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DISEO, CONSTRUCCIN Y AUTOMATIZACIN DE UN HORNO ELCTRICO PARA
EL CALENTAMIENTO DE PREPOLYMER Y POLYOL EN LA ELABORACIN DE
CALZADO PARA LA EMPRESA CALZADO CASS
Patricio Geovanny Aguirre Gonzaga, Boris Alexander Snchez
Andrade.
[email protected]@gmail.com
Ing. Jos Eduardo Meythaler Naranjo, Ing. Milton Fabricio Prez
Gutirrez.
[email protected]
[email protected]
Escuela Politcnica del Ejrcito Extensin Latacunga, Carrera de
Ingeniera
Electromecnica
Quijano y Ordoez y Hermanas Pez
CotopaxiEcuador
RESUMEN:
Este proyecto ser ejecutado por la
empresa de calzado CALZADO CASS
con el afn de mejorar la calidad de la
produccin de calzado, y dar un mejor
servicio al consumidor final. El proyecto
consiste en el diseo, construccin y
automatizacin de un horno elctrico, para
lo cual diseo cumplir con los estndares
de seguridad establecidos. El material que
ser calentado es el Polyol y el
Prepolymer, este nos servir para la
fabricacin de las plantillas que sern
usadas en los distintos tipos de zapatos. El
tipo de horno que se va a construir es un
horno elctrico, donde el elemento queproporciona la energa
calorfica sern las
resistencias elctricas, para la adquisicin
de datos se utilizar una termocupla tipo
J industrial la cual enviar los datos hasta
el controlador de temperatura. Posterior a
la automatizacin se realizarn las
pruebas de campo, las que nos ayudaran
a establecer la eficiencia del horno en su
proceso.
Palabras claves:
Horno elctrico, Controlador de
temperatura, Termocupla, Polyol ,
Prepolymer.
ABSTRAC:
This project will be implemented by the
shoe company "SHOE CASS" in an effort
to improve the quality of footwear
production and provide better service to
the consumer. The project consists of the
design, construction and automation of an
electric oven, which design to meet safety
standards set. The material to be heated is
the Polyol and Prepolymer, this serviara us
for making the templates that will be usedin different types of
shoes. The type of
furnace that is going to build an electric
furnace, where the element that provides
the heat energy will be electric immersion
for data acquisition a "J" type
thermocouple industry which will send data
to the controller will be used temperature.
After the automation field tests will be
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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conducted, which will help us to establish
the efficiency of the furnace in the process.
Keyword:
Electric oven, Temperature controller,Thermocouple, Polyol ,
Prepolymer.
I.- INTRODUCCIN.
La empresa de Calzado CASS se
encuentra ubicada en la ciudad de Ambato
en el barrio Guachi Chico, esta empresa
familiar est dedicada a la fabricacin de
todo tipo de calzados tanto para hombre
como para mujer, sus calzados son
realizados a base de cuero y con plantillas
de una mezcla de Polyol y Prepolymer.
El material utilizado para la elaboracin de
las plantillas de zapatos son una mezcla
de Polyol y Prepolymer, estos dos
materiales vienen separados en tanques
metlicos de 58,5 cm de dimetro por 89
cm de alto, los tanques son calentados en
el horno a 80C por un tiempo de 24 horas,
luego el material por separado es
reubicado en tanques metlicos pequeos
lo cual facilita su maniobra, los tanques
pequeos de Polyol y Prepolymer, son
calentados en el horno a 80C durante 4
horas antes de ser montados en la
maquina inyectora de plantillas.
II.- FUNDAMENTO TERICO.
1. POLYOL Y PREPOLYMER.
El poliuretano es un material muy usado en
la fabricacin de suelas en la industria del
calzado debido a sus caractersticas de
flexin, confort y resistencia a la abrasin.
Su versatilidad y sus propiedades fsicas
robustas lo han convertido en un material
de eleccin para muchos fabricantes de
calzado.
1.1 Polyol.
Los polyoles son lquidos viscosos, cuya
principal caracterstica qumica son los
grupos hidroxilo (OH), constituidos por
oxgeno e hidrgeno. Estos grupos
reaccionan con los grupos Isocianato del
Polisocianato dando lugar a grupos
uretanos.
Los polyoles destinados a la fabricacin de
espuma rgida se obtienen
fundamentalmente del xido de propileno,
la funcionalidad de un Polyol indica el
nmero de grupos hidroxilo existente en la
molcula.
1. HORNOS ELCTRICOS DE
RESISTENCIAS.
Los hornos elctricos por resistencias o
ms conocidos como hornos industriales,
son equipos o dispositivos utilizados en la
industria, en las que se calientan piezas o
elementos colocados en su interior por
encima de una temperatura ambiente.
3. FACTORES PARA UNA CORRECTAELECCIN DE UN HORNO
DERESISTENCIAS.
Para la eleccin correcta de un horno de
resistencias elctricas, se debe tener en
cuenta los tres criterios principales que son
detallados a continuacin:
Requerimiento y datos del usuario.
Posibilidades tecnolgicas del
constructor.
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Posibilidades econmicas.
4. REQUERIMIENTO Y DATOS DEL
USUARIO:
Entre las exigencias tcnicas, se debe
resolver un problema concreto de
fabricacin dentro de un contexto industrial
como se indica a continuacin:
Carga a tratar:
Naturaleza y forma de la carga.
Naturaleza del material.
Temperatura inicial.
Tratamiento:
Ciclo temperatura-tiempo.
Temperatura normal de
utilizacin, mxima y mnima.
Precisin de temperatura
requerida.
Presencia o no de atmsferacontrolada.
Produccin:
Produccin horaria o por
ciclo/carga.
Utilizacin del equipo (horas, das,
semanas, etc.).
5. MECANISMO DE CONDUCCIN DELCALOR.
Existen tres mecanismos diferentes de
transferencia de calor, que se detallan a
continuacin:
5.1. Conduccin.
La conduccin es la transferencia de
energa de las partculas ms energticas
de una sustancia hacia las adyacentes
menos energticas, como resultado de
interacciones entre esas partculas. La
conduccin puede tener lugar en los
slidos, lquidos o gases, ver la figura 1.
Figura 1: Conduccin de calor a travs
de una pared plana. (Cengel, 2011)
5.2. Conveccin.
En la transferencia de calor por conveccin
se da cuando el calor es transferido por el
movimiento relativo de partes del cuerpo
calentado de forma natural o forzada,
como indica la figura 2yfigura 3.
Figura 2: Conveccin natural. (Cengel,
2011)
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Figura 3: Conveccin forzada. (Cengel,
2011)
5.3. Radiacin.
La radiacin es la energa emitida por la
materia en forma de ondas
electromagnticas (fotones) como
resultado de los cambios en las
configuraciones electrnicas de los
tomos o molculas. A diferencia de la
conduccin y la conveccin, la
transferencia de calor por radiacin norequiere la presencia de
un medio
interventor, ver la figura 4.
Figura 4: Transferencia de calor por
radiacin entre una superficie y las
superficies que la circundan. (Cengel,
2011)
6. LANA DE VIDRIO.
La lana de vidrio es una fibra mineral
fabricada con millones de filamentos de
vidrio unidos con un aglutinante, ver lafigura 5.
Figura 5: lana de vidrio. (Souyet, 2011)
6.1 Propiedades de la lana de vidrio.
Las propiedades que tiene la lana
de vidrio son las siguientes:
Resistencia Trmica.
Absorcin Acstica.
Incombustible.
Suavidad para una aplicacin fcil.
Liviandad.
Libre de putrefaccin.
No nocivo para el medio ambiente.
7. HORNOS DE RESISTENCIASELCTRICAS.
El calentamiento de piezas por
resistencias elctricas puede ser de forma
directa, cuando la corriente elctrica pasa
por las piezas, o indirecto, cuando las
piezas se calientan por radiacin,
conveccin o una combinacin de ambas,
procedente de las resistencias
propiamente dichas dispuestas en las
proximidades de las piezas.
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En la figura 6, se muestran dos tipos de
equipos de calentamiento por resistencia
directa, la pieza se somete a una corriente
elctrica de baja tensin.
El calentamiento por resistencia directa es
adecuado para piezas metlicas de gran
longitud y seccin pequea y uniforme,
tales como barras, palanquillas, varillas,
alambres y pletinas.
Figura 6: Equipos de calentamiento
directo, intermitente y continuo.
(Astigarraga Urquiza, 1994)
7.1. Clculo de las resistencias
metlicas.
La potencia mxima que puede disponerse
en el interior de un horno con resistencias
metlicas depende de la temperatura
mxima y de la disposicin que se adopte
para las mismas, en la figura 7, seala
dicha potencia mxima para cuatro
disposiciones tpicas:
Figura 7: Potencia especfica mxima
en hornos. (Astigarraga Urquiza, 1994)
a) Alambre arrollado en espiral o pletina
ondulada sobre ranuras.
b) Alambre arrollado en espiral sobre
tubos cermicos.
c) Alambre ondulado y dispuesto
verticalmente con soportes de gancho.
d) Pletina ondulada y dispuesta
verticalmente con soportes de gancho.
7.2. Partes constitutivas del horno
elctrico.
Despus de analizar las diferentes
aplicaciones que se les puede dar a los
hornos elctricos por resistencias dentro
de la industria, ya sea en relacin con el
procedimiento o proceso a utilizar, los
cuales pueden ser: sinterizado y
calcinacin, fusin de metales,
tratamientos trmicos, recubrimiento de
piezas metlicas, secado o reduccin de
humedad, procesos qumicos , y otros
procedimientos.
Se concluye que los tipos de hornos
elctricos muestran grandes y numerosas
ventajas tcnicas y econmicas en su
utilizacin, tanto por su versatilidad,
costos, tamao, resistencia y durabilidad.
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Para lo cual un horno elctrico de
resistencias est constituido de las
siguientes partes principales:
Estructura metlica. Cmara de calefaccin.
Circulacin de aire forzado o
natural.
Elementos de resistencia
(resistencias de calentamiento).
Control de temperatura y
potencia.
8. DISEO Y SELECCIN.
El captulo anterior fue el prembulo para
la construccin de un horno elctrico de
calentamiento, el cual contendr diseos
estructurales en funcin de las ecuaciones
que se detallaran a continuacin.
8.1. Ecuacin para determinar el calor
acumulado en las paredes del horno.
Siendo el rgimen estacionario, la
densidad del flujo calorfico es constante e
igual para todas las capas por lo tanto para
el clculo del calor acumulado en las
paredes del horno se determina mediante
la ecuacin (2. 1).(Mills, 1997).
q = Tin T1 XK
XK X3K3
1 (2.1)
Dnde:
Tint= Temperatura de diseo del horno.
T = Temperatura ambiente.
X1=X3= Espesor de las placas de acero.
X2= Espesor de la lana de vidrio.
K1=K3= Constante de conductividad delacero.
K2= Constante de conductividad de la lana
de vidrio.
A = rea de la pared lateral del horno.
hext= Coeficiente de transferencia de calor
externo interno.h= Coeficiente de transferencia de calor
interno.
8.2. Ecuacin para el clculo del calor
suministrado por el horno para un ciclo
de trabajo.
La cantidad total de calor suministrado por
el sistema, es igual a la cantidad de calor
absorbido por la carga ms las prdidas de
calor producidas durante el tiempo que
dura un ciclo de trabajo, la cantidad de
calor total suministrado por el sistema se
calcula con la ecuacin (2. 2).
Q= Q Q o (2.2)
Dnde:Qs= Calor suministrado por el sistema
Qp= Prdidas de calor
QCarga Total= Calor total absorbido por la
carga
Pero las prdidas de calor se producen por
la acumulacin de calor en las paredes de
la cmara, debido a la conduccin, las
prdidas de calor se deben tambin a laradiacin y conveccin desde
la superficie
libre del horno (parte exterior del horno)
hacia el medio circulante, por lo tanto
tendremos la siguiente ecuacin (2.3).
Q= Q Q Q (2.3)
Dnde:
Qp= Prdidas de calor.
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QkT= Prdidas por conduccin.
QCT= Prdidas por conveccin.
QR= Prdidas por radiacin.
8.3. Ecuacin para determinar lasprdidas de calor por
conduccin.
Para determinar la perdida de calor por
conduccin en el interior del horno, se
utilizara la ecuacin (2. 4) (Holman J.,
1999)
Q= m Cp T (2.4)
Dnde:
Qk= Calor acumulado debido a la
conduccin [Kcal]
m = Masa del cuerpo que acumula el calor
[Kg]
CP = Calor especfico del cuerpo
[Kcal/(KgC)]t= variacin de temperatura [C].
8.4. Ecuacin para determinar las
prdidas de calor por conveccin.
Los procesos de conveccin libre se
expresan en funcin de los tres
parmetros adimensionales Nu (Nmero
de Nusselt), Pr (Nmero de Prandlt) y Gr
(Nmero de Grashof). (Holman J. , 1999)
Como generalmente se desea calcular el
coeficiente de pelcula (hc), implicado en(Nu=hc*L/k) el proceso
de conveccin libre
se presenta mediante las siguientes
ecuaciones:
N= FGr,Pr (2.5)G=T L
3 gu (2. 6)
P=u CP
k (2. 7)
En todas las expresiones de conveccin
libre es acostumbrado calcular las
propiedades del fluido (aire) a la
temperatura media de pelcula como indica
la ecuacin (2. 8).
Tm =Ts Tf 2 (2.8)
Dnde:
Tm= Temperatura media.
Ts = Temperatura de la superficie de la
chapa de acero.
Tf = Temperatura del fluido ambiente(aire).
NU= Nmero de Nusselt (adimensional).
Gr= Nmero de Grashof (adimensional).
Pr= Nmero de Prandlt (adimensional).
Por lo tanto el anlisis de Nu, Pr y Gr
depende si el rgimen del aire si es laminar
o turbulento en el exterior del horno para lo
cual se usara las siguientes condiciones.
8.4.1. Rgimen laminar.
Gr Pr < 109= . ./
.
/
/ (2. 9)
8.4.2. Rgimen Turbulento.
Gr Pr > 109 = . / (2. 10)
Coeficiente de pelcula convectivo, est
representada de la siguiente forma,ecuacin (2. 11).
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hc =N KL (2.11)
Por lo tanto, la prdida de calor por
conveccin en el exterior del horno se
calcula con la siguiente ecuacin (2. 12)
= hc A T (Kcalh ) (2.12)
8.5. Ecuacin para determinar las
prdidas de calor por radiacin.
Las superficies emiten y absorben energa
radiante con diferente intensidad segn la
temperatura que tengan, y la naturaleza de
su propia superficie, la mayor parte de
cuerpos slidos son opacos, la cantidad de
calor transmitida por radiacin viene
expresada mediante la ecuacin (2. 13):
(Holman J. , 1999).
= ATs4 Ta4 (2.13)Dnde:
QR= Calor transmitido por radiacin
[Kcal/h]
= Emisividad de la superficie emisora
0.066, Anexo: C. (Holman J. 1999)
= Constante universal de Stefan-
Boltzman 5.67 x10^ (-8) [W/ (m^2K^4)]
Ts= Temperatura de la superficie emisora
30C=303K
Ta= Temperatura ambiente 10C=283K
A = rea de la superficie emisora 1.372 m^2
8.6. Ecuaciones para determinar la
distribucin de temperaturas.
Para obtener las ecuaciones que
determinan dicha distribucin detemperaturas, se debe establecer
un
balance energtico para cada punto de
pared (0, 1, 2,, 12) tomando en cuenta
las condiciones de borde que presentan
dichos puntos (conduccin, conveccin,
radiacin), de sta manera se tendr:
8.6.1. Balance trmico para el punto
nodal 0.
La figura 8, nos muestra en forma
detallada los puntos 0, 1 y 2 en los cuales
se va a determinar la temperatura en
dichos puntos.
Figura 8: Seccin de Pared que Incluye
el Punto Nodal 0. (Holman J., 1999)
La variacin de energa interna en el punto
nodal 0, se debe a la transmisin de calorpor radiacin (que
emiten los elementos de
resistencia), ms el calor por conduccin
(elementos de resistencia aislados en la
pared), el balance trmico en el punto
nodal 0, se calcula con la ecuacin (2.14)
y (2.15).(Holman J., 1999).
Cp
= Tt Tt FpTt4 Tt4Balance Trmico en el Punto
Nodal 0
(2. 14)
Tt =Tt t Ttt (2.15)
Dnde:
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FR-p = Factor de forma (Cuantifica la
cantidad de energa calorfica que emite la
resistencia y que llega a la pared).
= Constante universal.
Tr = Temperatura de los elementos deresistencia.
T0 = Temperatura en el punto 0.
Reduciendo la ecuacin (2.14),en funcin
del Mdulo Fourier (M) se tienen las
ecuaciones (2.16), (2.17)y (2.18)
M =Xat
(2.16)
a = K. C (2.17)
Dnde:
M = Mdulo de Fourier
X = Intervalo de distancia [m]
A = Difusividad trmica [ m^2/h]
t = Intervalo de tiempo [h]
K = Conductividad trmica [ Kcal/(m.h.C)]
= Densidad [ Kg/m^3]
CP= Calor Especfico [ Kcal/(KgC)]
Tt t=2M Tt Tt
2M Tt2M
RT4t T4t
(2. 18)
8.6.2. Balance trmico para el punto
nodal 1.
El balance trmico analizado en el punto
nodal 1, corresponde al anlisis en lachapa de acero que se
encuentra en el
interior del horno, como muestra la figura
9.
Figura 9: Seccin de Pared que Incluye
el Punto Nodal 1. (Holman J. 1999)
En estos puntos la transmisin de calor se
produce por conduccin, como se indica
en la ecuacin (2. 19).
= ++ (2.19)
Reduciendo la ecuacin (2. 14). En funcin
de M, nos queda la siguiente ecuacin (2.
20):
Tt t=Tt Tt TtM2M
(2.19)
8.6.3. Balance trmico para el
punto nodal 2.
Se supone que el contacto trmico
entre las superficies es ideal, es
este punto la transmisin de calor
imperante es la conduccin; se
considerar las propiedades de
los materiales (chapa de acero y
aislante), que estn en contacto
directo, como se muestra en la
figura 10.
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Figura 10: Seccin de Pared que
Incluye el Punto de la Intercara 2.
(Holman J. , 1999)
El balance trmico en el punto nodal 2, se
demuestra a continuacin:
Tt t
=KX Tt
KX T3tM2KX KX
M 2M TtBalance Trmico en el punto
de la Intercara 2
(2. 20)
8.6.4. Balance trmico para el punto
exterior de la pared.
En este punto nodal exterior de la pared,
se tienen las tres formas de transferencia
de calor, las cuales son por conduccin,
conveccin y radiacin, como se muestra
en la siguiente figura 11.
Figura 11: Seccin de Pared que
Incluye el Punto Exterior 12. (Holman J.
, 1999)
El balance trmico en el punto exterior de
pared, se calcula con la siguiente ecuacin
(2. 22):
= ( )
Balance Trmico para el
Punto Exterior de Pared
(2. 21)
Dnde:
h = Coeficiente de transferencia de calor
que considera la conveccin hacia el
medio circundante (Holman J., 1999),
Anexo: B.
= [ ]8.7. ECUACIN PARA DETERMINAR EL
TIEMPO DE TRATAMIENTO DEL
MATERIAL.
El balance energtico cuya resolucin
llevar a predecir el clculo del tiempo de
calentamiento del material, se ha
planteado de la siguiente manera:
La energa radiante precedente de las
paredes interiores de la cmara del horno
que llega a la carga, provocar un cambio
de energa interna, en la misma que se
ver reflejada en el aumento de su
temperatura.
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El balance energtico quedar establecido
as: ecuacin (2. 28).(Holman J. , 1999).
Qpc = Qc (2.22)
La energa radiante procedente de la
pared hacia la carga, es igual al calor
absorbido por la carga como lo indica la
ecuacin (2.29):
=
(2. 23)
Resolviendo la ecuacin diferencial e
integrando la expresin tendremos la
ecuacin (2. 30):
= //
(2. 24)
Dnde:
= Constante universal 4.965x10^(-8)
[Kcal/(h*m^2*K)]
mc = Masa de la carga = 143.52 kg =
315.744 lb
Cpc = Calor especifico de la carga = 1800
J/(KgK)
To = Temperatura inicial de la carga =
10C = 283 K
Tf = Temperatura final de la carga = 80C
= 353 K
T = Temperatura de la carga (variable con
el tiempo).
8.8. ECUACIN PARA DETERMINAR ELRENDIMIENTO TRMICO
DECONVECCIN.
El rendimiento de conveccin de un
sistema de calefaccin viene determinado
por la relacin entre el calor absorbido por
el material, es decir la carga, para una
determinada elevacin de temperatura y el
correspondiente calor suministrado por el
sistema.
El rendimiento trmico por conversin se
puede calcular con la siguiente ecuacin
(2. 31):(Holman J. , 1999).
Ntc = Qs x100 (2.25)
9. ANLISIS DEL SISTEMA.
El sistema de calentamiento por medio de
resistencias elctricas, est encaminado a
disminuir accidentes laborales y nos
permite tener un mayor control de la
temperatura en el interior del horno, en
comparacin de los hornos a gas.
Este sistema trata de un HornoEstacionario con el empleo de
resistencias
elctricas, cuyo objetivo principal es
calentar los tanques de Prepolymer a una
temperatura de 80C por un tiempo
estimado de 24 hrs, (temperatura y tiempo
establecidos por los fabricantes de
Prepolymer y Polyol). (ELAchem Srl,
2009).
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El sistema debe mantener una
temperatura casi constante en el interior
del horno, aproximadamente con una
variacin de 2C.
La seleccin de los mtodos, teoras e
informacin estar de acuerdo a los
criterios y conocimientos alcanzados
durante la carrera de ingeniera. Se
tomaran los parmetros que sean
necesarios para realizar los clculos que
estn directamente relacionados con los
datos.
9.1. Capacidad de carga.
Dada las necesidades de la empresa se
tomar como dato para los respectivos
clculos una capacidad de carga de
143.52 Kg, que corresponde al peso del
tanque del Prepolymer, sabiendo que la
produccin es continua durante los cinco
das laborables de la semana.
Esta capacidad de carga puede ser
variable, pero no superior a la capacidad
de carga dada.
9.2. Diseo trmico del sistema.
9.2.1. Consideraciones Generales.
En los slidos, la nica forma de
transferencia de calor es la conduccin. Si
se calienta un extremo de una varilla
metlica, de forma que aumente su
temperatura, el calor se transmite hasta el
extremo ms fro por conduccin.
Se cree que se debe, en parte, al
movimiento de los electrones libres que
transportan energa cuando existe unadiferencia de
temperatura.
Esta teora explica por qu los buenos
conductores elctricos tambin tienden a
ser buenos conductores del calor.
La ley de Fourier de la conduccin delcalor afirma que la
velocidad de
conduccin de calor a travs de un cuerpo
por unidad de seccin transversal es
proporcional al gradiente de temperatura
que existe en el cuerpo (con el signo
cambiado).
9.2.2. Transferencia de Calor.
Transferencia de calor es el intercambio de
energa en forma de calor entre dos
cuerpos a distintas temperaturas, el calor
se transfiere mediante conveccin,
radiacin y conduccin. Aunque estos tres
procesos pueden tener lugar
simultneamente, puede ocurrir que uno
de los mecanismos predomine sobre los
otros dos.
9.2.3. Anlisis de las Temperaturas en el
Horno.
Para el anlisis de temperaturas en las
paredes del horno, se considera un estado
estable, como se puede apreciar existe un
fluido caliente y uno fro, lgicamente el
primero circula en el interior y el segundo
en el exterior del horno, respectivamentever la figura 12.
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Figura 12: Temperaturas en las
paredes del horno. (Aguirre/Snchez,
Diseo en AutoCAD 2012)
Dnde:
Tint: Temperatura en el interior del horno.
hint: Coeficiente de Transferencia de Calor
interno.
T: Temperatura del medio ambiente.
h: Coeficiente de Transferencia de Calor
por el ambiente.
T1: Temperatura de contacto entre la cara
interior de la placa interior y el fluido
caliente.
T2: Temperatura de contacto entre la caraexterior de la placa
interior y el aislante
trmico.
T3: Temperatura de contacto entre la cara
interior de la placa externa y el aislante
trmico.
T4: Temperatura de contacto entre la cara
externa de la placa exterior y el ambiente,
est en algunos clculos futuros puede ser
mencionada como TP o TS.
X1: Espesor de la placa de acero interna.
X2: Espesor del aislante trmico.
X3: Espesor de la placa de acero externa.
A: rea lateral de la pared del horno.
9.2.4. Analoga elctrica.
En la siguiente figura 13, podemos
encontrar el anlisis de temperaturas en
las paredes del horno, desde la parte
interior del horno hacia la parte exterior,
por medio de esta analoga elctrica
podemos facilitar algunos clculos, tal
como se muestra:
Figura 13: Analoga elctrica de la
pared del horno. (Holman J., 1999).
En resumen, el flujo de calor se puede
representar de diferentes maneras como
se muestra en la ecuacin (2. 32).
q =TR=Tin TR (2.26)
9.3. ANLISIS TRMICO DEL HORNO
MEDIANTE EL SOFTWARE ANSYS
R15.0.
Mediante el programa ANSYS R15.0,
demostraremos la distribucin uniforme de
calor dentro del horno elctrico,
determinando los puntos ms calientes del
horno y tambin el factor de diseo
trmico.
Para poder simular los calores del hornoen el programa, se
realiz la estructura del
horno en INVENTOR 2014. En las
siguientes figuras y tablas, se mostrara y
explicara los resultados del modelamiento
del horno.
La figura 14, muestra en 3D la disposicin
de los elementos internos que conforma el
horno e incluido la carga, para realizar este
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procedimiento se tom en cuenta los
siguientes parmetros:
Temperatura ambiente.
Temperatura de diseo. Peso de la carga.
Figura 14: Anlisis trmico del horno
realizado en ANSYS R15.0.
(Aguirre/Snchez.)
En la siguiente figura 15, se muestra la
temperatura de trabajo, la cual indica queva a ser constante en
todo el proceso de la
simulacin.
Figura 15: Curva transitoria trmica.
(Aguirre/Snchez.)
La siguiente figura 16, muestra el
decremento de temperatura que existe al
realizar la simulacin, hasta llegar a
establecerse a una temperatura estable.
Figura 16: Curva temperatura global
mxima. (Aguirre/Snchez.)
La figura 17y la tabla 1, indica como el
flujo de calor desde un valor 6,2159e+6 se
distribuye por todo el espacio de la cmarade calentamiento,
hasta llegar a calentar
todo el espacio vaco e incluso el material
que se va a calentar.
Figura 17: Curva del flujo de calor
total. (Aguirre/Snchez.)
Tabla 1: Datos del Flujo de calor total.
(Aguirre/Snchez.)
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La figura 18, indica como el flujo total de
calor envuelve el material en sus tres ejes
X, Y y Z.
Figura 18: Flujo total de calor interno
del horno. (Aguirre/Snchez.)
A continuacin en la figura 19y tabla 2,
se observa cmo trabaja la curva de flujo
de calor y temperatura en la direccional Y.
Figura 19: Curva de la direccional del
flujo de calor. (Aguirre/Snchez.)
Tabla 2: Direccional del flujo de calor.
(Aguirre/Snchez.)
En la figura 20, se observa como la
direccional de flujo de calor en Y, es la que
mayor valor tiene con respecto a los ejes X
y Z, esto se debe a la disposicin de las
resistencias en el interior del horno.
Figura 20: Estado Estacionario
trmico. (Aguirre/Snchez.)
En la figura 21, se observa el anlisis
esttico estructural, que indica la
resistencia que tiene el material utilizado
en la construccin del horno frente a una
carga bajo temperatura de trabajo, por lo
tanto como el valor de factor de seguridad
es >1, esto significa que el diseo y
eleccin de los materiales son los
correctos.
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Figura 21: Factor de seguridad.
(Aguirre/Snchez.)
Dimensiones definitivas de la cmara
de calentamiento.
Como ya se defini anteriormente las
dimensiones de la cmara de
calentamiento, esta tendr las siguientes
dimensiones como lo indica la figura 22.
Figura 22: Dimensiones de la cmara
de calentamiento del horno.
(Aguirre/Snchez, Diseo en AutoCAD
2012).
Alto: 98cm = 0.98 m.
Ancho: 140cm = 1.40 m.
Profundidad: 100cm = 1 m.
Volmen=1.40 m x 0.98 m x1 m.
Volmen=1.372 m^3
9.4. CONSTRUCCIN DE LAESTRUCTURA DEL HORNO.
La eleccin del material se realiz deacuerdo a las siguientes
caractersticas las
cuales son: estructura slida y ligera, bajo
costo del material y su fcil obtencin en el
mercado local, y que no se requiere de
trabajos especiales, ni mquinas
especiales para trabajarlo.
En el desarrollo de la construccin
mecnica del horno, se debe tener en
cuenta los conocimientos tcnicos en la
utilizacin de mquinas herramientas, la
seleccin correcta del equipo de soldadura
y la planificacin adecuada para el proceso
de construccin, ver la figura 22.
Figura 22: Horno elctrico.
10. CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES.
10.1. CONCLUSIONES.
El horno de resistencias elctricas,
es diseado y construido de tal
forma que existe el 92% de
ganancia de calor.
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El calor del horno se distribuye
homogneamente gracias a que
las resistencias fueron ubicadas
de manera que se aproveche al
mximo la potencia que entregan. El calor que se transmite hacia
las
paredes externas del horno es
mnima, debido a que el diseo de
las dimensiones de las paredes
del aislamiento nos permiten tener
una temperatura de 30C, con lo
que se evita que los operarios
sufran quemaduras.
Con la simulacin realizada del
diseo horno en ANSYS R15.0,
se puede concluir que el diseo
tendr un factor de seguridad del
1.1, con lo que se puede concluir
que la estructura del horno
soportara la temperatura para la
que fue diseado sin sufrir daos.
En el anlisis estructural que serealiz en el software COMSOL
se determin que la estructura de
la mesa podra soportar hasta 7,62
veces el peso del tanque, con lo
que no existira peligro que la
estructura colapse.
De igual manera se realiz el
anlisis de la estructural del
esqueleto del horno, en el cual nos
dio que la estructura soportar
4,77 veces la carga a la que fue
diseada.
Para una mejor lectura de
temperatura del horno, se dispuso
a la termocupla en la parte
superior media del horno, ya que
por sus dimensiones el calor en su
totalidad sube, y de esta forma
esta nos dar una mejor lectura de
la temperatura interna del horno.
En las pruebas que se realiz a
partir de un control ON-OFF, con
una histresis de 2C, con el quese tomaron datos cada minuto
de
la temperatura interna del horno,
permitiendo obtener un registro el
cual nos permiti dibujar la curva
de control del horno, para el
proceso de calentamiento
requerido es satisfactoria.
La cantidad total con la que fue
construido el horno fue de
$2269.06 (dlares americanos),
que sern recuperados en 7
meces, eso tomando en cuenta la
produccin de plantillas. Dadas
estas cifras se ha hecho un gran
ahorro ya que un horno en el
mercado un horno de las mismas
caractersticas cuesta $7500
dlares americanos.
Anteriormente se adquiran 2000
plantillas a $3 c/u, con la puesta en
marcha de este horno la
produccin de plantillas de buena
calidad ser de 2500 plantillas,
con lo que se mejorara la
produccin y calidad de zapatos.
1.2. RECOMENDACIONES.
Antes de cualquier operacin del
horno tomar en cuenta el manual
de operacin y mantenimiento,
para evitar daos tanto personales
como de la mquina, todo esto va
documentado en el Anexo: S.
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Para realizar el mantenimiento de
la lana de vidrio, se debe usar
equipo de proteccin personal
(EPP), y se lo deber realizar cada
ao para evitar que el horno pierdasus propiedades trmicas
aislantes.
El controlador deber ser
manipulado por una persona
autorizada, ya que una
manipulacin incorrecta podra
afectar seriamente la produccin y
producir daos a los equipos
Para obtener resultados ptimos
en el diseo trmico y estructural
del horno, es recomendable
realizar simulacin de los
prototipos en software tales como
ANSYS, que son de gran ayuda
en la construccin de mquinas
trmicas o de cualquier tipo.
Es recomendado antes de realizarcualquier proyecto un estudio
de
factibilidad, para determinar si es
viable seguir con el proyecto y que
impacto ambiental producir en el
medio ambiente.
BIBLIOGRAFA.
Antonio Creus, S. (2011).
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Graw Hill Interamericana. YUNUS A. CENGEL / AFSHIN J.
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Mexico: McGraw-Hill
Interamericana.
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7/23/2019 Construccin de Hornos
19/19
BIIBLIOGRAFA.
Patricio Geovanny
Aguirre Gonzaga.
Naci en Lago
Agrio, soltero,
estudios
secundarios Colegio Tcnico
Pacfico Cembranos, egresado de
Ingeniera electromecnica,
Universidad de las Fuerzas
armadasESPE.
Boris Alexander
Snchez Andrade.
Naci en Santo
Domingo, soltero,
estudios
secundarios ColegioTcnico Pacfico Cembranos,
egresado de Ingeniera
electromecnica, Universidad de
las Fuerzas armadasESPE.
