Proyecto Trmico:

Horno a combustin de gas LP Profesor: Gonzalo Salinas Nombre: Vctor Meli M

Csar Rodrguez F Asignatura: Proyecto Trmico Fecha: 16-06-10Introduccin

El objeto del presente trabajo es disear un horno de 1m3 que pueda operar a una temperatura de 600C y emplee una fuente trmica viable en trminos tcnicos y econmicos.

Los requerimientos de los tratamientos trmicos, en lo relativo a las temperaturas que se deben alcanzar y los tiempos requeridos para satisfacer esta demandas de temperaturas.

Estos parmetros son los que diferencian un tratamiento trmico de otro y les entrega las caractersticas al material tratado.

Estableciendo los requerimientos de operacin, se establecen las dimensiones iniciales y los criterios de diseo del horno, en lo que respecta a las condiciones de trabajo de las paredes conforme a los datos iniciales del diseo y a las alternativas comerciales del material refractario a utilizar.

Definidas las dimensiones del horno, se estiman los flujos de calor involucrados, los que corresponden a las perdidas producidas por las paredes, los gases 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 clculos, se seleccionan los equipos y componentes del horno que sern utilizados.

Finalmente, se detallan las conclusiones que corresponden a las especificaciones tcnicas de los componentes y graficas utilizadas.DISEO DE HORNO

1.-Criterios de Diseo1.1.-Seleccin del tipo de horno1.1.1.-Dimensiones Generales

El cliente solicita desarrollar el proyecto tcnico de un horno industrial para tratamientos trmicos, con una temperatura mxima de operacin de 600C y que permita un amplio rango de control de temperatura, con las siguientes dimensiones:

Ancho

1 mLargo

1 mProfundidad

1 mVolumen til

1 mDentro de stas medidas se consideraran las posibilidades, que tienen relacin con materiales, accesorios, consumo de energa, espesor de aislante y en general con todos los clculos, con el fin de lograr una mayor eficiencia del horno.

1.1.2.-Dimensiones de las ParedesCon el fin de lograr un adecuado dimensionamiento de las paredes, es necesario seleccionar los diferentes componentes que formaran parte de ella.

Para lograr esto, los clculos se realizaran en MATHCAD v.14, con el fin de seleccionar los componentes que mejor satisfagan los requerimientos, principalmente de temperatura, perdidas de calor y el tamao de los ladrillos.

1.1.3.-Condiciones de trabajo de las Paredes

Las condiciones de trabajo son crticas para las paredes en su superficie interior. Esta debe soportar temperaturas mximas en orden de 600 C. Adems, de una atmsfera contaminada por los gases de combustin, en el caso de utilizar cmara directa.

Para seleccionar los componentes de las paredes que satisfagan estas condiciones de trabajo, se hace necesario tomar en consideracin las siguientes condiciones de servicio:

Esfuerzo mecnicoFluctuaciones de los esfuerzos

Temperatura

Choque Trmico

Atmsfera

1.1.4.-Aspecto econmico de construccinDentro de las opciones disponibles para la construccin de un horno para tratamientos trmicos, podemos clasificar segn su fuente de alimentacin: electricidad, gas, combustible fsil slido, lquido y gaseoso.

En el estudio de Leal, Ren, Salgado, Eleodoro. (1980). Diseo de un horno elctrico para tratamientos trmicos., Capitulo 3: Consideraciones y antecedentes para el diseo (pp. 61 - 95), se compar las distintas opciones de construccin tomando como variable el aspecto econmico de construccin, esto es el costo inicial, en el cual concluye que el horno elctrico es el que presenta un valor menor de construccin inicial.

1.1.5.-Tipo de AlimentacinEl uso de combustibles fsiles slidos como carbn y lea hacen que la posibilidad de usarlos sea descartada dado la contaminacin en la cmara de tratamiento, provocada por los subproductos de la combustin, por lo tanto se necesitar de una cmara indirecta para calentar correctamente los materiales, lo que se traduce en un mayor costo inicial. Tanto el horno a gas como el de electricidad poseen fortalezas y debilidades, donde para el caso del costo del combustible se puede ver en la siguiente tabla:

Tabla 1:

1.1.6.-Temperatura de trabajo De acuerdo a las caractersticas necesarias del diseo, para tratamientos trmicos de los aceros, se puede apreciar que en estos procesos trmicos se considerara una temperatura de funcionamiento de 600 C.1.1.7.-Transmisin de calor entre el horno y la cargaEl calor es transferido por conduccin, conveccin y radiacin, aunque en la prctica es una combinacin de estas tres formas con el predominio de una de ellas.

En hornos industriales el fenmeno de transmisin de calor predominante queda determinado por el tipo de horno y por la temperatura de trabajo.

1.1.8.-Quemador

De acuerdo con los requerimientos de calor de los tratamientos trmicos y a las exigencias ambientales de emanaciones de gases, se utilizar un quemador BALTUS modelo BTG 11 a gas como combustible, de una etapa, para minimizar los costos y ser situado paralelo a un costado del horno, este quemador tendr las siguientes caractersticas:

(Fig. N 1: Quemador)

1.1.9.-Sistema de Control

El control de la temperatura, as como de los tiempos involucrados es la funcin ms crtica en el proceso de los tratamientos trmicos, por lo que dentro de las alternativas de control que se encuentran en el mercado, se seleccionar la que permita tener un mejor control de estas variables.

El control necesario, ser tal de proveer calor para llegar a la temperatura deseada, adems de mantener dicho calor luego de ser alcanzado.

Se utilizar un controlador programable de temperatura marca SHIMADEN, de la serie FP21, se trata de un dispositivo de una sola lnea de salida que va conectado al quemador, los datos necesarios a ingresar al controlador dependern del tipo de tratamiento trmico a realizar y de las caractersticas de la carga (Peso, forma de la pieza, composicin qumica).Las temperaturas al interior del horno sern medidas por medio de una termocupla del tipo J con un rango de medicin de hasta 760 C , la que se adecua a los requerimientos de operacin del horno.

(Fig. N 2: Controlador)

(Fig. N 3: Termocupla)

El esquema bsico de control se presenta de la siguiente manera:Hacerlo bien como diagrama de bloques estandarizado y con retroalimentacin

(Fig. N 4: Sistema de control)

1.1.10.-Soluciones Tcnicas

Con el fin de satisfacer los requerimientos anteriormente nombrados, se ha decidido conformar las paredes con 2 capas de ladrillos refractarios, lana de vidrio mineral, forradas exteriormente con una plancha de acero.

Para la capa interna de las paredes se utilizarn ladrillos refractarios ALADIN 70, para condiciones extremas de servicio, choque trmico y alta temperatura, posee gran resistencia a la abrasin y es apto para atmsferas contaminadas.

La segunda capa esta compuesta por ladrillos T-20, el cual tambin es apto para soportar altas temperaturas, adems posee una baja conductividad trmica, lo que permite usarlo como aislante.

La tercera capa esta compuesta por lana de vidrio mineral, ubicada entre la capa de ladrillos T-20 y la capa exterior de las planchas de acero, con el fin de lograr una mejor decisin en la configuracin de las paredes, y as lograr la mayor eficiencia posible del horno.

(Fig. N 2: Esquema horno combustin)1.2.-Dimensionamiento

Para lograr el dimensionamiento final de las paredes y en definitiva del horno, se tomarn en consideracin las diferentes opciones comerciales disponibles de aislantes. Una vez establecidas las dimensiones, se proceder a calcular las reas de transferencia de calor y establecer la cantidad de ladrillos refractarios, planchas de acero y lana mineral necesarios para cada pared.1.2.1.-Dimensiones generales de las paredesDe acuerdo con las dimensiones preliminares de diseo y considerando las dimensiones comerciales de los ladrillos refractarios utilizados, se presentan las dimensiones y compasiones de las paredes.

1.2.1.1.-Pared de fondo

1.2.1.2.-Pared Lateral

1.3.-Cantidad de ladrillos y peso de las paredes2.-Transferencia de Calor

Con las dimensiones del horno establecidas, se estimarn las perdidas de calor por la paredes y el calor requerido por estas para lograr la temperatura mxima del horno (600C), con los diferentes espesores de aislante. Adems de estimara el calor requerido por la carga para llegar a la temperatura mxima.

Conocidos los flujos de calor involucrados, se estimar el tiempo de calentamiento del horno y el consumo de combustible.

2.1.- Transmisin de calor a travs de una pared plana compuestaConsideramos 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 mas caliente a la pared, luego a las diferentes capas de materiales de la pared y desde la ltima hacia el fluido mas fro.

(Fig. N 3: Esquema materiales pared)

Para la situacin de la figura se conocen los siguientes datos: conductividades trmicas (K), de los diferentes componentes de la pared, temperatura de los fluidos (T y T) y espesores (L). Se supone, adems, que T,T, h y h son constantes para toda la superficie de la pared, lo que permite suponer que la temperatura de los fluidos y de la pared, solo varan en direccin normal a esta.Las ecuaciones utilizadas para calcular el flujo de calor entre las paredes desde el interior del horno hasta el exterior son las siguientes:

(Fig. N 4: Ecuacin N 1)

(Fig. N 5: Ecuacin N 2)

2.2.- Calor requerido por las paredes para el calentamientoPara estimar el calor requerido por los componentes del horno, fundamentalmente por la masa refractaria de las paredes, se calculara el calor por separado y luego se sumaran, para lo anterior se utilizara la siguiente ecuacin:

(Fig. N 6: Ecuacin N 3)

Donde:

Q=Calor absorbido (kJ)

M=Masa (kg)

T=Temperatura final (C)

T=Temperatura inicial (C)

Cp=Calor especifico (kJ/kg)

3.-Caractersticas tcnicas de los componentes de las paredes

3.1.-Caractersticas Lana vidrio mineral

(Fig. N 8: Tabla propiedades)

3.2.-Caractersticas Ladrillo refractario

(Fig. N 9: Tabla propiedades)

3.3.-Caractersticas Ladrillo refractario

(Fig. N 10: Tabla propiedades)

3.4.-Caractersticas plancha acero

(Fig. N 11: Tabla propiedades)

Universidad de Talca

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Mecnica

Azul: Refractario CBC 70-AL

Rojo: Refractario Aislante ASTM C-20

Amarillo: Lana Mineral

Negro: Plancha Acero

CONTROLADOR

HORNO

QUEMADOR