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

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Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Facultad de Ingeniería

Área Mecánica y Eléctrica

Mecánica de Materiales II

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

Por:

Alba Parada Diego Audómaro

Basilio Chávez Natalia

González Otero Javier Antonio

Hora: 10:00 – 11:00

Entregado: viernes 2 de diciembre de 2016

Profesor: Dra. Sandra Luz Rodríguez Reyna

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

D. A. Alba Parada, N. Basilio Chávez, J.A González Otero.

Área Mecánica y Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava 8, Zona Universitaria Poniente, San Luis Potosí, S.L.P, 78290, México.

RESUMEN

El análisis de tuberías y sus accesorios es de vital importancia para conocer bajo qué condiciones deben de operar y evitar la falla de los mismos. En un sistema de riego, sin importar su tipo, la presencia de una falla puede significar pérdidas de agua, de cultivo y por lo tanto de dinero; es por eso que se debe de garantizar una buena resistencia por parte de la pieza, ya sea tubería, codo, conexión en Tee, etc.

Por tal motivo, se decidió analizar el comportamiento de un tramo de una conexión en Tee como un recipiente a presión, puesto que el flujo que pasa a través de ella ejerce una presión sobre las paredes, de manera continua, haciéndola susceptible a posibles fallas; para así calcular los esfuerzos a los que dicha pieza se encuentra sometida basándose en condiciones establecidas de los sistemas de riego por aspersión.

De acuerdo a una selección de materiales, se evaluó si éstos cumplían con un factor de seguridad que se considere adecuado basándose en los esfuerzos máximos permisibles por el material y comparándolos con los esfuerzos máximos presentes en el componente analizado y así determinar si son seguros para ser utilizados como conexiones en sistemas de riego.

1. INTRODUCCIÓN

El análisis de cuerpos rígidos, sus movimientos y deformaciones a lo largo del tiempo es la base de toda carrera relacionada con la mecánica. Aplicando conocimientos físicos, lógicos y matemáticos, debemos entender y resolver los problemas que se aquejan.

La conexión en Tee (T) se utiliza en un sinfín de procesos ingenieriles, con el objetivo de distribuir a diferentes sectores el material que por él fluye. Generalmente, se utilizan para hacer fluir líquidos en dos sentidos, por uno entra y por otros dos sale, variando así la corriente que hay.

Dicha conexión generalmente se usa para unir tramos del mismo diámetro, aunque, con la incorporación de un reductor para tubos, se pueden unir tuberías de diferentes diámetros. También se pueden fabricar de diferentes materiales dependiendo de la necesidad que se desee cubrir; pues este tipo de conexiones no son ajenas al ámbito industrial, también se pueden usar en laboratorios, hospitales, sistemas de riego, etc., utilizando materiales como aceros al carbono, aceros inoxidables, PVC, aleaciones de carbono, bronce, entre otros.

De acuerdo con Cisneros [3] el riego es considerada como una actividad muy antigua; en algunos países incluso se consideró como una actividad de vital importancia. Los casos más notables de culturas cuyo desarrollo de la irrigación era importante fueron los egipcios, chinos, babilonios e hindúes.

El riego por aspersión es una de las técnicas de riego más usadas actualmente, pues es un sistema que trata de imitar a la lluvia, haciendo que el agua de riego llegue a las plantas por medio de tuberías y aspersores con una determinada presión; el agua se eleva para que caiga en forma de gotas sobre el área que será regada [2]. En México, se tiene el registro de que aproximadamente el 80% del riego por bombeo es por aspersión, de acuerdo con datos de la SAGARPA [6].

A continuación, se presenta una tabla que reúne las características, ventajas y desventajas principales de un sistema de riego por aspersión de acuerdo con Arrieta et al. [2]

Con esta información en mente, se busca elegir la conexión en Tee que mejor se adapte a las características del sistema de riego, fabricada con el material que mejor resista a los esfuerzos a los que ésta se somete y que tenga un menor costo.

1. OBJETIVOS

Objetivo General

Determinar qué material es mejor para fabricar una Tee que se usará en un sistema de riego por aspersión, de acuerdo con sus propiedades mecánicas y los esfuerzos a los que es sometido.

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.

1. 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.

1. 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]

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.

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