Informe de Practicas Diseño de Fermentadores Corregido

 

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Tabla Ta bla de contenido co ntenido   CAPITULO I ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ........................ ........ 3 1. GENERALIDADES ................ ................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 3 1.1 INTRODUC I NTRODUCCION CION  ................ ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ........................ ....... 3 1.2 OBJETIV OBJ ETIVOS OS ............... ................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ............... 4 1.2.1 OBJETIVOS GENERALES ...................................................................................... 4 1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................... 4 1.3 LA EMPRESA ............... ................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .............................. ............. 5 1.4 ORGANIGRAMA DE LA EMPRESA  EMPRESA  ................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 6  CAPITULO II ............... ................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ........................ ....... 7 2. MARCO TEORICO ................ ................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 7 2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Y MATERIAS PRIMAS PRIMAS.. ........................... ........................... 7 2.2 DESCRIPCION DE EQUIPOS BÁSICOS PARA LA ELABORACIÓN DE CERVEZA.. CERVEZA .. 10 2.2.1 MOLINO DE MALTA A RODILLOS RODILLOS.. ................................................................................ ............................................................................... 1 10 0 2.2.2 COCEDOR DE MOSTO/WHIRLPOOL ............................................................................ 10 2.2.3 MACERADOR ...................................................................................................................... ..................................................................................................................... 1 11 1 2.2.4 TANQUE DE AGUA CALIENTE........................................................................................ ........................................................................................ 11 11 2.2.5 TANQUE DE FERMENTACIÓN..................................................................... ........................................................................................ ................... 12 12 2.2.6 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ..................................................................................... 13 2.2.7 BOMBAS DE ACCIONAMIENTO ..................................................................................... 13 2.3 ACCESORIOS PRINCIPALES ................................................................................................ 14 2.3.1 CABEZAL DE LIMPIEZA .................................................................................................... ................................................................................................... 14 14 2.3.2 VÁLVULAS MARIPOSA ...............................................................................  ..................................................................................................... ...................... 1 14 4 2.3.2 MANÓMETROS ................................................................................................................... .................................................................................................................. 14 14 CAPITULO III ................. .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. .................................. .................... ...15 15 3. APLICACIÓN DE NORMAS PARA EL DISEÑO DE TANQUES ................. .................................. ....................... ......15 3.1 MATERIALES .....................................................................................................................  ............................................................................................................................. ........ 15 3.1.1 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS ..................................................................... .................................................................... 15 3.2 TANQUES DE FERMENTACIÓN ............................................................................................ ........................................................................................... 17 3.2.1 FERMENTACIÓN. ............................................................................................................... .............................................................................................................. 17 3.2.2 TIPOS DE TANQUES DE FERMENTACIÓN. ................................................................ 17 3.3 REFRIGERAC REFRIGERACIÓN IÓN (Dimp (Dimple le Jacket)  ......................................................................................  ...................................................................................... 18  18  3.4 PROCESO DE SOLDADURA TIG PARA ACEROS INOXIDABL ES ............... ...........................2 ............200 3.4.1 SOLDADURA EN POSICION PLANA .....................................................................21 3.4.1 SOLDADURA EN POSICION VERTICAL ...............................................................21 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

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CAPITULO IV ................. .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. .................................. .................... ...24 24  4. DISEÑO DEL TANQUE FERMENTADOR DE CERVEZA ..................................................24 .................................................. 24  4.1 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE FERMENTADOR ................ ................................. .............................2 ............244  4.1.1 VOLUMEN DE LA TAPA .........................................................................................25 4.1.2 VOLUMEN DE LA BASE ........................................................................................26 4.1.3 VOLUMEN DEL CUERPO ......................................................................................26 4.2 CALCULO DE LOS ESPESORES ............... ................................ ................................. .................................. ................................2 ..............288 4.2.1 CALCULO POR PRESIÓN INTERNA .....................................................................28 4.2.2 CALCULO POR PRESIÓN EXTERNA. ...................................................................32 4.3 CALCULO DEL ESPESOR DE CAMISA DE REFRIGERACIÓN. REFRIGERACIÓN . ................. ................................3 ...............355 4.4 CALCULO DE LAS COLUMNAS POR COMPRESIÓN. COMPRESIÓN ................ ................................. ................................3 ..............366 4.5 CALCULO DE LAS OREJAS DE IZAJE. IZAJE. ............... ................................ ................................. .................................. .....................42 ...42 4.6 CALCULO DE UNIONES SOLDADAS. SOLDADAS. ............... ................................ .................................. .................................. .......................43 ......43 4.6.1 SOLDADURA EN UNIONES DE PLANCHAS EN TANQUE ...................................43 4.6.2 SOLDADURA EN LAS OREJAS DE IZAJE ...........................................................45 4.7 DISEÑO DE PLANCHAS BASE ............... ................................ .................................. .................................. ................................. .................46 .46 4.7.1 DISEÑO POR CARGA AXIAL .................................................................................47 CONCLUCIONES ............... ................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ................................4 ..............499 RECOMENDACIONES ............... ............................... ................................. ................................. ................................. .................................. ........................ .......491 BIBLIOGRAFIA.. ................ BIBLIOGRAFIA ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................ ...............51 5122   ANEXOS ................ ................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ........................... ..........52 5233  .................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. .............................5 ............588  PLANOS .................

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CAPITULO I 1. GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCION De acuerdo a los requisitos exigidos para optar el grado de bachiller en la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, se realiza como parte de la curricular de estudio “Practicas Pre Profesionales II” cuya finalidad es poner en práctica los conocimientos

adquiridos durante la formación profesional. El presente informe se realizó con el fin de poder demostrar el desarrollo que se tuvo en el campo laboral en el periodo de prácticas realizadas, mostrar lo aprendido en campo real sobre el funcionamiento de los diferentes equipos mecánicos. Las practicas Pre-Profesionales II, se realizaron en la empresa CERVECERIAS CUSCO S.A.C. cuyo rubro es la elaboración de Cerveza.

En estas prácticas pre-profesionales hice el reconocimiento de todos los equipos así como también el análisis, desarrollo y fabricación de los elementos necesarios para la producción de cerveza como tanques de fermentación, ollas de cocción, sistemas de enfriamiento, instalación de tubería en general y lo necesario para la puesta en marcha de la planta. Todo el desarrollo de las prácticas y este informe, fue realizado por mi persona en su totalidad, durante el tiempo que duro las prácticas en la empresa Cervecerías Cusco .

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1.2 OBJETIVOS OBJ ETIVOS 1.2.1 OBJETIVOS GENERAL GENERALES ES    Diseñar un tanque de fermentación para Cerveza.



1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS   Utilizar la teoría existente sobre la fabricación de ta tanques nques a presión presión..



  Aplicar los códigos y normas de ffabricación abricación pa para ra tanq tanques ues ddee presion.



  Dimensionar y diseñar diseñar elementos de almacenamiento de cervez cervezaa



(fermentador).   Realizar los planos necesarios para la fabric fabricación ación de tanq tanques ues de fermentación.



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1.3 LA EMPRESA  

Nombre de la Empresa:



  Ruc: Dirección: 

 

CERVECERIAS CUSCO S.A.C. 20527294917 CALLE ROMERITOS MZA. J LOTE. 17 - SAN

JERONIMO

TIEMPO DE DURACION

El tiempo de duración de las prácticas pre-profesionales, en esta empresa fue alrededor de 3 meses, en el cual me desenvolví principalmente en las áreas de Trabajos Mecánicos y Producción.  

Periodo: Desde el 13 de Febrero hasta el 31 de Abril del 2018.

VISION DE LA EMPRESA

Ser líder en la producción de agua mineral natural en toda la región, cumpliendo los más altos estándares de calidad y sobre todo ofreciendo un producto netamente natural y con propiedades beneficiosas para la salud. Ser una empresa competitiva en el sector cervecero, brindando un producto de calidad hecho por manos cusqueñas, teniendo como meta ser la marca bandera en la Región del Cusco.

MISION DE LA EMPRESA

Ofrecer productos de calidad así como dar a conocer que se puede realizar procesos de producción con los más altos estándares acá en la región, brindando oportunidades de desarrollo e investigación sobre todo a la población local.

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1.4 ORGANIGRAMA DE LA EMPRESA

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CAPITULO II 2. MARCO TEORICO El proceso de fabricación de Cerveza artesanal va creciendo notablemente en nuestra ciudad así como en el país, país, con diversas microempresas dedicad dedicadas as a la fabricación de este producto. Su proceso demanda de una gran capacidad de conocimientos químicos, industriales y mecánicos para su elaboración en una escala mediana, así como de mano calificada en esta industria, existen diferentes procesos para cada tipo de cerveza diferentes unas de otras. A continuación describiremos un resumen del proceso de elaboración en la planta CERVECERIAS CUSCO SAC en la elaboración Cerveza Artesanal tipo Lager.

2.1 DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN GENE GENERAL RAL DEL PROCESO Y MATERIAS PRIMAS. El proceso general de elaboración de cerveza se compone de muchas etapas, todas ellas importantes y necesarias. Empieza con la recepción del grano (la malta) en sacos. La cebada malteada se muele previamente con el objetivo de romper el endospermo, causando el mínimo daño posible a la cascarilla. Por otro lado el agua que se utilizara en la producción de la cerveza es tratada mediante diferentes procedimientos. Después de la molienda, la harina resultante se macera en agua a temperaturas seleccionadas para liberar mediante la acción enzimática un extracto fermentable, que servirá de substrato a las levaduras en la fase de fermentación. El mosto se separa del bagazo durante la etapa de filtración del mosto. El mosto se lleva a ebullición junto con el lúpulo en la etapa conocida como cocción. Durante la etapa de cocción tienen lugar una serie de reacciones muy variadas y complejas, una de las cuales es la solubilización e isomerización de las sustancias amargas y aceites del lúpulo. Un grueso coagulo de materia proteínica precipitada se separa del mosto por efecto del calor. Este coagulo se UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

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conoce con el nombre de “turbios calientes”. El mosto se clarifica en una cuba conocida con el nombre de remolino o whirlpool, separando el precipitado proteínico proteínico.. Posteriormente se enfría el mosto hasta la temperatura de inoculación de la levadura, esta temperatura dependerá de la levadura empleada. El mosto pasa a la fase de fermentación donde la levadura se encargara de convertir los azucares fermentables en alcohol y CO2. Antes de consumirse todos los azucares la cerveza resultante de la fermentación pasa a los l os tanques de guarda, desde donde se iniciaran los procesos de clarificación, pasteurización y envasado. La cerveza es embotellada y etiquetada y está lista para su distribución.

El proceso de elaboración de la cerveza comprende cuatro fases principales:  

Primera ffase: ase: Maceración, empaste o bracea braceado. do.

 

Segunda fase: Cocción.   Tercera fase: Fermentación y maduración.  

Cuarta ffase: ase: Clari Clarificación, ficación, pasteurización y enva envasado. sado.

Es necesario indicar también los procesos previos y posteriores necesarios para llevar a cabo la elaboración de cerveza. Fases Fa ses pr evias:

 

Malteado   Tratamiento del agua. Fases Fa ses Posterior es:

 

Limpieza y desinfección.

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Diagrama de flujo para la elaboración de d e cerveza cerveza

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2.2 DESCRIPCI DESCRIPCION ON DE EQUIPOS EQUIPOS BÁSICOS PARA L A ELAB EL ABORACIÓN ORACIÓN DE CERVEZA. 2. 2.2. 2.1 1 Molino Molin o de malta a rodill rod illos. os. Molino de malta regulable, Capacidad 200 kg/hora. Compuesto por un bastidor con cajón y ruedas capacidad 120 kg de recepción de malta molida, molino a rodillos regulable, mecanismos de acople (poleas, correa), descarga de granos molidos, tolva de carga de granos de 8 kg, motor de acoplamiento de 3/4 HP  – 1400rpm La máquina del molino (Rodillos y bastidor de Rodillos) está construido en acero al carbono con ranurado que facilita la molienda. Los rodillos de 50 mm de diámetro están montados en el bastidor sobre bujes lubricados.

Figura 1 (Molino a rodillos Cervecer Cerv ecerías ías cusco

Consta de un rodillo motorizado por poleas y correa velocidad aproximada 250 rpm La regulación entre rodillos varía entre 1 a 5 mm (paso recomendado para malta 1.5 a 2 mm).

2.2. 2.2.2 2 Coce Cocedor dor de mosto/whirlp most o/whirlpool ool Recipiente cilíndrico vertical fabricado en acero inoxidable tipo AISI 304, de 3 mm de espesor, 1920 mm de diámetro 11.75 HLt. de capacidad de forma cilíndrica, pulido interior sanitario con válvula mariposa de 2” diámetro, tapa  de acero inoxidable. Su función principal es la del cocimiento de mosto con el agua, mediante un sistema tipo calentador periférico a gas, que se encuentra encamisado en la parte externa. Como se observa en la figura 2. 2.

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Figura 2 (Whirlpool – Cervecerías cusco)

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2.2.3 MACERADOR Recipiente cilíndrico vertical fabricado en acero inoxidable tipo 304, de 3 mm de espesor, 1970 mm de diámetro 8.91 HLt de capacidad cilíndrico con lecho filtrante de 3mm para favorecer el filtrado. Con válvula mariposa de 2” de diámet ro, tapa de acero inoxidable.

La extracción del afrecho (cascara de malta) se realiza por la parte inferior. El macerador aloja en su interior al falso fondo que actúa como tamiz de retención de granos durante el filtrado, es removible, está apoyado en el fondo de la olla por patas de 4 cm de altura. Figura 3.

Figura 3 (Macerador – Cervecerías cusco)

2.2.4 TANQUE DE AGUA CALIENTE CA LIENTE   Recipiente cilíndrico vertical fabricado en acero inoxidable tipo AISI 304, de 3 mm de espesor, 1970 mm de diámetro 70 HLt de capacidad cilíndrico. Con válvula mariposa de 2” de diámetro, tapa de acero inoxidable, termómetro de acero inoxidable de 0-120 ºC. Soldaduras efectuadas bajo atmósfera de gas argón, pasivadas y pulido sanitario. Camisa exterior con aislamiento de lana. Válvula de seguridad, llave de paso manual. Se encarga de proveer de agua caliente para el proceso de maceración. Figura 4. Figura 4 (Tanque para agua calienteCerveceríass cusco) Cervecería

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2.2.5 TANQUE DE FERMENTACIÓN Recipiente cilíndrico cónico vertical fabricado en acero inoxidable tipo AISI 304 de 1562 mm de diámetro x 3910 mm altura parte cilíndrica + cono 70°, 4 patas de acero al carbón A-36 y 2.5 mm espesor capacidad 41 HLt con tapa removible r emovible para limpieza, airlock, termómetro -10 a 50ºC, coplee de muestreo de producto en la parte inferior central, válvulas mariposa de 2” de diámetro para purga de levadura y válvula de 2” de diámetro para extracción de cerveza clarificada en el cono. Fondo cónico. El fermentador trabaja a presión CO2 Figura 5 (Tanque de fermentación 1 –  Cervecerías cusco)

inyectado por una válvula inferior. El sellado de la tapa se realiza por bridado con sello de goma y el cierre de la tapa con tornillos y tuercas mariposas.

La tapa bridada removible ocupa la cuarta parte del diámetro superior del fermentador para facilitar la limpieza con niple para conectar por clam la esfera de limpieza para sistema CIP. Soldaduras efectuadas bajo atmósfera de gas argón y pulido sanitario. Sistema de control de temperatura que consta de una camisa de acero inoxidable exterior por la que circula gas refrigerante para mantener la temperatura deseada. El control de temperatura lo realiza un termostato colocado en el cuerpo del fermentador, que opera una electroválvula electroválvula que habilita el ingreso de refrigerante a la camisa. Para mejorar la eficiencia térmica, los fermentadores están aislados exteriormente con poliuretano de 5 cm y revestidos exteriormente, nuevamente con chapa de acero inoxidable para su terminación.

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2.2.6 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN El sistema de enfriamiento se completa por un equipo de frio de 2 hp, usando como líquido refrigerante El R-22 o clorodifluoromet clorodifluorometano, ano, mediante una bomba de circulación, válvula solenoide de control de refrigerante en cada fermentador. El refrigerante circulara por 3 chaquetas tipo DIMPLE JACKET, distribuidas a lo largo del tanque fermentador y de los tanques de almacenamiento.

Figura 6 (Balón de líquido refrigerante)

2.2.7 BOMBAS DE ACCIONAMIENTO Todas las bombas tienen diferentes funciones para los diversos equipos antes mencionados, circulación de agua y mosto, refrigeración y limpieza interior de equipos. Todas las bombas son de potencia de 2HP, dispuestas de acuerdo a la acción que realizaran.

Figura 7 (Bombas radiales radiales para impulsión de mosto filtrado –  Cervecer Cerv ecerías ías cusco

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2.3 ACCESORIOS PRINCIPALES 2.3.1 CABEZAL DE LIMPIEZA

Para lavado de tanques por sistema CIP, Nº 28/50 .Esfera de acero inoxidable con fijación por clam de 50 mm de diámetro tipo T, con perforaciones en toda su superficie.

2.3.2 VÁLVULAS MARIPOSA Utilizadas para el control del fluido. Se encuentran dispuestos en todos los equipos para su funcionamiento.

2.3.2 MANÓMETROS Usados para medir los valores de presión con los que trabajan los equipos. Aparte de los accesorios mencionados, es necesario mencionar las válvulas de seguridad, termómetros, termo sensores, medidores de altura de líquido y una serie de accesorios para el funcionamiento seguro de los equipos.

Figura888 Figura Figura (Dederecha derechaaaaizquierda izquierda“CIP “CIPclean cleaninin inplace, place,válvulas válvulasmariposa, mariposa,manometro) manómetro)     (De derecha izquierda “CIP clean place, válvulas mariposa, manometro) (De

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CAPITULO III 3.  APL  APLICACIÓN ICACIÓN DE NORMAS NORMA S PAR PARA A EL DISEÑO DE TANQUES   En Perú, para el diseño y fabricación de calderas y recipientes sujetos a presión se ha adoptado el código ASME SECCION VIII, y se deben considerar los requerimientos de seguridad indicados en las normas Peruanas. El código ASME está compuesto por 12 secciones, para materiales, diseño, fabricación, inspección, pruebas, partes para el relevo de la presión (válvulas de seguridad) y certificación, para este informe solo nos basaremos en la fabricación de tanques y materiales. 3.1 MATERIALES

En la industria de fabricación de productos alimenticios, el material comúnmente usado es el acero inoxidable. Este tipo de material es preferido principalmente por sus propiedades anticorrosivas e inocuas cuando se van a fabricar y/o almacenar productos para consumo humano. Este tipo de material tiene diferentes tipos según su grado de aleación y de acuerdo a las necesidades de su uso, en la industria cervecera los aceros inoxidables austeniticos son los preferidos por sus característicass especiales para este uso. característica 3.1.1 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS

Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, integra las series 200 y 300 AISI. Su popularidad se debe a su excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión. Sus característic características as son las siguientes: Excelente resistencia a la corrosión Endurecidos por trabajo en frío y no por tratamiento térmico Excelente soldabilidad Excelente factor de higiene y limpieza Formado sencillo y de fácil transformación Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas. Son no magnéticos. Los Austeníticos se obtienen adicionando elementos formadores de austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno. El contenido de cromo generalmente varía del 16 al 26% y su contenido de carbono es del rango de 0.03 al 0.08%. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

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El cromo proporciona una resistencia a la oxidación en temperaturas aproximadas de 650º C en una variedad de ambientes. Dentro de todas las series la 304 será la elegida para el propósito de este informe y con la cual se realizaran r ealizaran los cálculos para el diseño del tanque fermentador. Serie  – 304:  Para todo propósito, tiene propiedades adecuadas para gran cantidad

de aplicaciones. Se recomienda para construcciones ligeras soldadas que requieran buena resistencia a la corrosión. Tiene buen desempeño en temperaturas elevadas (800 a 900º C) y buenas propiedades mecánicas. Es recomendable cuando se requiera soldar altos espesores de material. Algunas aplicaciones son equipo químico de proceso, accesorios para aviones, remaches, tanques, equipo para hospitales, etc.

Figura 9

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3.2 TANQUES DE FERMENTACIÓN 3.2.1 FERMENTACIÓN.

La fermentación es un proceso catabólico proceso catabólico de de oxidación  oxidación incompleta, que no requiere oxígeno, y cuyo producto final es un compuesto orgánico. Según los productos finales, existen diversos tipos de fermentación según el producto que se desea obtener. 3.2.2 TIPOS DE TANQUES DE FERMENTACIÓN. 

Para la elaboración de cerveza semi industrial, se cuenta con varios tipos de acuerdo al volumen y las propiedades que se desean de la cerveza. El proceso industrial requiere mejorar el producto para obtener la mejor calidad en el menor tiempo, actualmente los tanques de fermentación vienen provistos de sistemas de intercambio de calor, en sus diferentes tipos, se pueden mencionar varios pero solo daremos realce al sistema con el que trabajaremos. Nuestro fermentador será del tipo cilindro cónico, con tapa toriesferica, refrigerado mediante vapor refrigerante mediante chaquetas tipo Dimple Jacket, dispuestas según el requerimiento.

Figura 10 Tanque de fermentación fabricado en Cervecerías Cusco

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La “figura 11” muestra los tipos de tanques más usados en su configuración de tapa y base.

Figura 11 Tipos más usado de tanques de fermentación

3.3 REFRI REFRIGERACIÓN GERACIÓN (Dimp le Jack Jacket) et)

Este sistema de enfriamiento será fabricado a partir de una bobina de acero inoxidable 304. El sistema Dimple Jacket consiste en formar una segunda capa sobre el manto del tanque como se puede apreciar en la figura 12, donde se muestra una instalación

tradicional

de

una

chaqueta por cada sección que conforma el tanque cilíndrico.

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Figura 12 “Chaqueta fabricada en Cervecerias Cusco” 

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Cada Dimple Jacket contara con dos boquillas de 1/2 1 /2 pulgada de diámetro, fabricadas del mismo tipo de acero de la chaqueta, una es para la entrada y otra para la salida por donde circula el líquido refrigerante, siendo alimentado mediante el sistema de impulsión seleccionado previamente. Este diseño se elabora mediante una Plegadora con una matriz especial se le elaboran unos “botones cónicos” por toda la superficie, distribuidos uniformemente con una separación de 65[mm] entre ejes, quienes ayudan a aumentar la turbulencia dentro de esta y así incrementar la eficiencia en la l a transferencia de calor. La chaqueta va soldada con una costura continua por todo su perímetro directamente al cilindro, y estos “botones” van con soldadura de punto direct amente adheridos al

manto del tanque, la que se puede desarrollar mediante soldadura tipo (TIG “ tungsten inert gas”). Diferentes tipos de opciones se muestran en la siguiente figura.

Figura 13 (Diferentes configuración de instalación Dimple Jacket)

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3.4 PROC PROCESO ESO D DE E SOLDADURA TIG PARA A ACEROS CEROS INOXI INOXIDAB DABLES LES

Los aceros inoxidables han sido clasificados, desde el punto de vista metalúrgico en tres tipos básicos, a saber: Martensítico, Ferrít Ferrítico ico y Austenítico; estas clasificaciones se refieren principalmente a la estructura granular de los aceros. La estructura martensítica es dura y quebradiza, la ferrítica es blanda y dúctil, en cambio la austenítica es resistente a los esfuerzos e impactos y al mismo tiempo dúctil. Debido a la gran variedad de aceros inoxidables existentes y lo delicado y de alto costo que tienen normalmente estos trabajos de soldadura se debe tener especial cuidado en la selección de los electrodos.

Figura 14 Proceso de soldadura TIG

El calor necesario para soldar TIG, se produce mediante un arco eléctrico manteniendo entre el electrodo no consumible y la pieza por soldar. El electrodo usado para llevar la corriente es una varilla de tungsteno, o una aleación del mismo, así como también puede ser grafito, lo que no es usual. El metal fundido y el electrodo están protegidos contra el efecto pernicioso del oxígeno y nitrógeno por una atmósfera de gas inerte alimentado a través del porta electrodo. La soldadura se práctica aplicando el calor del arco hasta que los bordes de las juntas por soldar estén fundidos. El baño de metal, antes de solidificarse, juntas las partes entre sí. Este proceso puede ser aplicado en forma manual o automática, usando o no metal de aporte. Para establecer el arco generalmente se acerca la punta del electrodo al trabajo sin tocar este y luego se retira r etira dejando una corta distancia.

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PREPARACION: Al soldar de tope planchas de espesor inferior a 3/16" no se requiere

más preparación que el corte de guillotina. Una separación igual a la mitad de su espesor se debe dejar entre las planchas a soldar. En espesores mayores de 3/16" se deben achaflanar los bordes a soldar. 3.4.1 SOLDADURA EN POSICION POSICION PLANA

En uniones de tope se debe elegir una corriente suficientemente alta para asegurar una buena penetración. Cuando se requieren varios pases para una soldadura hacer un mayor número de pases con cordones pequeños para evitar las deformaciones producidas por exceso de temperatura. Mantener un arco relativamente corto y limitar las oscilaciones a 2.½ veces el diámetro del electrodo. Es recomendable mantener el electrodo vertical. Una ligera inclinación en el sentido del avance se recomienda en diámetros pequeños. Para mejores resultados, la oscilación que se emplee debe ser en forma de “U”.

3.4.1 SOLDADURA EN POSICION VERTICAL  

En esta posición se debe preferir un avance ascendente, con un amperaje lo más cercano posible al límite indicado por la tabla para el diámetro correspondiente de electrodo. No se recomienda oscilar el electrodo, sino con un movimiento en forma de “V”, cuyo vértice estará en la raíz de la unión. Se le debe mantener un instante en

este punto para asegurar una penetración adecuada y llevar la escoria a la superficie. El arco se lleva entonces aproximadamente 1/8" hacia un lado, volviendo inmediatamente a la raíz y después de la detención momentánea, se repite la operación hacia el otro lado. En la soldadura de filete vertical el electrodo se debe inclinar hacia abajo, en forma de mantener el extremo del arco ligeramente más alto y el movimiento oscilatorio debe pasar rápido por el centro del depósito. El uso del metal de aporte es optativo dependiendo del grado de deformaciones debido al plegado, usando material de aporte para llenar los espacios demasiado holgados en la unión de las planchas. A continuación se presenta una tabla con recomendaciones del calibre de aporte que se necesita según el espesor de plancha.

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Tabla 1

La eficiencia de las soldaduras está mostrada en la Figura 15, en ella se dan los diferentes valores de la eficiencia eficienci a (E) (E) que debemos usar en los cálculos de acuerdo con el tipo de unión. Antes de aplicar cualquier soldadura, en recipientes a presión, debemos preparar un Procedimiento de Soldadura para cada caso en particular, el cual nos indica la preparación, diámetro del electrodo, etc., para cada tipo y espesor de material. Debemos también hacer pruebas a los soldadores para asegurarnos que la soldadura será aplicada por personal debidamente calificado. Estas pruebas y procedimientos deberán apegarse estrictamente a las recomendaciones hechas por el Código A.S A.S.M .M.E .E., ., S Sección ección IX " We Weldi lding ng and Br Braz azing ing Qualificatio ns."  El material de aporte, de la soldadura, deberá ser compatible con el material base a soldar

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Debemos tratar de evitar los cruces de dos o más cordones de soldadura. La distancia mínima entre dos cordones paralelos será de 5 veces el espesor de la placa, sin embargo, cuando sea inevitable el cruce de dos cordones, el Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, nos recomienda radiografiar una distancia mínima de 102

milímetros a cada lado de la intersección.

Figura 15 Tabla de eficiencia en soldadura según el tipo

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CAPITULO IV 4. DISEÑO DEL TANQUE FERMENTADOR DE CERVEZA 4.1 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE FERMENTADOR  

Para el dimensionamiento del tanque fermentador, se tiene previsto que el volumen de producción por cocimiento será de:

Los tanques de fermentación requieren que su volumen exceda al menos un 20% del volumen a producir, debido a que para el proceso se debe mantener el tanque presionado de CO2 a 2 bar. de presión y a la formación de espuma debido a la fermentación del mosto. Por lo que el volumen del tanque fermentador debe ser:

El fermentador será cilindro -cónico, como los fermentadores que se utilizan en la industria de la Cerveza, para ello se calculan, las dimensiones de las 3 partes fundamentales del fermentador. La tapa 

Se recomiendan los tipos elipsoidales y torisfericas, debido a la mejor distribución de presión que ofrecen, utilizaremos una tapa tipo torisferica. El cuerpo

Sera cilíndrica según modelos tradicionales. La base

Los ángulos recomendados están entre 65° y 75°, para la facilitar la evacuación de sedimentos. Para nuestro tanque utilizaremos una base cónica con un Angulo de 70°.

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Figura 16 (Partes principales del tanque)

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Además los fermentadores guardan una relación entre 1:2 y 1:3, respecto al diámetro con la altura, para nuestro caso seleccionaremos una relación de 1:25. d : Diámetro del fermentador. H : Altura del fermentado fermentador. r.

4.1.1 VOLUMEN DE LA TAPA

Para facilitar cálculos de integración, vamos a aproximar el volumen de la tapa Torisferica, al de la mitad de un Elipsoide puesto que ya se tienen las fórmulas para calcular sus dimensiones. Una vez obtenida la altura total de fermentador recalcularemos las dimensiones para nuestra tapa Torisferica.

d : diámetro de

El volumen de la tapa será la mitad de un elipsoide.

Donde:

Reemplazando valores:

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4.1.2 VOLUMEN VOLUMEN DE LA B BASE ASE

El volumen de la base será igual al volumen del cono con las dimensiones mostrad mostradas: as:

=

Figura 17 (Angulo de distribución de la base)

Puesto que el cono tiene un Angulo de 70°, nos basamos en las razones trigonométricas para: = Por tanto el volumen de la base será:

4.1.3 VOLUMEN DEL CUERPO

El volumen del cuerpo será cilíndrico por lo que se tiene: = Pero: =

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Sustituyendo valores conocidos en función de ( d ): = Para minimizar trabajos y reducir costos vamos a tomar una altura de cilindro de 2.4 m. Ya que las planchas en acero inoxidable tienen un medida estándar de 1200x2400mm.

=

Reemplazando "d" en las ecuaciones anteriores tenemos:

Para comprobar si las dimensiones son las correctas debemos comprobar que el volumen de las 3 partes del tanque fermentad fermentador, or, debe ser como mínimo 4.92 m3

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Con lo que el tanque fermentador quedarí quedaríaa con las siguientes dimensiones.

Figura 18 (Dimensiones calculadas para el tanque)

4.2 CALCULO DE LOS ESPESORES 4.2.1 CALCULO POR PRESIÓN INTERNA

Según el código ASME Sección VIII, para el cálculo de espesores de tanques sometidos a presión interna, todas las variables deben ir referidas a dimensiones interiores. Es necesario calcular las dimensiones de todas las zonas (Tapa, cuerpo y base). Este cálculo se realiza aplicando las fórmulas que aparecen en el código ASME.

Tapas Ta pas Torisfericas Torisf ericas

Cue Cuerpo rpo Cilíndrico Cilíndri co

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Base Cónica

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Donde:

t1, t2 y t3: Espesores de la tapa, cuerpo y base respectivament respectivamentee (mm). P: Presión de diseño (N/mm2). L: Radio de abombado de la tapa (mm). Ver anexo 1.  M: Valor obtenido de tabla 2 con (L/r) r: Radio de esquina de la tapa. D: Diámetro del tanque. R: Radio del ttanque anque (mm) S: Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a temperatura de diseño. Para el Acero iinox. nox. 304. E: Eficiencia de la soldadura soldadura en función del tipo ddee junta. (Anexo 4).  : Angulo de base de cono dividido entre 2. C.A: Margen de corrosión normalmente 3.16mm para aceros al carbono. Para nuestro calculo en acero inox. 304 y con aislamiento externo de poliuretano tomaremos 2 mm como margen de corrosión.

Primero calculamos la presión de diseño, según las condiciones siguientes. Esta se calcula a partir de la presión de operación Po. y/o 2.07 N/mm2

P=1.1Po

y/o 2.07 N/mm2

P=Po + 30 psi y/o 0.207N/mm2

La presión de operación es la presión del fermentador, y esta será la presión que genere la columna de líquido en el interior del tanque más la presión que genere el CO2 dentro del tanque.

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La presión del CO2 viene dada por el tipo de cerveza que se va realizar, en este caso la cerveza se debe presionar con 1.7bar y mantenerse en una temperatura de entre 1 y -1 grado centígrado.

Respecto a la presión del lílíquido quido esta ccorresponde: orresponde:

Densidad d e la cerveza. cerveza.

Según la figura 1, tomaremos una altura de 3515 mm, como una altura conservadora respecto al volumen del líquido que es menor.

Obtenemos:

De las condiciones anteriores tenemos que la presión de diseño queda.

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Para el cálculo del valor de M utilizamos:

Figura 19 (Dimensiones de valores L, r del tanque)

Tabla 2

Obtenemos:

Espesor de la tapa:

Espesor del cuerpo cilíndrico: Espesor de la base:

Para homogenizar material elegimos un espesor para todo el tanque de:

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4.2.2 CALCULO POR PRESIÓN EXTERNA.

El tipo de refrigeración r efrigeración que se va utilizar en el fermentador será del tipo Jimple Jacket, para lo cual se utilizara chaquetas distribuida distribuidass ver la "figura 12". Según la necesidad de mantener la temperatura temperatura en el tanque ferm fermentador entador entre 1°C y -1°C, mediante un cálculo de transferencia de calor, se eligió el tipo de refrigeración forzada, en la cual se utilizara como líquido refrigerante el R-22 (clorodifluorometano), que por sus propiedades y poco grado de toxicidad es una opción segura y económica. La siguiente figura muestra su presión de trabajo de acuerdo a la temperatura que se desea mantener.

Figura 20 (Grafica de presiones R-22 según su temperatura de trabajo)

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La presión debida al refrigerante

actúa como presión

externa que genera compresión en el tanque, la presión resultante externa será la diferencia entre la presión generada por el refrigerante y la presión interna de operación del tanque

.

Figura 21 (Fuerzas actuantes según distribución de chaquetas)

La parte más crítica, es el cuerpo cilíndrico del tanque donde actúan dos chaquetas de refrigeración. Por tanto asiendo sumatoria de presiones obtenemos la presión externa resultante.

Según el código ASME en su sección UG-28, Para el cálculo por presión externa necesitamos los siguientes parámetros necesarios: t: Espesor del tanque (mm). Pa: Presión máxima admisible (N/mm2). L: Distancia máxima entre chaquetas (mm). Ver anexo 5  A: Factor obtenido de la " figura 22 22""   con (L/Do) y (Do/t) L/Do=0.14 y Do/t=316.4 B: Factor obtenido de la " figura 23 23""   Do: Diámetro exterior del tanque. E: de elasticidad del material. Para condiciones de temperaturas de trabajo de Modulo -20 a 200°F

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Figura 22 (Código ASME) Grafica geométrica para recipientes cilíndricos

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Figura 23 (Código ASME) Los valores de la gráfica son aplicables cuando se fabrique el reci iente con acer acero o austenitic austenitico o 18Cr – 8Ni – Ti  Ti o 304 .

Se elige la línea superior inmediata.

Cuando el valor de "A" se encuentra a la derecha de la línea de interacción de la figura 23 se utiliza:

Presión máxima 

Presión máxima externa

Como:

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Cumple.

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4.3 CALCULO DEL ESPESOR DE CAMISA DE REFRIGERACIÓN. 

Para el cálculo del espesor de plancha para la camisa de refrigeración, haremos uso de la siguiente formula brindada por la ASME para camisas de refrigeración tipo Dimple Jacket:

Donde: t: Espesor Espesor mínimo de planch plancha a para chaqueta de refrigeración(mm) P: Presión de diseño interno (6bar) p: Paso máximo entre líneas de soldadura por puntos adyacentes.

Figura 24 (Distancias recomendadas para puntos de soldadura En chaquetas tipo Dimple Jacket)

S: Tensión máxima admisible del material C.A: Margen de corrosión.

El espesor de la chaqueta será de 3mm.

4.4 CALCULO DE L AS COLUMNAS POR COMPRESIÓN. COMPRESIÓN.

Las columnas de sujeción para el tanque se calcularan por compresión según la carga que van a soportar, serán de perfil redondo y material A-36, su longitud será:

Longitud de la columna

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Peso de accesorio Peso accesorios: s:  Los pesos se midieron en obra y tienen valores aproximados de:

Peso del material del tanque:   El peso peso lo ccalcularemos alcularemos seg según ún el área total del

tanque fermentador, esta se obtiene con las dimensiones ya calculadas anteriormente.

Las planchas de acero inox 304 de 1200x2400x5mm, según catalogo (anexo 2)  pesa:

Por tanto:

Peso Pe so de las chaquetas de refrigeració refrigeración: n:  De similar manera obtenemos el peso de

las chaquetas:

Para planchas inox de 1200x2400x 1200x2400x3mm 3mm (Ve (Verr anexo 2) 

Por tanto:

Peso del líquido :  Para el cálculo del peso debemos tener en cuenta la capacidad

del tanque y para este caso la densidad de la cerveza que se va fermentar.

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Peso por mantenimiento:   Es el peso aproximado para acciones de limpieza e

inspección del tanque.

Peso de soldadura:  Todo el tanque fue enteramente construido por soldadura TIG,

para lo cual se utilizó material de aporte del mismo material.

Peso Pe so por aislami aislamiento ento : Una vez montado el tanque, requerirá para un funcionamiento

eficiente ser aislado, para lo cual se prevee que se utilizara un aproximado de 50mm de POLIURETANO, forradas por planchas inox de 0.5mm de espesor en todo el tanque, por lo que se tiene. (Ver anexo 3) 

El volumen ocupado por el Poliuretano será:

Las planchas para su sujeción de dimensiones 1200x2400x0.5mm, según catalogo (Anexo 2) pesa 11.91 Kg:

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Por tanto:

El peso total que soportaran las columnas será:

Características Característic as del perfil a utilizar: Tubo redon do A-3 A-36 6 de 3 1/ 1/2" 2" x 2.5mm 

Tabla 3 (Propiedades geométricas de perfiles circulares)

Características del acero:

Acero ASTM A36 Tensión cedente Módulo elástico del acero

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Determi De terminación nación de las pro propiedades piedades geométricas de la columna colum na a analiza analizar: r:

rea gruesa de la Sección

Momento de Inercia de la Sección Gruesa con respecto a su eje fuerte:

Radio de giro de la sección con respecto al eje x:

Factor de Longitud Efectiva: Para nuestro caso tiene un extremo empotrado y el otro con desplazamiento libre.

Tabla 4 (Factores K según la carga que soportan)

Asumimos este factor por el tipo de carga a la que está sometida. Esbeltez Límite:  

Relación de esbeltez tiene que ser menor a 120, para casos de tanques a presión.

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Determinación de resistencia a compresión:  

Tensión de pandeo elástico:

Tensión critica de pandeo:

Resistencia nominal a compresión: Resistencia minorada a compresión:

Por lo que se tiene:

Por lo que se utilizara como columnas para el tanque de fermentación un perfil TUBO REDONDO ASTM A36 de 3 1/2"x2.5m 1/2"x2.5mm m

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4.5 CALCULO DE LAS OREJAS DE IZAJE. Con el fin de transportar, localizar dar mantenimiento etc. a los recipientes a presión

es necesario equiparlos al menos con dos orejas de izaje, el espesor de esta se calc ca lcul ulaa ccon on la si ui uien ente te ex re resi sión ón::

Figura 25 (Dimensiones de la oreja de izaje)

Donde: t : Espesor mínimo mínimo de planch plancha a para oreja de izaje (mm) Wtanque: Peso del equipo vacío, se considera por impacto un 25% adicional.

También para este caso se adicionara el peso de las columnas de sujeción: Para perfil redondo 3 1/2"x2.5mm ver figura L: longitud de columna

D : Distancia mostrada en la figura 25. d : Distancia mostrada en la figura 25. : Tensión máxima permisible del material para la oreja.

Normalmente en piezas de izaje, por ser elementos críticos se considera un factor de seguridad de F.S > 5,  

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Por lo siguiente elegimos un espesor de oreja de izaje de 1/8" 1/8" o 3mm. 4.6 CALCULO DE UNIONES UNIONES SOLDADAS. 4.6.1 SOLDADURA EN UNIONES DE PLANCHAS EN TANQUE

Para este caso en particular debido a la presión interna el tanque estará sometido a fuerzas de tracci tracción ón en sus aniones soldadas. Teniendo en cuenta esto ubicamos que la mayor fuerza ejercida por la presión del CO2 y la del Líquido contenido será en la unión de la l a parte cilíndrica y la base cónica El tanque de fermentación será construido completamente por planchas de acero inoxidables y soldadas mediante proceso de soldadura (tungsten inert gas - TIG), para lo cual es importante calcular el espesor mínimo de cordón de soldadura, que soporte las presiones a las que será sometida el tanque fermentad fermentador. or.

Figura 26 (Sección de mayor presión)

La fuerza ejercida en esta sección será la presión de diseño ya obtenida entre el área que la sección de unión entre el cuerpo y la base.

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Para evitar porosidades internas en el tanque, debido a que se pueden formar focos infecciosos perjudiciales en la elaboración de la cerveza, se realizara el tipo de soldadura a tope, utilizando las siguientes formulas.

Figura 27 (Soldadura a tipo utilizada en la fabricación del tanque)

Resistencia a la soldadura por tracción: Donde:

El límite de fluencia en electrodos y material de aporte pa para ra soldadura en Inox. (Anexo 5) es de:

Pero:

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Cumple¡¡  Debido al Angulo formado entre ambas uniones según recomendaciones para procesos de soldadura TIG, utilizaremos material de aporte de 1/8" 1/8" de diámetro   para espesor de metal de 5mm. (Ver Tabla 1). 4.6.2 SOLDADURA SOLDADURA EN LAS L AS OREJAS DE IZAJE

Las orejas de izaje también estarán unidas mediante soldadura y estarán sometidas a cargas de corte, y se calculara de acuerdo a criterios establecidos para soldadura de filete.

Figura 28 (Geometría para soldadura de la oreja de izaje)

Donde: F: Fuerza aplicada en la oreja de izaje.

A: Área de sección de soldadura.

Ancho de garganta de soldadura Longitud de soldadura

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Pero:

Cumple¡¡

En este caso como las chaquetas tienen un espesor de 3mm, y teniendo en cuenta que la soldadura no debe exceder el espesor de la plancha y teniendo en consideración que las fuerzas ejercidas en la chaqueta son menores que las antes calculadas, usaremos un espesor de garganta de 1/8" en la unión de chaqueta y tanque. 4.7 DISEÑO DISEÑO DE PLANCHAS BASE B ASE

Tomamos como valor la reacción máxima en el eje axial de la columna que reviamente calculamos, en este caso será de Pu=15.473KN.

Materiales Ma teriales a Utiliza Utili zar: r:  

Resistencia cilíndrica del concreto de apoyo:

Figura 29 (Distribución de los pernos de anclaje)

Acero de la plancha base será ASTM A36:

Dimensiones propuestas de la plancha base: Distancia de la cara del perfil al borde de la plancha en dirección X. Distancia de la cara del perfil al borde de la plancha en dirección Y.

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Siendo las dimensiones de la plancha base a usar las siguientes:

Redondeo de las dimensiones ¡¡... Figura 30 (Dimensiones de la plancha)

Dimensiones del pedestal o apoyo de concreto: La columnas estarán soportadas por dados de concreto las cuales tendrán las siguientes dimensiones. Generalmente excede de 5cm de la plancha base.

Máxima área de la porción de superficie soportada que geométricamente similar y concéntrico con el área cargada.

4.7.1 DISEÑO DISEÑO POR POR CARGA A AXIAL XIAL

Capacidad de concreto:

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Capacidad de la placa: Máxima fuerza de compresión de la plancha. 

  es la dimensión más grande entre m y n.

l 

Donde obtenemos que nuestra plancha base será de 22 x 22cm con un espesor mínimo de 1/8" o 3.2mm

Pernos de Anclaje:  Los pernos de anclaje se calculan cuando existen cargas de

corte o tensiones, tensiones, para est estee caso solo se usara para fijar la plancha al piso de concreto. Usaremos unos pernos de Grado 8, de 3/4" x 5"  que irán ancladas en la base de concreto (fig m ismo grado. figura ura 19 19)) y tuercas de 3/4" del mismo

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CONCLUCIONES  

Diseñe un tanque a presión de 4100 lt, en acero inox inoxidable idable exclusivo para fermentación de cerveza.

 

Se utilizó los principios básicos de fís física, ica, resistencia de materiales y diseño de elementos de máquinas en el diseño del tanque a presión.

 

Debido a que en el Perú no ex existe iste una norma para dise diseño ño de recipientes a presión, utilice el código internacional  A.S.M.E. sec secci ción ón VIII. (Reglas para la construcción de recipientes a presion).

 

Realice los planos correspondient correspondientes es para el met metrado rado de material y la fabricac fabricacion ion del tanque. Asi como el desarrollo de las partes geométricas mas complejas.

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RECOMENDACIONES  

Realizar una inspec inspección ción de soldadu soldadura ra ya sea a pre presión sión de agua o aire. Así co como mo un tratamiento de alivio de tensiones en todo el tanque.

 

Tomar en cuenta como posterior estudio el aislamiento del tanque para temperaturas de hasta -3 °C

 

Para el mant mantenimiento enimiento de dell tanque incluir una es escalera calera para dicho fin.

 

Tener en cuent cuentaa que algu algunas nas partes del ttanque anque serán pe perforadas rforadas para la aadición dición de sensores de temperatura y presión.

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  Diseño de micro plan plantas tas pa para ra la elaboración de ccerveza erveza  – Escuela técnica de

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valencia.   Diseño de una una industria micro cervecera  –  Alfredo Martin Candelario

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  Manual de soldadura proceso TIG/GTA TIG/GTAW W  – Venetool herramientas y equipos.

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 ANEXOS  A NEXOS

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 Anexo  An exo 1

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 Anexo  An exo 2

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 Anexo  An exo 3 

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 Anexo  An exo 4

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 Anexo  An exo 5

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