo que yo espero de esto es que salga bien, y que sea un ejemplo de que energía es igual a innovación, Independiente de los efectos positivos que tiene sobre el ambiente, que también con esto podamos incorporar innovación dentro de lo que hacemos diariamente en energía

89

9.6 ANEXO 5.1: Ingeniería Inversa

INGENIERÍA INVERSA Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 29-04-2016

Producto descompuesto: Estanque 4m3 – Vapor Industrial Descripción: Estanque para gas licuado (GLP)

Cómo funciona: El GLP ingresa al estanque donde se mantiene a presión y volumen constante, el cual se almacena y protege durante un determinado tiempo, éste sistema además posee de válvulas tanto de ingreso, seguridad, salidas y un indicador de nivel, los cuales conllevan a un almacenamiento acorde a un gas de éstas características. Interacción con otros objetos: Parte #

Nombre de la parte

1

Estanque

2

Estructura soportante

Otro objeto

Flujo de energía

Flujo de información

Flujo de material

Gas

El gas ingresa al estanque y ejerce presión dentro.

Volumen de gas es proporcional a la presión dentro del estanque

Estanque contiene el gas en su interior

Estanque

Estructura soporta el peso del estanque y su contenido

Ninguno

Ninguno

Integrante del equipo: Bastián Henríquez

Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker

Integrante del equipo: Joaquín Leal

Tabla 8.11 Ingeniería inversa 1 – interacción con otros objetos.

90

INGENIERÍA INVERSA Organización de diseño: Grupo 5

Fecha: 29-04-2016

Producto descompuesto: Estanque 4m3 – Vapor Industrial Descripción: Estanque para gas licuado (GLP)

Cómo funciona: El GLP ingresa al estanque donde se mantiene a presión y volumen constante, el cual se almacena y protege durante un determinado tiempo, éste sistema además posee de válvulas tanto de ingreso, seguridad, salidas y un indicador de nivel, los cuales conllevan a un almacenamiento acorde a un gas de éstas características. Flujo de energía, información y material Parte #

Nombre de la parte

Parte interfaz #

Flujo de energía, información y material Piezas son soportadas en el estanque.

1

Estanque

A,B,C…

1

Estanque

Multiválvula

A

Indicador de nivel

Usuario

El usuario verifica el indicador para asegurarse que se encuentre en niveles adecuados

91

Imagen

F

Flotador

Gas

El gas mueve hacia arriba y abajo el flotador

B

Multiválvula

Gas

Multiválvula mantiene el nivel máximo de gas, liberando el exceso. Además puede incluir un medidor de presión (Barómetro)

C

Válvula vaciado

Gas

Esta válvula permite salir al gas dentro del estanque.

92

D

Válvula de seguridad

Gas

La presión del gas aumenta hasta el punto crítico y la válvula de seguridad libera gas hasta una presión segura

E

Válvula de llenado

Gas

La válvula permite el ingreso del gas licuado al estanque, a su vez, evita que el gas salga de éste.

Integrante del equipo: Bastián Henríquez Integrante del equipo: Cristhoffer Klocker Integrante del equipo: Joaquín Leal Tabla 8.12 Ingeniería inversa 2 – Flujo de energía, información y material.

93

9.7 ANEXO 5.2: Brainstorming: Conceptos para sub – funciones

Brainstorming ¿Qué objetos cumple las sub-funciones? 1. Perfiles de acero 2. Planchas de acero 3. Pernos 4. Soldadura 5. Hormigón 6. Aluminio 7. Remaches 8. Acero inoxidable 9. Anticorrosivo 10. Galvanizado 11. Soporte de válvulas 12. Tuercas 13. Ángulos de metal 14. Pletinas 15. Placas de acero 16. Barómetro 17. Medidor visual (transparente) 18. Sensores 19. Flotador 20. Alarmas electrónicas 21. Electroválvulas 22. Tapón 23. Llave electrónica 24. Llave manual 25. Sensor electrónico de presión 26. Sistema mecanizado 27. Control manual de sellado 28. Teflón 29. Extintor 30. Orificios 31. Llave corte 32. Mangueras 33. Válvula de ingreso 34. Válvula de salida 35. Balanza 36. Manómetro 37. Sistema de monitoreo remoto 38. Dispositivo de drenaje 39. Filtro 40. Contador de flujo 41. Regulador 42. Sistema de enfriamiento 43. Aislación térmica Tabla 8.13 Lluvia de ideas – Conceptos para sub – funciones. 94

9.8 ANEXO 5.4: Conceptos

CONCEPTOS Producto: Sistema almacenamiento biogás Nombre de la organización : Grupo 5

Sub-Función

Concepto 1

Concepto 2

Concepto 3

Soportar las cargas

Plancha acero inoxidable

Plancha de acero

Plancha acero inoxidable

orificio roscado

orificio roscado

orificio roscado

Soldadura

Soldadura

Soldadura

Perfiles rectangulares

Perfiles rectangulares

Radier de hormigón

Acoplar los componentes (Válvulas)

Evitar filtraciones

Soportar peso del estanque y el gas

95

Evitar desplazamientos

Pernos hilti

Pernos hilti

Soporte angular

Mostrar nivel de gas al interior del estanque

Sensor electrónico Indicador de nivel

Indicador de nivel

Evitar que el gas supere el máximo seguro de almacenamiento mientras se llena Manómetro

Multiválvula

Multiválvula

Sistema de enfriamiento

Válvula de seguridad

Válvula de seguridad

Válvula de llenado

Válvula de llenado

Válvula de llenado

Mantener una presión segura

Asegurar un llenado adecuado

96

Asegurar un vaciado adecuado

Válvula de vaciado

Bomba

Bomba

Integrantes del equipo: Bastián Henríquez - Cristhoffer Klocker - Joaquín Leal Tabla 8.14 Conceptos

97

9.9 ANEXO 6.1: status simulación del estanque completo Creo Simulate Structure Version P-20-70:spg Summary for Design Study "MallasDiferentes_100_25" Tue Aug 23, 2016 15:44:57 -----------------------------------------------------------Run Settings Memory allocation for block solver: 6750.0

Standard Design Study Static Analysis "MallasDiferentes_100_25": Convergence Method: Multiple-Pass Adaptive Plotting Grid: 4 Convergence Loop Log:

Parallel Processing Status Parallel task limit for current run: 4 Parallel task limit for current platform: 64 Number of processors detected automatically: 4 Checking the model before creating elements... These checks take into account the fact that AutoGEM will automatically create elements in volumes with material properties, on surfaces with shell properties, and on curves with beam section properties. The rotational component of a specified constraint will have no effect because the surface to which it is applied is not associated with any shells. Generate elements automatically. Checking the model after creating elements... The rotational component of a specified constraint will have no effect because the surface to which it is applied is not associated with any shells.No errors were found in the model. Creo Simulate Structure Model Summary Principal System of Units: millimeter Newton Second (mmNs) Length: mm Force: N Time: sec Temperature: C Model Type: Three Dimensional Points: Edges: Faces:

44295 225514 320512

Springs: Masses: Beams: Shells: Solids:

0 0 0 0 139291

(15:46:10)

>> Pass 1 > Pass 2 > Pass 3 > Pass 1 > Pass 2 > Pass 3 > Pass 4 > Pass 5 > Pass 1 > Pass 2 > Pass 3 > Pass 4