ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN UNA CONEXIÓN EN TEE PARA UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSIÓN.

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Objetivos Específicos

- Determinar los esfuerzos a los que se somete una conexión en Tee debido a la presión del agua.

- Comparar una Tee de aluminio, y de acero que serán usadas bajo condiciones específicas y elegir el material más conveniente de acuerdo a sus características mecánicas y proceso de fabricación.

- Elegir el material que cumpla no sólo con las especificaciones mecánicas, sino que sea de bajo costo y de menor impacto ambiental.

- JUSTIFICACIÓN

Una unión en Tee es un tipo de empalme para tuberías, ya sean de uso doméstico, industrial o agrícola. Son de vital importancia porque permiten el traslado de fluidos de un destino a otro con la menor cantidad de pérdidas posible.

Una conexión de este tipo, (al igual que una tubería o un codo), se puede analizar como un recipiente a presión, pues el fluido que corre a través de ella, ya sea un líquido o un gas, provoca presión en las paredes internas. Por esta razón, es importante diseñar buenas conexiones de acuerdo a la presión de servicio que se manejará y las condiciones a las que estará sometida.

Para redes de tuberías agrícolas, los materiales más comunes son el PVC, el cobre, el aluminio y algunos aceros [1]; sin embargo, se busca analizar el uso de otros materiales que pueden tener un mejor rendimiento, menor costo y hasta menor huella de carbono.

A pesar de que las redes de distribución de agua no son notorias a simple vista, pues la mayoría de ellas se encuentran bajo tierra, ya sean redes agrícolas o domésticas, son de vital importancia; las tuberías son una parte esencial de la vida cotidiana. Por eso el interés en analizar su comportamiento.

Planteado esto, el análisis se basará en cálculos relacionados con el diseño, factores de seguridad, procesos de fabricación, reducción de costos y disminución de contaminación.

- DESARROLLO

En general, las especificaciones para un sistema de riego por aspersión son las siguientes: [1, 3, 5, 6].

- El material de fabricación debe ser resistente a la corrosión, abrasión y envejecimiento, por lo que normalmente se utilizan metales o plásticos.

- El diámetro de la tubería oscila entre 2.5” y 3.5”, con un máximo de 4”.

- La presión de servicio varía entre el rango de 4 kg/cm2 hasta los 10 kg/cm2.

- Las tuberías regantes y accesorios son los que funcionan con flujo turbulento y a alta presión, siendo generalmente de aluminio.

- Se debe de considerar que el tiempo de operación del sistema no debe de exceder las 22 horas al día o los 6 días a la semana.

- La velocidad del agua no debe de exceder los 5 ft/s.[pic 3]

Diámetro externo

3 in

Espesor de pared

0.48 in

Diámetro interno

2.04 in

Altura total

7 in

Altura del travesaño de entrada

4 in

Figura 1. Tee que se usará como base para el análisis.

Para el proceso de selección del material se utilizó el programa CES Edupack. Es un software que ofrece la empresa Granta Design a alumnos, profesores, e investigadores como una herramienta para investigar y definir materiales, procesos y diseños, además de incluir una opción llamada Eco Design, que permite analizar el impacto ambiental.

Los criterios de selección se realizaron de acuerdo con las especificaciones que se dieron al principio de la sección, obteniendo una lista de 29 materiales posibles; por lo que se decidió elegir entre aceros y aluminios al ser éstos los que más se utilizan.

Material seleccionado: Acero de baja aleación SAE 4335M, fundido, enfriado y templado.

Propiedades: Está compuesto de Hierro (95-96%), Níquel (1.8%), Manganeso (.6-1%), Cromo (.75%), Silicio (.5%), Molibdeno (4-.55%), Carbono (.33-.38%), Vanadio (.2%).

Propiedad

Mínimo

Máximo

Unidades

Precio

20.5

22.7

MXN/kg

Densidad

7.81 x 10 3

7.84 x 10 3

Kg/m3

Módulo de Young

196

204

GPa

Módulo en volumen

163

170

GPa

Resistencia a compresión

1.15 x 10 3

1.27 x 10 3

MPa

Límite elástico

1.15 x 10 3

1.27 x 10 3

MPa

Visibilidad

Opaco

Durabilidad al agua

Aceptable

Si bien el material seleccionado no es el más barato y ecológico, entra en los rangos permisibles para la fabricación de tubería y conexiones. Su rango de precios es barato y la cantidad gases contaminantes no es muy grande.

Por otra parte, este tipo de materiales, según CES Edupack, son ideales para la fabricación de recipientes a presión, lo que lo hace un material ideal para el trabajo.

Material