Proyecto Diseño Termico Horno Gas LP

Universidad de Talca Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica

Diseño Térmico (Horno industrial para tratamientos térmicos)

Alumnos: Erik Fuentes V Cristian Silva R Gustavo Mancilla M Docente: Dr. Ing. Gonzalo Salinas S. Modulo: Diseño Térmico. Fecha: 21 de Noviembre de 2012.

Índice

INTRODUCCIÓN........................................................................................4 CAPITULO 1..............................................................................................5 1.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS.....................................................................5 1.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS USADOS........................................................................5 CAPITULO 2: TEORÍA DE HORNOS.................................................................6 2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS HORNOS DE COMBUSTIÓN.............................................................6 2.2 FIN DEL CALENTAMIENTO..........................................................................................6 2.3 MODO DE CALENTAR EL HORNO..................................................................................6 2.4 TAMAÑO Y ECONOMÍA DE LOS HORNOS DE COMBUSTIÓN....................................................7 2.5 TIEMPO DE CALENTAMIENTO......................................................................................7 2.6 CALOR EN UN HORNO DE COMBUSTIÓN..........................................................................7 2.7 PERDIDAS DE CALOR EN UN HORNO..............................................................................8 2.8 REGULACIÓN AUTOMÁTICA DE LA TEMPERATURA.............................................................8 CAPITULO 3: CONSIDERACIONES Y ANTECEDENTES PARA EL DISEÑO...................9 3.1 DIMENSIONES GENERALES.........................................................................................9 3.2 DIMENSIONES DE LAS PAREDES...................................................................................9 3.3 CONDICIONES DE TRABAJO DE LAS PAREDES...................................................................9 3.4 QUEMADOR......................................................................................................... 10 3.5 TIPO DE ALIMENTACIÓN.......................................................................................... 10 3.6 TEMPERATURA DE TRABAJO.....................................................................................10 3.7 TRANSMISIÓN DE CALOR ENTRE EL HORNO Y LA CARGA...................................................10 3.8 SISTEMA DE CONTROL............................................................................................ 11 CAPITULO 4: DIMENSIONAMIENTO..............................................................14 4.1 ESQUEMA DE LAS PAREDES Y AÉREAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR...................................14 4.2 CANTIDAD DE LADRILLOS Y PESO DE LAS PAREDES:........................................................17 4.3 DIMENSIONAMIENTO Y PESO DE LAS CUBIERTAS EXTERIORES:............................................18 CAPITULO 5: ANÁLISIS TÉRMICO DEL SISTEMA..............................................24 5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR......................................................................................24 5.2 CALOR PERDIDO POR EL HORNO.................................................................................26 5.3 CALOR ABSORBIDO POR EL HORNO.............................................................................27 5.4 CALOR REQUERIDO POR LA CARGA.............................................................................28 5.5 ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN...................................................................................28 5.6 PERDIDAS DE CALOR POR LOS GASES DE LA COMBUSTIÓN.................................................29 5.7 DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE HUMOS.................................................................30 5.8 TIEMPO DE CALENTAMIENTO DEL HORNO.....................................................................31 CAPITULO 6: SELECCIÓN DE COMPONENTES.................................................32 6.1 SELECCIÓN DE QUEMADORES....................................................................................32 6.2 SISTEMA DE CONTROL............................................................................................ 32 6.3 REFRACTARIOS..................................................................................................... 33 6.4 AISLANTE............................................................................................................ 33 CONCLUSIONES.......................................................................................34

BIBLIOGRAFÍA........................................................................................35 APÉNDICES............................................................................................ 36

Introducción El objeto del presente trabajo es diseñar un horno para realizar tratamientos térmicos, el cual posea

1 [ m3 ]

de volumen útil, que pueda operar a una temperatura máxima de 1000ºC,

emplee como fuente térmica Gas LP y tenga un amplio rango de control de temperatura. Dependiendo de la temperatura que se alcance y el tiempo que se requiera, se puede diferenciar un tratamiento térmico de otro ya que estos parámetros generaran cambios en las propiedades y características del material tratado. Una vez que se han determinado los requerimientos de operación, se establecen las dimensiones iniciales y los criterios de diseño del horno. Para el caso de las paredes una vez fijadas las condiciones de trabajo, es posible optar por alguna de las alternativas comerciales existentes de material refractario. Definidas las dimensiones del horno, se estiman los flujos de calor involucrados, los que corresponden a las pérdidas producidas por las paredes, los gases de escape por los canales de humos y el flujo de calor necesario para calentar el horno. Establecido los flujos de calor involucrados se analiza la necesidad de colocar aislante, luego se seleccionan los quemadores necesarios y se establecen los tiempos de calentamiento del horno. Efectuando todos los cálculos, se seleccionan los equipos y componentes del horno que serán utilizados. Finalmente, se detallan las conclusiones que corresponden a las especificaciones técnicas de los componentes y graficas utilizadas.

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Capítulo 1 1.1 Tratamientos térmicos de los aceros

Tienen por objetivo modificar las propiedades y características de los aceros, adecuándolos a los usos o aplicaciones que se les desee dar. Consiste en calentar y mantener las piezas de acero a temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo, para así transformar la estructura microscópica del acero y dejarlo con las propiedades deseadas. El tiempo y la temperatura son factores relevantes, los cuales se fijaran de acuerdo a lo siguiente: -

Composición del acero Tamaño y la forma de la pieza Tratamiento que se desee realizar.

1.2 Tratamientos térmicos más usados Entre los tratamientos térmicos más usados se encuentra: el recosido, revenido, temple, normalizado, cementación, nitruración, temple en baños de sales y plomo, etc. La diferencia entre estos tratamientos son las temperaturas que se deben conseguir en el calentamiento de las piezas, el que también depende de la composición de ellas y también el modo y tiempo de enfriamiento, ya sea un enfriamiento rápido o lento, al aire o en aceite. El tiempo de permanencia de la temperatura de tratamiento depende del tipo de tratamiento y el espesor de la pieza, esta se debe mantener uniforme para así evitar que queden zonas con diferentes propiedades. Dependiendo del tipo de tratamiento que se aplicara y de la composición química de la pieza, la temperatura más alta es del orden de los 900°C a los 1000°C. El control de las variables involucradas en el tratamiento térmico es una de las funciones importantes que debe considerarse a la hora de comenzar el diseño de un horno industrial para este uso.

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Capítulo 2: Teoría de hornos 2.1 Clasificación de los hornos de combustión Los hornos para calentamiento se clasifican ordinariamente según: -

El fin para el cual se calienta el material. El modo como se calienta el horno. La naturaleza de la transmisión de calor al material. El método de manipulación del material a través del horno.

2.2 Fin del calentamiento Primordialmente se le da una clasificación metalúrgica según si el horno es proyectado para revenido, recocido, carburizado, cianurado, cementado, forjado, calentado para conformación o laminado, esmaltado o para algún otro fin.

2.3 Modo de calentar el horno Esta clasificación se aplica principalmente a los hornos de reverbero e indica si el horno es calentado con fuego directo o en el interior del laboratorio por arriba, lateral o por abajo. El horno calentado por abajo es excelente para temperaturas bajas, porque el material calentado queda protegido de las altas temperaturas, del combustible ardiendo. Las temperaturas y la atmosfera pueden regularse más fácilmente que en los demás tipos pero la temperatura queda limitada por la vida de duración de los refractarios, a un valor máximo de unos 980 ° C . El tipo de horno calentado por fuego por arriba es de características semejantes al anterior pero su ancho es limitado a unos dos metros por la resistencia del arco perforado y su altura a alrededor de 1.20 m. por la dificultad de obtener uniformemente la temperatura, debido a la tendencia del calor a elevarse. Para la solicitación en particular de este proyecto se empleara el modelo de horno calentado por fuego lateral que se utiliza cuando la temperatura es demasiado alta para obtenerla por los otros métodos o cuando el calentamiento por abajo estorba debido a la manipulación y cuando se necesita una atmosfera mejor a la que se puede obtener con el calentamiento con fuego directo.

6

2.4 Tamaño y economía de los hornos de combustión El tamaño necesario depende de la cantidad de material que ha de calentarse por hora, del tipo de calentamiento, tiempo necesario, del tamaño de las piezas que han de calentarse y de la cantidad de calor que pueda liberarse sin excesivo perjuicio para el horno. El rendimiento y la duración del refractario que se obtenga dependerán de que el tamaño del horno sea más o menos correcto.

2.5 Tiempo de calentamiento Para el caso sencillo de calentamiento por completo, el tiempo necesario puede estimarse en 5[min] por cada 3[mm] de espesor de las placas planas de acero calentadas desde una cara y en

20[min]

por cada

25[mm]

de diámetro de barras

cilíndricas de acero cuando la temperatura del horno es superior a 425 ° C

el tiempo aumenta alrededor de 100%; por debajo de

760 ° C . A

425 ° C

se puede

necesitar hasta tres veces el tiempo indicado. Estas cifras para temperaturas elevadas han sido reducidas muchísimo por el calentamiento radiante de alta velocidad y para temperaturas bajas (inferior a 650 ° C ). El tiempo ha sido reducido por el empleo de ventiladores dentro del horno y por la recirculación. Se puede indicar que el latón requiere más o menos la mitad del tiempo y el aluminio el 85%.estos tiempos de calentamiento están basado en una temperatura del horno de 25 ° C a 55 ° C mas alta que la temperatura final del material calentado. Se supone que el material está completamente expuesto al calor del horno; el apilado del material dentro de un horno alarga el tiempo de calentamiento en una cantidad que debe determinarse por pruebas.

2.6 Calor en un horno de combustión El calor liberado por el combustible en un horno de combustión (suministro o consumo de calor necesario) es igual a la suma del calor necesario en el proceso en el proceso de calentamiento (calor útil) más las pérdidas que tengan lugar en el horno. El “consumo de calor” incluye el calor de la combustión del combustible, el calor sensible del aire o del combustible precalentado y el calor presente en el material cargado. Se utiliza el poder calorífico inferior del combustible y el calor sensible puede calcularse a partir de los calores específicos del aire, el combustible o el material precalentados. El “calor útil” comprende el calor absorbido por el material dentro del horno.

7

2.7 Perdidas de calor en un horno Las pérdidas de calor en un horno de calentamiento comprenden: - El calor perdido en los gases de desecho. Depende de la temperatura a que dejan la cámara de calentamiento. - La radiación procedente de los refractarios y el calor absorbido por ellos. Depende de la intensidad con que verifique el calentamiento y de la superficie refractaria y su espesor. - Calor arrastrado fuera del horno por recipientes a los transportadores. - Calor perdido por las aberturas o huecos de puertas. - Calor contenido en el combustible sin quemar que escapa con los productos de la combustión. Esta pérdida es la más pequeña en la mayoría de los hornos, porque el combustible puede ser consumido casi completamente.

2.8 Regulación automática de la temperatura La regulación automática impide el desperdicio de calor por temperaturas innecesariamente elevadas, periodos fríos evitables y aire excesivo o combustible sin quemar por su combustión defectuosa. De mayor importancia aun es la prevención contra daños al producto calentado ocasionados por sobrecalentamiento, oxidación excesiva y reacción química inconveniente entre la atmosfera del horno y el producto (principalmente descarburización y recarburización). Los reguladores automáticos de temperaturas son accionados por termopares introducidos dentro del horno. El termopar o par termoeléctrico no debe estar situado en la trayectoria directa de las llamas, las cuales no solo tienen varios cientos de grados más que la temperatura del horno, sino que además son de temperatura extremadamente variable y no dan indicación de la temperatura media. La regulación automática de la atmosfera para consérvala adecuada para una buena combustión se lleva a cabo proporcionando apropiadamente el combustible y el aire comburente en sus entradas respectivas al horno. Esto se consigue utilizando alguna de las características de circulación de uno de los fluidos para regular la circulación del otro. El regulador automático de presión acciona los registros de los conductos de humo de un horno con el fin de mantener una presión constante. Predeterminada (ordinariamente alrededor de

0.0025 cm

de

H 2 O ).

En la cámara, con lo cual se impide que penetre oxigeno libre de la atmosfera circundante.

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Capitulo 3: Consideraciones y antecedentes para el Diseño 3.1 Dimensiones Generales El cliente solicita desarrollar un proyecto de diseño y construcción de un horno industrial para tratamientos térmicos, con una temperatura máxima de operación de 1000ºC y que permita un amplio rango de control de temperatura, con las siguientes dimensiones:

Ancho=1 [ m ] Alto=1 [ m ] Profundidad=1 [ m ] Volumenútil=1 [ m ³ ]

Dentro de éstas medidas se consideraran las posibilidades, que tienen relación con materiales, accesorios, consumo de energía, espesor de aislante y en general con todos los cálculos, con el fin de lograr una mayor eficiencia del horno.

3.2 Dimensiones de las paredes Con el fin de lograr un adecuado dimensionamiento de las paredes, es necesario seleccionar los diferentes componentes que formaran parte de ella. Para lograr esto, se realizaran cálculos en MATHCAD v.14 y Microsoft Office Excel, esto con el fin de seleccionar los componentes que mejor satisfagan los requerimientos, principalmente de temperatura, perdidas de calor y el tamaño de los ladrillos.

3.3 Condiciones de trabajo de las Paredes

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Las condiciones de trabajo son críticas para las paredes en su superficie interior. Esta debe soportar temperaturas máximas en orden de 1000 ºC. Además, de una atmósfera contaminada por los gases de combustión, en el caso de utilizar cámara directa. Para seleccionar los componentes de las paredes que satisfagan estas condiciones de trabajo, se hace necesario tomar en consideración las siguientes condiciones de servicio: -Esfuerzo mecánico -Fluctuaciones de los esfuerzos -Temperatura -Choque Térmico -Atmósfera

3.4 Quemador De acuerdo con los requerimientos de calor de los tratamientos térmicos expuestos en el capitulo anterior y a las exigencias ambientales de emanaciones de gases, se utilizara un quemador que use gas como combustible.

3.5 Tipo de Alimentación El uso de combustibles fósiles sólidos como carbón y leña, hacen que la posibilidad de usarlos sea descartada dado la contaminación en la cámara de tratamiento, provocada por los subproductos de la combustión, por lo tanto se necesitará de una cámara indirecta para calentar correctamente los materiales, lo que se traduce en un mayor costo inicial. Tanto los hornos a gas como los eléctricos poseen fortalezas y debilidades, en donde para el caso del costo del combustible, podemos observar la siguiente tabla: Producto Gasolina 93 Gasolina 97 Kerosene Diesel GLP Energía Eléctrica

Precio 737,7 [$/Lt] 794,1 [$/Lt] 491,9 [$/Lt] 565,9 [$/Lt] 247,5 [$/Lt] 112 [KWH]

Tabla N°1. Precio de combustibles.

10

3.6 Temperatura de trabajo De acuerdo a las características necesarias del diseño, para tratamientos térmicos de los aceros, se puede apreciar que en estos procesos térmicos se considerara una temperatura de funcionamiento de 1000º C.

3.7 Transmisión de calor entre el horno y la carga El calor es transferido por conducción, convección y radiación, aunque en la práctica es una combinación de estas tres formas con el predominio de una de ellas. En hornos industriales el fenómeno de transmisión de calor predominante queda determinado por el tipo de horno y por la temperatura de trabajo.

3.8 Sistema de control El control de temperatura, así como de los tiempos involucrados son las funciones más críticas dentro del proceso de los tratamientos térmicos, por lo que dentro de las alternativas de control que se encuentran en el mercado, se seleccionara la que permita tener un mejor control de estas variables. El control necesario, será tal de proveer calor para llegar a la temperatura deseada, además de mantener dicho calor luego de ser alcanzado.

Imagen N°1. Diagrama sistema de control.

3.9 Algunos conceptos sobre aislación térmica

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a) Aislación térmica: material, conjunto de materiales o dispositivos, usados fundamentalmente para oponer resistencia al flujo térmico. b) Aislamiento térmico: reducción de la transmisión de calor por conducción, convección y radiación, mediante dispositivos o materiales. c) Aislación de relleno: fibras sueltas, gránulos o módulos, colocados en los espacios destinados a la aislación. d) Aislación flexible y semirígida: materiales flexibles o compresibles, en forma de matas o colchonetas, generalmente en rollos, que se extienden sobre una superficie por aislar. e) Aislación rígida: bloques, planchas o láminas de dimensiones predeterminadas en su fabricación, que mantienen su forma durante los procesos comunes de manipulación f) Aislación formada al pie de la obra: aislación de material rígido o semirígido, preparado en la obra durante la ejecución de la estructura.

3.10 Características de los materiales que se utilizaran para el diseño del horno

Entre los materiales que se utilizarán para el diseño se pueden nombrar: -Ladrillos Aislantes K 26 / T 26 (1427° C) – Importados. -Aislante térmico. -Morteros y cementos refractarios. -Quemadores. -Planchas de acero de 1 [mm] de espesor. -Termopares. -Perfiles y otros elementos menores. Ladrillo refractario La cámara de calentamiento se diseñará utilizando ladrillos refractarios aislantes, considerando la alta porosidad, baja conductividad térmica y condiciones de trabajo, se eligió el Ladrillos Aislantes K 26 / T 26 (1427° C) – Importado, como el más apropiado, por condiciones de diseño, se estimó conveniente que fuera de dimensiones estándares de 9”X4½”X2½” (229mmX114mmX63mm). En las propiedades de este ladrillo se puede mencionar las siguientes: Producto Proceso de fabricación T° máx. recomendada Densidad aparente Conductividad térmica

Ladrillo Aislante Vía seca 1427°C 0,81 (gr/cm^3) 0,329 W/m*k

Mortero refractario

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Se utilizará para pegar los ladrillos un mortero refractario de vermiculita llamado VERTEX, que al aplicarlo se obtiene una junta bastante delgada, que no supera los 15 mm de espesor. Entre las características de este mortero se pueden señalar las siguientes: Producto

VEREX Húmed o

Tipo de mortero T° máx. recomendada 1650°C Aislante térmico Posteriormente a la pared de ladrillo refractario se pondrá una capa de aislante térmico de fibra de cerachrome que es una mezcla que contiene alúmina, carbón, cromo, y sílice.. Cuyo espesor se calculará más adelante. Este es material presenta una excelente resistencia al choque térmico, es de bajo peso y tiene un fácil manejo e instalación. Fibra de Producto Cerachrome Color Blanco T° máx. recomendada 1000°C Densidad 64-128 (kg/m^3) Conductividad térmica 0,03 W/m°K

Quemadores Los quemadores que se utilizaran en el diseño de este horno industrial para tratamientos térmicos deben cumplir con las siguientes características: T° de trabajo Combustible de trabajo

1000° C GLP

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Capítulo 4: Dimensionamiento 4.1 Esquema de las paredes y aéreas de transferencia de calor Para lograr el dimensionamiento final de las paredes y en definitiva del horno, se tomaran en consideración las diferentes opciones comerciales disponibles. Una vez establecidas las dimensiones generales del horno, se procederá a calcular las áreas de transferencia de calor y establecer la cantidad de ladrillos necesarios para cada pared y la masa de cada una de ellas.

Pared de fondo:

14

(

2

A 1=0.5∗ L∗r −r ∗sen

α 360

( )

L=2∗π∗r∗

L=0.891[m]

( )) L r

A 1=0.0548 [m2 ] 2

A 2=1.005402∗0.9594=0.9646[m ] A total= A 1+ A 2 2

A total =1.0194 [m ]

El área de transferencia de la pared de fondo, es igual al área de transferencia de la puerta.

Pared lateral:

15

A=1∗1=1[m2 ]

El área total de ambas paredes es de

2[m2]

Solera:

16

A solera =1∗1=1 [ m2 ]

Bóveda:

17

De acuerdo a las dimensiones que se presentan en las figuras precedentes se tiene:

A=

( 2∗π∗r∗l∗α ) 360

A=

( 2∗π∗1.0357∗1∗49.31 )=0.891[m ] 360 2

Áreas totales de transferencia de calor:

-

Pared de fondo y puerta:

m 2 [¿¿ 2]=2.039 [m ] 1.0194 [ m2 ]+1.0194 ¿

-

Pared lateral:

m [¿ ¿2]=2[m2 ] 1 [ m2 ] +1 ¿

-

Solera:

1 [ m2 ]

-

Bóveda:

0.891 [ m2 ]

4.2 Cantidad de ladrillos y peso de las paredes:

Ladrillos aislantes tipo 26, importados, medida standard

9 ” x 4.5 ” x 2.5 ). Densidad ¿

0.81

228.6 x 114.3 x 63.5[mm]

( cmgr ) 3

Pared posterior:

69 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total

114484.126

[cm3 ]

114484.126

[cm ]

92.732

3

[kg]

18

Pared lateral:


116143.316

[cm3 ]

116143.316

[cm ]

3

[kg]

94.076

Solera:


3

76322.75

[cm ]

76322.75

[cm3 ] [kg]

61.821

Bóveda:


101210.6

[cm3 ]

101210.6

[cm ]

81.98

3

[kg]

Puerta:


3

91255.46

[cm ]

91255.46

[cm ]

73.917

3

[kg]

4.3 Dimensionamiento y peso de las cubiertas exteriores:

19

Las planchas de acero utilizadas en la parte exterior del horno son de 1

una densidad de 7.801

( kgm ) 3

[mm] de espesor y

, por intermedio de este valor se estima el peso aproximado de

las planchas utilizadas.

Cubierta lateral:

20

R=2 [mm ]

Longitud del doblez

π t L= ∗ R+ 2 3

( )

t=1[mm] L=3.66 [ mm ] =0.366[cm]

Área total = Volumen = Masa total =

2

13987.4[cm ]

13987.4[cm 3 ] 10.9[kg]

Solera:

21


14710.9[cm2] 3

14710.9[cm ]

11.48 [kg ]

Pared de fondo: 22

r=1.15 [m] 2

Área sector circular=0.0677 [m ]

Área total =

1.1563[m2]

Masa total =

9[kg ]

23

Bóveda:


1.478[cm2 ] 3

1478[cm ]

11.53 [kg ]

24

Cubierta puerta:


1.235[cm2 ] 3

1.235[ cm ]

9.63[kg ]

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Capítulo 5: Análisis térmico del sistema 5.1 Transferencia de Calor Con las dimensiones del horno establecidas, se estimarán las pérdidas de calor por las paredes y el calor requerido por estas para lograr la temperatura máxima del horno (1000ºC), con los diferentes espesores de aislante. Además de estimara el calor requerido por la carga para llegar a la temperatura máxima. Conocidos los flujos de calor involucrados, se estimará el tiempo de calentamiento del horno y el consumo de combustible.

Transmisión de calor a través de una pared plana compuesta

Se considera el caso de una pared plana compuesta de diferentes capas de materiales paralelos entre si y que separa dos fluidos en movimiento. En este proceso el flujo de calor se transmite desde el fluido más caliente a la pared, luego a las diferentes capas de materiales de la pared y desde la última hacia el fluido más frío.

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Imagen N°2. Transmisión de calor a través de una pared plana compuesta.

Para la situación de la figura se conocen los siguientes datos: -

conductividades térmicas

( K ) de los diferentes componentes de la pared,

-

temperatura de los fluidos

(T ∞ 1 y T ∞ 2 )

-

espesores

(L).

Se supone, además, que

T ₁, T 3 , h1 y h 2 son constantes para toda la superficie de la

pared, lo que permite suponer que la temperatura de los fluidos y de la pared, solo varían en dirección normal a esta. Por lo anterior el flujo de calor desde el fluido caliente a la superficie interior queda determinado mediante la ecuación.

Q =h1∗( T ∞ 1−T 1 ) A

El flujo de calor determinado anteriormente, se transmitirá a su vez en régimen estacionario por conducción a través de la pared compuesta, quedando determinado por la siguiente ecuación.

27

( T 1−T 3 ) Q = A L1 L2 L + +..+ n K1 K2 Kn

(

)

A su vez, la misma cantidad de calor se transmite desde la superficie de la pared al fluido exterior, el cual se encuentra a una temperatura menor, quedando determinado por la siguiente ecuación.

Q =h2∗( T 3−T ∞ 2 ) A

Para las paredes laterales, fondo y puerta, h corresponde a paredes verticales.

Para la solera y bóveda h es para paredes horizontales.

Pérdidas de calor a través de la solera

Q T 1−T 3 =q= A e1 e2 1 + + K 1 K 2 he

Para calcular el coeficiente pelicular exterior, el cual también considera la radiación transmitida por la pared al ambiente, se utilizara:

Pérdida de calor a través de la bóveda

Q=

T 1−T 3 r2 r4 r6 ln ln ln r1 r3 r5 1 + + + 2 πsk 1 L 2 πsk 2l 2 πsk 3 L 2 πsr 6 Lhe

( ) ( ) ( )

Estas pérdidas se deben calcular para una temperatura de 400°C y para una de 1000°C.

28

5.2 Calor perdido por el horno Q pared total =Qelemento∗Numero elementos pared Donde:

Numero elementos pared =

Qelemento=

Área pared Área elemento

∆T RT elemento

Donde

RT=R equivalente + Raislante + Racero + Rexterior

Requivalente =

Rladrillos refractarios∗R mortero R ladrillosrefractarios + Rmortero

Rladrillos =

espesor ladrillos refractarios k ladrillos refractarios∗arealadrillo refractario

Rladrillos =

espesor mortero k mortero∗areamortero

Raislante =

espesor aislante k aislante∗areaelemento

Racero =

espesor acero k acero∗areaelemento

29

Rexterior =

1 hexterior ∗areaelemento

Donde:

Q pared 1 +Q pared 2+Q fondo +QBoveda +Qsolera +Q puerta =Q perdida total

Total A 400 °C

1360.176641

W

Total A 1000 °C

3432.853971

W

(Ver cálculos en apéndice A).

5.3 Calor absorbido por el horno Para estimar el calor absorbido por los componentes del horno, fundamentalmente por la masa refractaria de paredes, solera, bóveda y puerta, se calculara el calor absorbido por cada componente por separado y luego se sumaran. Para lo anterior se utilizara la siguiente ecuación.

Qabsorbido=m∗Cp∗(T 2 +T 1)

Donde:

Q=Calor absorbido(kJ ) m=Masa (kg)

T 2 =Temperatura final (° C ) T 1 =Temperaturainicial (°C) kJ /kg Cp=Calor especifico ¿ )

30

Q pared 1 +Q pared 1+Q fondo +QBoveda +Qsolera +Q puerta =Qtotal absorbido

Total a 400 °C Total Total a 1000 °C

46435 54 116087. 5 135.01

Total

Kcal KWh Kcal KWh

(Ver cálculos en apéndice B).

5.4 Calor requerido por la carga De acuerdo a la literatura relativa a hornos (hornos industriales), la capacidad de calentamiento máxima por metro cuadrado de solera, para hornos con calentamiento inferior es aproximadamente a

155=

(

kg 2

m

solera

)

.

Por lo tanto, de a cuerdo a las condiciones de diseño el área de la solera es de 2

1.095[ m ] , lo que nos da una capacidad de calentamiento del horno de . Asumiendo para el diseño que la carga tiene un peso igual

170=

(

kg 2

m

solera

)

170[kg] , el calor requerido para

elevar la temperatura de la carga a la temperatura máxima del horno es:

Q=m∗Cp∗(T 2−T 1) Donde:

Q=Calor absorbido(kJ ) m=Masa (kg)

T 2 =Temperatura final (° C ) T 1 =Temperaturainicial (°C) kJ /kg Cp=Calor especifico ¿ )

31

Reemplazando los valores en la ecuación:

Q=170∗0.113∗( 1000−0)

Q=19210 [ Kcal ]=22.34[ KWh]

Que corresponde al calor requerido por la carga.

5.5 Análisis de la combustión El tipo de combustible utilizado corresponde al gas comercial o (GLP), el cual es una mezcla de propano

( C 3 H 8 ) −Butano (C 4 H 10 )

, en una proporción 80% en masa de propano y un 20%

de Butano.

(Ver cálculos en apéndice C).

5.6 Perdidas de calor por los gases de la combustión El calor que escapa por los gases de la combustión desde el interior del horno, es posible estimar con la siguiente ecuación:

´ ∗( 1+ G` )∗C prom∗(T G −492) Q G= W Donde:

´ =gasto del combustible en lb W h

( )

lb ` G=Razon de aire combustible h

( )

C prom =Calor esp . prom de gases de la combustionentre T G ( ° R ) y 492 ( ° R ) , en

( lbbtu° F ) 32

Para estimar el calor perdido por los gases, el gasto de combustible se estima para el diseño del horno en

15

( Hrkg )=33( Hrlb )

.

La razón aire combustible de acuerdo a la ecuación química de la combustión vista anteriormente es de 15.55. Para calcular el calor específico promedio de los gases de escape es necesario conocer el porcentaje de cada uno de ellos en los gases de salida, esto último se obtiene de la ecuación de la combustión, y el calor específico a las temperaturas dadas es obtenido. Debido a que la ecuación esta expresada en unidades inglesas, lo mismo que las graficas utilizadas, el valor final del desarrollo de la ecuación será convertida a unidades métricas. El siguiente cuadro presenta los valores obtenidos. productos

%

492 ( ° R )

2471.7 ( ° R )

C prom

C O2

11.69

0.23

0.315

0.2725

H2O

15.39

0.44

0.57

0.505

N2

72.91

0.25

0.295

0.2725

C prom

0.308

( lbbtu° F )

Reemplazando los valores en la ecuación, el calor perdido por los gases de la combustión es:

Q=326523

Kcal =82283 ( =95695(W ) ( btu ) hr hr )

5.7 Dimensionamiento del canal de humos Para el dimensionamiento de los canales de evacuación de los gases de la combustión hay que considerar el caudal de gases y la presión necesaria al interior del horno.

33

De acuerdo al análisis de la combustión y al consumo máximo de combustible por hora 3

de los quemadores que corresponde a

(

8.54 3

( ) m hr

m gases consumo de combustible es de 230.6 hr

)

, el caudal máximo de gases para este

.

Con respecto a la presión en el interior del horno, la literatura recomienda una presión levemente superior a la presión atmosférica, la que puede ser provista por el ventilador, que dependiendo del consumo de combustible y de las condiciones de operación entregan una presión máxima de 2 [mbar]. Por otra parte, se recomienda que los gases de la combustión fluyan a una velocidad de

4 a5

( segm )

en el interior de los canales de humo. Esta velocidad varía de acuerdo al área de

la sección del canal de humo, la que normalmente corresponde a la sección de un ladrillo comercial, con los que se confecciono el horno. Otra recomendación para los hornos con calentamiento lateral inferior, indica que la ubicación del canal de humos se debe situar en la parte superior del horno, ya que de esta manera el chorro de la llama aspira productos más fríos de combustión y así circula una llama más moderada sobre la carga. Además, para los hornos que utilizan algún tipo de gas como combustible no se requieren chimeneas solo usan canales de humos para la evacuación de los gases. Por lo tanto, con los valores y consideraciones anteriores, la sección del canal de humos para la evacuación de los gases de la combustión:

m3 Q hr A= = V m 4.5 seg 230.6

Por lo tanto la sección del canal de humos es: 142.38 [ cm aproximadamente a la sección de un ladillo de pared

2

]

que corresponde

142.38[ cm2 ] .

34

5.8 Tiempo de calentamiento del horno Para evaluar el tiempo de calentamiento del horno, se consideraran las dos etapas, la primera desde la temperatura ambiente (Aprox. 0°C) hasta una temperatura de 400 °C sin carga y una segunda etapa con carga, desde los 400 °C hasta la temperatura máxima de trabajo (1000 °C).

El balance térmico para la etapa inicial de 0 °C a 400 °C: es

Qtotal=( M∗PC )−P 1−PG El balance térmico para la etapa inicial de 400 °C a 1000 °C: es

Qtotal =( M∗PC )−P 2−PG De acuerdo a los resultados el horno a su máxima tasa de calentamiento, tarda 187.01 [min]. En calentarse a la máxima temperatura de diseño. (Ver cálculos en apéndice D).

35

Capitulo 6: Selección de componentes 6.1 Selección de quemadores De acuerdo al tipo de combustible y al consumo máximo de combustible requerido por el horno para su funcionamiento, se utilizaran 2 quemadores, situados paralelamente a un costado del horno, sobre la solera. Se eligen 2 quemadores de baja potencia y no uno de potencia equivalente que cumpla con los requerimientos, con la finalidad de tener un mejor manejo de las condiciones de operación, principalmente, cuando se requiera trabajar en un rango de temperaturas bajas o cuando se desee mantener la temperatura estable. El modelo de quemador corresponde a un quemador marca FENIX, modelo Atmosférico A, cuyas características se presentan en el (Ver Apéndice E).

6.2 Sistema de control Para controlar el funcionamiento del horno, se utilizara un controlador de temperatura de la serie DT de controladores de temperatura DELTA, que tienen una respuesta de salida rápida, acertados parámetros PID auto-ajustables, soporta protocolos de comunicación MODBUS y está diseñado con varios tipos de salida, permitiendo alcanza un control muy rápido en diferentes sistemas. Además, todas las series se encuentran compiladas con una dimensión internacional de instalación y están aprobadas por la CE y UL de seguridad internacional. (Ver Apéndice E). Que de acuerdo a sus características, nos permitirá tener un adecuado control de la temperatura del horno y de los tiempos requeridos a diferentes temperaturas para lograr un tratamiento térmico efectivo. Se trata de un controlador del tipo PID (proporcional, integral, derivato) que nos permite minimizar el error en el control de la temperatura, lográndose además una optimización en el funcionamiento de los quemadores. Debido a que el controlador posee una sola salida, y a la implementación de dos quemadores, es necesario utilizar un PLC marca ARDMAT, de 8 entradas y 6 salidas con relay, para poder controlar y manejar el funcionamiento de ambos quemadores. Los datos necesarios a ingresar al controlador dependerán del tipo de tratamiento térmico a realizar y de las características de la carga (peso, forma de la pieza, composición química). Las temperaturas al interior del horno serán medidas por medio de un Termocupla tipo k, con un rango de medición de 0 a 1200°C, la que se adecua a los requerimientos de operación del horno. Como parte del sistema de control también se implementara un interruptor selector manual/automático, botón de emergencia y botonera de partida-parada.

36

El esquema básico de control se presenta en la siguiente figura:

6.3 Refractarios Para la construcción de las paredes, como se indico anteriormente, se utilizaran ladrillos aislantes K 26 / T 26 (1427° C) – Importados. Cuya característica principal es su alta refractariedad y su capacidad de soportar altas temperaturas, alta capacidad de soportar elevados choques térmicos, además de su alta resistencia a al abrasión y contaminación (ver Apéndice E). Para pegar los ladrillos refractarios, se utilizara un mortero refractario, que posea una baja conductividad térmica, alta estabilidad estructural y resistencia al cambio volumétrico, además de su alta temperatura de uso. La juntura que se obtiene es bastante delgada y su aplicación es sencilla. Por lo anterior el mortero refractario utilizado es un mortero refractario de vermiculita llamado VERTEX, cuyas características se presentan en el anexo. En lo que respecta a la estructura, está construida de acero estructural con el fin de dar estabilidad necesaria al sistema.

6.4 Aislante El aislante seleccionado es de la empresa Nanjing Cera Material Technology Co., Ltd. Es una manta de fibra de Cerachrome de 1430. La cual posee un excelente rendimiento aislante, además de una bajísima conductividad térmica y también es de fácil instalación. (Ver Apéndice E).

37

Capitulo 7: Costos

38

Conclusiones Visto el calor requerido para mantener el horno a una temperatura dada, el flujo de calor necesario corresponde básicamente a las perdidas por los gases y por las paredes, por lo tanto se estima que es más conveniente instalar dos quemadores de baja potencia y no uno mayor, ya que esta última alternativa implica una mayor frecuencia de partida y parada, dificultando el control de temperatura, situación que no se presenta con la alternativa de dos quemadores de baja potencia El tipo de controlador seleccionado, obedece a la necesidad de l adecuado control de los parámetros de los tratamientos térmicos, ya que nos permite programar completamente el proceso, temperaturas, tiempos de calentamiento, tiempos de enfriamiento y tiempos de permanencia a una temperatura dada. Mientras que en otro controladores solo se pueden programar las temperaturas que se mantiene constantes, dejando de lado los tiempos involucrados en cada uno de las etapas de los tratamientos. El mayor costo involucrado en este tipo de programador, se compensa al lograr una mayor eficiencia de operación, lo que redunda en menores costos de operación. El sistema de control corresponde aproximadamente al 22% de los costos de los materiales, este ítem puede disminuir, por otro controlador de menos precio, pero se perdería la ventaja de programar el proceso que proporciona el controlador seleccionado, como se indica en el punto anterior. También es posible disminuir los costos al cambiar los dos quemadores por uno de mayor potencia, con lo cual se eliminara el PLC, produciéndose por otro lado una disminución en la eficiencia del horno y de la calidad del control de la temperatura.

Bibliografía

39

[1] Cengel Yunus; Transferencia de calor y masa; Tercera edición en español; editorial McgrawHill; México; 2007. [2] Silva Carrasco Marcelo; Diseño de un horno a combustión para tratamiento térmicos de los aceros; Universidad de Talca; Talca; Chile; 1998. [3] Leal Leal René, Salgado Rojas Eleodoro; Diseño de un horno eléctrico para tratamiento térmicos; Universidad de Talca; Talca; Chile; 1980. [4] Salinas Gonzalo; Apuntes de Transferencia de calor; Universidad de Talca; 2012. [5] Salinas Gonzalo; Apuntes de Termodinámica; Universidad de Talca; 2008. [6] Trinks Willibard, Mawhinney A. H.; Hornos industriales; Ediciones Urmo S.A.; Bilbao; España; 1975; Primera Edición; Volumen I y II.

40

Apéndices Apéndice A: Calculo del calor perdido por el horno.

Calor perdido a 400 °C. Calor perdido por paredes laterales, puerta y fondo. Placas verticales

[ ]

h ∞=1.42∗

Donde:

∆T L¿

1 4

¿

L =longitud caracteristica

Espesor aislante = 0,05 m

coeficiente pelicular interior coeficiente pelicular exterior espesor ladrillos espesor mortero espesor aislante espesor acero Cond. Térmica ladrillo Cond. Térmica mortero Cond. Térmica aislante Cond. Térmica acero temperatura interior temperatura exterior Temp. Pared ladrillos Temp. Pared aislante Temp. Pared acero Temp. Pared exterior Área

3.3032 891

3.3014377

0 W/m² C

hi he e1 e2 e3 e4 k1 k2 k3 k4 tinf1 tinf2 tw1 tw2 tw3 tw4 A

3.307 6474

3.95 0.114 0.114 0.05 0.001 0.329 0.16 0.03 43 400 0 400 331.5 43.8 43.79598 0.01912

3.307 6476

W/m² C m m m m W/m C W/m C W/m C W/m C °C °C °C °C °C °C m²

3.300 4944

3.305 0832

41

0.0191 2 0.0145 16 0.0046 04

áreas elemento área ladrillo área concreto

resisten cias R ladrillos R mortero

23.8705263 154.756733

R equivale nte

20.6806323

R aislante R acero R exterior

87.1687587 0.00121631 13.2408241

Calor perdido Por la solera.

Flujo bajo placa caliente

[ ]

h ∞=0.59∗

∆T L¿

1 4


coeficiente pelicular interior coeficiente pelicular exterior espesor ladrillos espesor mortero espesor aislante espesor acero

Hi He e1 e2 e3 e4

0 W/m² C 1.86 0.114 0.114 0.05 0.001

W/m² C m m m m 42

Cond. Térmica ladrillo Cond. Térmica mortero Cond. Térmica aislante Cond. Térmica acero temperatura interior temperatura exterior Temp. Pared ladrillos Temp. Pared aislante Temp. Pared acero Temp. Pared exterior Área

3.13770 13

3.1399 372

áreas total segmento área ladrillo área concreto

k1 k2 k3 k4 tinf1 tinf2 tw1 tw2 tw3 tw4 A

3.1365 386

0.329 0.16 0.03 43 400 0 400 362 88.2 88.19619 0.01912

3.1365 387

W/m W/m W/m W/m °C °C °C °C °C °C m²

3.1410 336

C C C C

3.1324 296

0.01912 0.014516 0.004604

resistenci as 18.12262 34 37.26464 R mortero 44 R ladrillos

R equivalen 12.19293 te 07 87.16875 87 0.001216 R acero 31 28.11895 R exterior 44 R aislante

Calor perdido por la Bóveda.

Flujo sobre placa caliente

43

[ ]

h ∞=1.32∗

∆T ¿ L

1 4

Espesor aislante = 0,05 m eaislante elad eacero dint dlad daislante dext DeltaT°

Ui

0.05 0.1143 0.001 1.0357 1.15 1.2 1.201 130.985 4.265732 04 1.1143 2.910396 22 0.343595 83

Ai

3.625650 85

q

1245.758 51

q

498.3034 04

hext L 1/Ui

áreas pared fondo pared lateral solera bóveda puerta área elemento

m 1.0194 1 1 0.891 1.0194

Kaislante Kacero Klad Tint Text

0.03 43 0.329 1000 0

Tint Text

400 0

cantidad de elementos 53.31589958 52.30125523 52.30125523 46.60041841 53.31589958

0.01912 m²

44

Flujo de calor a través de las distintas paredes pared compuesta de ladrillos de aislante y chapa de acero pared fondo pared lateral pared lateral puerta solera bóveda Total

refractarios, mortero refractario, capa 176.1178299 172.7661663 172.7661663 176.1178299 164.1056485 498.303 1360.176641

W W W W W W W

Calor perdido a 1000 °C.

Calor perdido por paredes laterales, puerta y fondo.

Placas verticales

[ ]

h ∞=1.42∗

Donde:

∆T ¿ L

1 4

L¿=longitud caracteristica

Espesor aislante = 0,05 m coeficiente pelicular interior coeficiente pelicular exterior espesor ladrillo refractario espesor mortero espesor aislante espesor acero Cond. Térmica ladrillo Cond. Térmica mortero Cond. Térmica aislante Cond. Térmica acero temperatura interior temperatura exterior

hi he e1 e2 e3 e4 k1 k2 k3 k4 tinf 1 tinf 2

0 W/m² C 5 0.114 0.114 0.05 0.001 0.329 0.16 0.03 43

W/m² C m m m m W/m C W/m C W/m C W/m C

1100 °C 0 °C 45

Temp. Temp. Temp. Temp. área

Pared Pared Pared Pared

8.45230 96

ladrillos aislante acero exterior

8.4502 519

áreas total segmento área ladrillo área mortero

tw1 1000 °C tw2 825 °C tw3 88.5 °C tw4 88.48972 °C A 0.01912 m²

8.4596 8.459617 163 232

8.4491 28

8.4518 048

0.01912 0.014516 0.004604

resistenci as 23.87052 63 154.7567 R mortero 33 R ladrillos

R equivalen 20.68063 te 23 87.16875 R aislante 87 0.001216 R acero 31 10.46025 R exterior 1

Calor perdido por la solera. Flujo bajo placa caliente

[ ]

∆T h ∞=0.59∗ ¿ L

1 4

46


coeficiente pelicular interior coeficiente pelicular exterior espesor ladrillos espesor concreto refractario espesor lana mineral espesor acero Cond. Térmica ladrillo Cond. Térmica mortero Cond. Térmica aislante Cond. Térmica acero temperatura interior temperatura exterior Temp. Pared ladrillos Temp. Pared aislante Temp. Pared acero Temp. Pared exterior área

7.84425 33

7.7284 09

áreas total segmento área ladrillo área concreto

0 W/m² C

hi he e1 e2 e3 e4 k1 k2 k3 k4 tinf1 tinf2 tw1 tw2 tw3 tw4 A

3.7268 622

1.86 W/m² C 0.114 m 0.114 0.05 0.001 0.329 0.16 0.03 43 1000 0 1000 891 104.8 104.7890 4 0.01912

3.7266 336

m m M W/m W/m W/m W/m °C °C °C °C °C

C C C C

°C m²

9.0192 864

9.0108 736

0.01912 0.014516 0.004604

resistenci as 18.12262 R ladrillos 34 R 37.26464 concreto 44 R equivalen 12.19293 te 07 47

87.16875 87 0.001216 R acero 31 28.11895 R exterior 44 R aislante

Calor perdido por la Bóveda. Flujo sobre placa caliente:

eaislante elad eacero dint dlad daislante dext DeltaT°

Ui

0.05 0.1143 0.001 1.0357 1.15 1.2 1.201 130.985 4.265732 04 1.1143 2.910396 22 0.343595 83

Ai

3.625650 85

q

1245.758 51

q

498.3034 04

hext L 1/Ui

áreas pared fondo pared lateral solera bóveda puerta

1.0194 1 1 0.891 1.0194

Kaislante Kacero Klad Tint Text Tint Text

0.03 43 0.329 1000 0 400 0

cantidad de elementos 53.31589958 52.30125523 52.30125523 46.60041841 53.31589958 48

área elemento

0.01912

Flujo de calor a través de las distintas paredes pared compuesta de ladrillos aislante y chapa de acero pared fondo pared lateral pared lateral puerta solera bóveda Total

refractarios, mortero refractario, capa de 450.641978 442.0658996 442.0658996 442.0658996 410.2642939 1245.75 3432.853971

W W W W W W W

Apéndice B: Calculo del calor requerido por el horno.

Calor requerido a 400 °C.

Paredes laterales: Pared ladrillo 70 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total Cp ladrillos refractarios Q=m*Cp*ΔT Calor absorbido por paredes laterales

116,143, 316 cm³ 116,143, 316 cm³ 94 kg 0.2 Kcal/kg C 7526.08 Kcal

17270.32 Kcal

49

Aislante masa aislante

6.7 kg

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp*Δ T

616.4 Kcal Masa total

Chapa de acero Masa chapa de acero

112

10.9 kg

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

492.68 Kcal

Pared de fondo: Pared ladrillo 69 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total Cp ladrillos refractarios

114,484, 126 cm³ 114,484, 126 cm³ 93 kg 0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

7418.56 Kcal

Q pared de fondo

8421.84 Kcal


Cp aislante

5.55 kg

Kcal/kg 0.23 C 50

Q=m*Cp*ΔT



109

10.9 kg

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

492.68 Kcal

Solera: Pared ladrillo 46 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total

76322.75 cm³ 76322.75 cm³ 62 kg

Cp ladrillos refractarios

0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

4945.68 Kcal

Calor absorbido por la solera

6087.88 Kcal


7.06 kg

Cp aislante

Kcal/kg 0.23 C

Q=m*Cp*Δ T

Chapa de acero


80 kg 51

Masa chapa de acero

10.9 kg

Cp acero

0.11 3 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

492. 7 Kcal

Bóveda:

Pared ladrillo 61 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total

101210.6 cm³ 101210.6 cm³ 81.98 kg

Kcal/kg 0.2 C

Cp ladrillos refractarios Q=m*Cp*ΔT

6558.4 Kcal

Calor absorbido por la bóveda


Cp aislante Q=m*Cp* ΔT

7.09

7703.36 Kcal

kg

Kcal/kg 0.23 C

652.28 Kcal

52

Masa total


100 kg

10.9 kg

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

492.68 Kcal

Puerta: Pared ladrillo 55 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa ladrillos

91255.46 cm³ 91255.46 cm³ 74 kg


0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

5913.36 Kcal

Calor absorbido por la puerta

6951.6 Kcal


5.93 kg

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp* ΔT



91

10.9 kg

53

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

492.68 Kcal

Horno completo: Calor absorbido laterales Calor absorbido fondo Calor absorbido Calor absorbido Calor absorbido Total Total

paredes 17270.32 Kcal pared de solera bóveda puerta

8421.84 6087.88 7703.36 6951.6 46435 54

Kcal Kcal Kcal Kcal Kcal KWh

Calor requerido a 1000 °C.

Paredes laterales: Pared ladrillo 70 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total Cp ladrillos refractarios

116,143, 316 cm³ 116,143, 316 cm³ 94 kg 0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

18815.2 Kcal

Calor absorbido por paredes laterales

43175.8 Kcal

54


6.7 kg

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp* ΔT


1541 Kcal Masa total

112 kg

10.9 kg

Cp acero Q=m*Cp*ΔT

0.113 Kcal/kg C 1231.7 Kcal

Fondo: Pared ladrillo 69 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total Cp ladrillos refractarios

114,484, 126 cm³ 114,484, 126 cm³ 93 kg 0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

18546.4 Kcal

Q pared de fondo

21054.6 Kcal

Aislante 55

masa aislante

5.55 kg

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp* ΔT



109 kg

10. 9 kg

Cp acero Q=m*Cp*ΔT


Solera: Pared ladrillo 46 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total

76322.75 cm³ 76322.75 cm³ 62 kg


0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

12364.2 Kcal

Calor absorbido por la solera

15219.7 Kcal


7.06 kg

56

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp* ΔT



80 kg

10.9 kg

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

1231.7 Kcal

Bóveda: Pared ladrillo 61 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa total

101210.6 cm³ 101210.6 cm³ 81.98 kg


0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

16396 Kcal

Calor absorbido por la bóveda


Cp aislante Q=m*Cp*

7.09

19258.4 Kcal

kg

0.23 Kcal/kg C 1630.7 Kcal 57

ΔT Masa total


10.9 kg

Cp acero Q=m*Cp*ΔT

100 kg


Puerta: Pared ladrillo 55 ladrillos de (228.6x114.3x63.5) [mm] Volumen total Masa ladrillos

91255.46 cm³ 91255.46 cm³ 74 kg


0.2 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

14783.4 Kcal

Calor absorbido por la puerta

17379 Kcal


5.93 kg

Cp aislante

0.23 Kcal/kg C

Q=m*Cp* ΔT



91 kg

10.9 kg 58

Cp acero

0.113 Kcal/kg C

Q=m*Cp*ΔT

1231.7 Kcal

Horno completo:

Calor absorbido laterales Calor absorbido Calor absorbido Calor absorbido Calor absorbido Total Total

paredes pared de fondo solera bóveda puerta

43175.8 21054.6 15219.7 19258.4 17379 116087.5 135.01

Apéndice C: Calculo del volumen de gases por

Kcal Kcal Kcal Kcal Kcal Kcal KWh

m3 de combustible.

59

La ecuación química equilibrada de la combustión de esta mezcla es la siguiente:

1.85C 3 H 8+ 0.35C 4 H 10 +11.525 O2+ 43.334 N 2 →6.95 C O2 +9.15 H 2 O+ 43.334 N 2 Combustible

Aire

Productos de la combustión

Potencia calorífica superior:

Propano ( C 3 H 8 ) 12027

Butano ( C4 H 10 ) 11832

[

[

]

Kcal kg comb

Kcal kg comb

]

Conforme a la mezcla de los gases (Propano y Butano) la potencia calorífica superior es:

Q¿ =0.8∗12027+ 0.2∗11832 Q¿ =11988 [ Kcal ] Potencia calorífica inferior:

[

Kcal kg comb

]

[

Kcal kg comb

]

Propano ( C 3 H 8 ) 11119

Butano ( C4 H 10 ) 10996

Conforme a la mezcla de los gases (Propano y Butano) la potencia calorífica inferior es:

Qinf =0.8∗11119+0.2∗10996 Qinf =11094 [ Kcal ]

De la ecuación de equilibrio para la combustión se tiene: 60

Rac v =

a

(

R c p=

Mol aire 1.85+0.35 =24.93 11.525+ 43.334 Molcomb

(

)

) gr aire

43.334∗14 =15.55 ( ( 11.525∗32+ 1.85∗44 +0.35∗58 ) gr ) comb

VolCO 6.95 ∗100=( ∗100 ( Vol Gases secos ) 6.95+ 43.334 )

CO 2=

2

CO 2=13.821

Volumen de gases por

m3 de combustible

6.95+ 9.15∗43.334 m3 gases =27.01 3 1.85+0.35 m comb

(

)

61

Apéndice D: Calculo del tiempo de calentamiento del horno.

De acuerdo a los datos obtenidos en los cálculos precedentes se tiene:

Perdida de calor por las paredes a 400 °C (P1)

1360.17 ( W )

Perdida de calor por las paredes a 1000 °C (P2)

3432.85 (W )

Perdida de calor por los gases de la combustión (PG)

95695 ( W )

Calor requerido por las paredes de 400 °C (R1)

54 ( KWh )

Calor requerido por las paredes de 1000 °C (R2)

135.01 ( KWh )

Calor requerido por las carga a 1000 °C (R3)

22.34 ( KWh )

Potencia calorífica inferior del combustible (PC)

11094

( kgKcal ) comb

Masa de combustible (M)

15

( Kg hr )

El tiempo de calentamiento para la primera etapa (0 °C a 400 °C): Calor disponible es:

Qdisp =( M ∗PC )=15∗11094 Qdisp =166410

( Kcal hr )

Pérdidas totales:

Ptotales =P 1+ PG=1360.17+95695 62

Ptotales =P 1+ PG=97055.17

( Kcal hr )

Por lo tanto el calor total disponible es:

Qtotal=Qdisp −Ptotales =166410−97055.17 Qtotal =69354.83

( Kcal hr )

Calor total requerido por el horno en la primera etapa de calentamiento:

Qreq =R 1=54 Qreq =54 [KWh] Por lo tanto el tiempo de calentamiento de la primera etapa es:

T calentamiento=

Qreq 54000 = Qtotal 69354.83

T calentamiento=0.7786 [ h r ]=46.7[min] El tiempo de calentamiento para la segunda etapa (a 1000 °C) es: Calor disponible es:

Qdisp =( M ∗PC )=15∗11094 Qdisp =166410

( Kcal hr )

Pérdidas totales:

Ptotales =P 2+ PG =3432.85+95695 Ptotales =P 2+ PG =99127.85

( Kcal hr )

Por lo tanto el calor total disponible es:

Qtotal=Qdisp −Ptotales =166410−99127.85

63

Qtotal =67282.15

( Kcal hr )

Calor total requerido por el horno en la segunda etapa de calentamiento:

Qreq =R 2+ R 3=135.01+22.34 Qreq =157.35[ Kcal]

Por lo tanto el tiempo de calentamiento de la segunda etapa es:

T calentamiento=

Qreq 157350 = Qtotal 67282.15

T calentamiento=2.339 [ h r ] =140.31[min]

Apéndice E:

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Proyecto Diseño Termico Horno Gas LP

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