INFORME-N-6-y-7 FENOMENOS DE TRANSPORTE II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

PRESENTADO POR : SIMEON SACSI ALARCON

INFORME N° 6DETERMINACIÓN DE LAS PERDIDAS DE CALOR EN UN HORNOELÉCTRICO TIPO MUFLA

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INFORME N° 6 DETERMINACIÓN DE LAS PERDIDAS PERDIDAS DE CALOR EN UN HORNO ELÉCTRICO TIPO MUFLA HORNOS TIPO MUFLA Las muflas multipropósito son hornos de temperatura hasta 1 200°C para aplicaciones como: copelación, fundición de vidrio y vitrofusión, eliminación de cera, esmalte al fuego, diferentes pruebas de laboratorio, fundición de metales y tratamientos térmicos. Poseen resistencias tipo espiral ubicadas ranuras especialmente diseñadas para permitir una radiación adecuada hacia la cámara interna, y en materiales de alta calidad para una vida útil prolongada. Su aislamiento en ladrillo aislante de alta calidad los hace eficientes y livianos. Poseen termocuplas tipo K recubiertas con un material cerámico para prolongar su vida útil. Todos estos equipos están disponibles con controles de temperatura que permiten rampas de calentamiento.

Imagen 1: horno tipo mufla

HORNOS MUFLA TUBULARES

Ampliamente usados en aplicaciones de laboratorio en las que es indispensable para el proceso usar reactores cilíndricos. Investigadores de las más importantes universidades del país usan nuestros hornos tubulares en muy diversos procesos. Son equipos altamente confiables por su construcción robusta y su facilidad de operación. Son fabricados bajo pedido y pueden alcanzar temperaturas hasta de 1500°C en operación contínua.









Imagen 2:Hornos mufla tubulares

ESTUFAS DE SECADO

Los hornos de secado marca Terrigeno se diseñaron para procesos de secado de minerales, arcillas, carbón, textiles, aleaciones metálicas, materiales orgánicos y diferentes aplicaciones de laboratorio en donde la uniformidad de temperatura sea relevante y se deba extraer humedad de la carga. Debido a que pertenecen al rango de baja temperatura están equipados con un sistema de recirculación de aire para una mejor uniformidad de temperatura. Su cámara interior en acero inoxidable los hace de alta durabilidad. El sistema de calentamiento son resistencias eléctricas tubulares para una temperatura máxima de 200 °C. Su aislamiento en fibras de vidrio con baja conductividad térmica los hace eficientes y adecuados para ambientes de laboratorio por su baja temperatura superficial externa. Están equipados con una termocupla tipo PT100 recubierta en acero inoxidable. Estos equipos se entregan con estantería fija en el interior o carros móviles con bandejas removibles para ubicación de muestras. El diseño incluye sistema de extracción de humedad, un dámper manual para extracción de gases y rendijas de ventilación específicamente localizadas para evitar la acumulación de vapor en el interior del equipo.









ALTO HORNO Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, llamadas toberas, por por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases los gases de escape, y escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral el mineral de hierro, de hierro, el el coque coque y la caliza. la caliza. Una vez obtenido el arrabio líquido, se lo lleva al convertidor a través del torpedo (transporte) y se lo alea con el carbono que vienen desde el horno eléctrico, luego se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes. obtienen lingotes.

Imagen 2: alto horno partes y funcionamiento.









Cuando se enciende un horno, este empieza a absorber calor (paredes, estructura y otros componentes) hasta mantener un equilibrio en e1 entorno, en ese instante decimos que el horno está en estado estacionario. Entonces las pérdidas de calor de un horno eléctrico se transportan hacia el medio ambiente pasando por las paredes del mismo y llegar finalmente al medio ambiente, es decir que cuando e1 horno está en estado estacionario, solo la resistencia se encienden para compensar las pérdidas. Podemos tener el siguiente diagrama:

Th

Qrad

Q

Tf Qconv

Se puede determinar las pérdidas de acuerdo a los siguientes criterios: a) Usando Perdidas por radiación y convección al medio ambiente b) Considerando las perdidas por conducción de las paredes del horno c) Considerando todas las resistencias: es decir, las paredes del horno, la convección y radiación al medio ambiente Es decir que si en la frontera de la pared externa del horno establecemos un equilibrio térmico, este sería

ΣQ=0

QCond =Qrad + Qconv

1.

DETERMINACIÓN DE LAS PERDIDAS DE CALOR ( FLUJO DE CALOR) A TRAVÉS DE LAS PAREDES DEL HORNO

Th

Th



400º C

e

Tf



25º C

k

A



Q

Q

Tf Q Q

0.176m





0.14m 0.070 W

2

kA(Th  Tf ) e 0.070  0.176(400  25) 0.14 33W

mº C









Q Ri  Q

T

 Ri ere ere k re



k re



(400  25)

0.14 0.070

0.002



48

 187.5 W m

 2.000042

2

2.0 Q  185.7  0.176  33.0 W

Es decir que la influencia de la placa de acero como resistencia térmica es despreciable, por lo tanto se puede considerar para los cálculos 2.- DETERMINACIÓN DE LAS PERDIDAS DE CALOR CONSIDERANDO

TODAS LAS RESISTENCIAS Th Tf ef ε

Th

400º C

kre



25º C

Ta



0.14m

Tc









18º C 2



20 w m º C

0.90

Usando el concepto de resistencia térmica:

Qrad

R cond

Q

0.070 W mº C

Tf Qconv

e 

k Calculo de hr:

R rad

1 

hr

R conv

1 

hr 

4      T m3

hr 

4  0.9(5.67  10 8 )(21.5  273)3

=

hc



hr  5.21w m

2

º C

Podemos notar que las resistencias de radiación y convención en paralelo, entonces: 1

1

Rconv



R conv - rad

rad



1

Rconv



Rrad

1 

hr  hc La resistencia de todo el sistema será:

 Ri  Q

e k

T

 Ri

 

1 hr  hc



0.14 0.070

(400  25) 2.040



1 5.21  20.0

 187.25 W m

2

 2.040











Q  U  A(Th - Ta) Ta) Rglobal



1 U



e k



1 hr  hc



2.040

1

U

Rglobal 1

U

2.040l



0.4902 W m 2 º C

Q  0.4902(400 - 18)  187.25 W

m

2

3.- DETERMINACIÓN DE LAS PERDIDAS DE CALOR CONSIDERANDO

RADIACIÓN Y CONVECCIÓN kre kre



Tf



Ta



0.070 W mº C 25º C

hc

18º C

ε

2





20 W m º C

0.90

Para las perdidas por convección y radiación, se tiene:

Qconv



h(Tf  Ta) Ta)

Qconv



20(25  18)

Qconv



140 W m 2

Qconv



140  0.176  24.64W (Tf (Tf  273) 4 - (Ta (Ta

273) 4

Qrad

   

Qrad



0.90  5.67  10 -8 (25 - 273)  (18  273) 4 

Qrad



40.556 W m 2

Qrad



40.556  0.176  7.138W

Luego las perdidas totales serán:

Q  24.64  7.137  31.778W











PROBLEMA PROPUESTO Calcular la transferencia de calor que se produce en las paredes de un horno compuesto de una capa de ladrillos refractarios, una armadura de acero y el aislante se deben de recibir una temperatura por encima de los 450 °C, y la supuerficie exterior del aislante, se deben de tener una temperatura por encima de los 60°C. DATOS: Temp. Del gas en el exterior del horno: To=582°C Temp. De aire del medio ambiente: ts=27°C BIBLIOGRAFIA http://www.terrigeno.com/productos/laboratorios/hornos-tubularesmuflas.html https://es.wikipedia.org/wiki/Alto_horno 

 









INFORME N° 7 CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO EN TRATAMIENTOS DE METALES 1. RECOCIDO DE REGENERACIÓN, NORMALIZADO Y TEMPLE NORMAL Los procesos que se siguen en estos tres tratamientos, tienen entre si, ciertas semejanzas que conviene destacar conjuntamente para luego estudiar los caracteres que los diferencian En los tres casos se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica, luego, después de un periodo de permanencia a esa temperatura, suficiente para conseguir el estado austenítico, se enfrían las piezas. El enfriamiento es diferente en los tres casos.  

En los recocidos , se hace muy lentamente dentro del horno. En los temples, se hace muy rápidamente enfriando en agua, aceite, etc., y en



Los normalizados, el enfriamiento se efectúa al aire a una velocidad intermedia entre los temples y recocidos.

No es recomendable introducir las piezas frías de más de 200 mm de diámetro en hornos cuya temperatura sea superior a 350º C, porque el acero relativamente frió es poco plástico, no admite deformaciones y 1as tensiones que se crean pueden originar grietas. EI paso de la zona critica no es peligroso cuando toda la pieza tiene la misma temperatura o la diferencia entre el centro y la periferia son pequeñas, como ocurre en los calentamientos lentos. En cambio, cuando en las piezas muy gruesas la periferia alcanza esa temperatura antes que el centro, la zona periférica sufre una contracción, mientras que el centro que no ha llegado a esa temperatura se esta dilatando todavía y el peligro de grietas es mayor. Para evitar que las tensiones sean peligrosas, conviene que en las secciones transversales la diferencia de temperatura entre dos puntos de un mismo radio situados a 25 mm de distancia , no sea superior a 20 ºC, Y para conseguirlo, la duración del calentamiento desde la temperatura ambiente a los 850ºC , debe se









TABLA XIV DATOS EXPERIMENTADOS: NORMALIZADOS PRE-CALENTAMIENTO LECTURA

TIEMPO (Min.)

TEMP. (To)ºc

INICIAL TEMP. del horno (Ts,1)ºC

01

00

20

20

02

04

20

100

03

08

20

200

04

14

20

300

05

24

20

400

06

37

20

500

07

53

20

600

08

74

20

700

09

104

20

800

10

130

20

900

11

133

20

910

PERMANENCIA DE TEMPERATURA 12

15

20

910

CICLO FINAL

148

20

910

TABLA XV DATOS EXPERIMENTADOS: TEMPLE PRE-CALENTAMIENTO LECTURA

TIEMPO (Min.)

TEMP. (To)ºc

INICIAL TEMP. del horno (Ts,1)ºC









MODELO EXPERIMENTAL Por tener un comportamiento Newtoniano obedece al mismo modelo expuesto para el calentamiento del recocido De los datos experimentales expuestos tomamos las condiciones de operación iníciales y finales que corresponden para cada caso, a fin de determinar C 0 y e-k . Asimismo para:  

El calentamiento de las probetas para el normalizado, la temperatura del horno T =920ºC El calentamiento de las probetas para el templado, la temperatura del horno T =780ºC

Por lo tanto:

dT/dt=-k (T- T ) Ordenando e integrando se tiene:

T= T + C0e - k t En consecuencia, el modelo de las curvas experimentales será:

 1  T  920  900  90   NORMALIZADO:

TEMPLE:

133 t / 133

 1  T  780  760  76  

t: tiempo de calentamiento en minutos

(º C ) t / 43

(º C )











aristas y esquinas tiene mayor efecto, no pueden ser perpendiculares a las superficies limitadoras exteriores y la media geométrica simple es demasiado grande. Algunos especialistas con el fin de compensar y evitar cálculos engorrosos sobre un análisis de transferencia transferencia de calor bidimensional recomiendan para esta esta configuración cuando A2 /A1 (2; es apropiado emplear una media geométrica modificada igual a 0.725(A1A2)1/2 en la cual 0.725=(( / 6)1 /2 , es un factor de diseño e ingeniería para una superficie cúbica.

FASE DE ENFRIAMIENTO: NORMALIZADO Finalmente las temperaturas y la perdida de calor que corresponden por este método son: Centro del cilindro T(0,0,20min)

Centro cara circular T(0,5cm,20min)

Mitad altura lateral T(1.905cm,0,20min)

Transferencia de calor o energia

114ºC

111ºC

112ºC

-396KJ

ANALISIS EXPERIMENTAL El enfriamiento se realizó sin restricciones en aire libre en reposo. El registro de temperaturas se hizo con termómetro digital permitido hasta 200ºC. Lo que nos ha limitado presentar reportes de temperaturas antes de los 15minutos.

TABLA XVII









dT dt

K (T  T

 



)

Ordenando e integrando y luego tomando las condiciones iniciales y finales se llega al modelo experimental de respuesta de temperatura al enfriamiento de la pieza

 1  T  25  885   885 

t / 60

t=minutos

2. FASE DE ENFRIAMIENTO: TEMPLE El enfriamiento de las piezas en este caso se realiza en agua fría en reposo a 20ºC EVALACION DEL COEFICIENTE DE TRANFERENCIA DE CALOR ”h”

Durante la etapa de enfriamiento en el templado los fenómenos de transferencia de calor puede deberse a: 1) En primera instancia conducción y radiación 2) En segunda instancia convección por transporte de vapor en la ebullición de película. 3) Conducción y convección natural o libre comprendido desde 100ºC a 20ºC









MODELO EXPERIMENTAL: Tan igual que el caso anterior el enfriamiento durante el templado tiene comportamiento Newtoniano, por lo que se puede usar el mismo modelo matemático; en seguida después de seguir el mismo procedimiento se obtiene de esta manera el modelo experimental de respuesta al enfriamiento de pieza en agua:

 1  T  20  750  750  

t / 60

t=segundos

CUESTIONARIO A) Con los datos experimentales de tablas XIV, XV, XVII y XVIII, graficar temperaturas vs tiempo de calentamiento y enfriamiento en los tratamientos térmicos de normalizado y temple. NORMALIZADO 

Calentamiento y permanencia de temperatura

T de horno vs tiempo 900.000 800.000









T superficial vs tiempo 900.000 800.000 700.000 l 600.000 a i c i 500.000 f r e p 400.000 u s T 300.000

200.000 100.000 0.000 0

10

20

30

40

50

tiempo (min)

TEMPLE 

CALENTAMIENTO Y PERMANENCIA DE TEMPERATURA

T de horno vs tiempo 900 800 700 o 600 n r

60

70









T superficial vs tiempo 900 800 700 l 600 a i c i f r 500 e p 400 u s T 300

200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

tiempo

B) Con los modelos experimentales correspondientes (modelos matemáticos deducimos a partir de la ecuación de Newthon: dT/dt=K(T-Too), graficar temperaturas vs. Tiempo de calentamiento y enfriamiento en los tratamientos térmicos de normalziado y temple. NORMALIZADO TABLA Y GRAFIA 

Calentamiento y mantenimiento de temperatura  1   

t / 133 133

(º )











 1  T  25  885   885 

t / 60

T superficial vs tiempo

enfriamiento tiempo

Temperatura

900.000

0

910.0000

800.000

15

187.2585

700.000

20

117.1783

25

77.3661

30

54.7489

35

41.9002

40

34.6010

45

30.4543

50

28.0985

55

26.7603

60

26.0000

l 600.000 a i c i f r 500.000 e p 400.000 u s T 300.000

200.000 100.000 0.000 0

10

20

30

40

tiempo (min)

50

60

70











Enfriamiento enfriamiento

tiempo

T superficial vs tiempo

Temperatura

0

770.000

900.000

15

163.316

800.000

20

102.548

700.000

25

67.547

30

47.386

35

35.774

40

29.086

45

25.233

50

23.014

55

21.736

60

21.000

l 600.000 a i c i 500.000 f r e p 400.000 u s T 300.000

200.000 100.000 0.000 0

10

20

30

40

tiempo (min)

50

60

70

INFORME-N-6-y-7 FENOMENOS DE TRANSPORTE II

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