coccion2 1-2 3 4 es (1)

APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.1
LA COCCIÓN.
En la industria cerámica por cocción se entiende, el
calentamiento de las piezas secas siguiendo una
curva determinada y su posterior enfriamiento
siguiendo una curva definida.
La cocción es la fase más importante del proceso de
fabricación de un producto cerámico, en ella
conferimos al producto las cualidades que
posteriormente lo definirán, como son resistencia,
absorción de agua, color, etc.
El correcto calentamiento y posterior enfriamiento del
cuerpo cerámico nos permitirá obtener un producto sin
defectos, una cocción económica para la optimización
de la energía empleada.
Este proceso es quizás el que más repercusión tiene
en el coste final de producto. Su conocimiento y
dominio es fundamental para la mejora del coste.
Por todo lo ya mencionado es importante conocer los
procesos físicos y químicos que intervienen durante la
cocción, las transformaciones químicas que sufre la
arcilla, y los cambios de volumen que experimenta.
En este mismo dosier también se explican los
diferentes métodos de transferencia de calor que
ocurren en el interior del horno.
Autores:
Eng. Artur Massaguer – Director Técnico de Beralmar Tecnologic S.A.
Eng. Santi Amposta – Director de I+D de Beralmar Tecnologic S.A.
BERALMAR TECNOLOGIC, S.A.
www.beralmar.com
APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.2
COMPORTAMIENTO DE LA ARCILLA DURANTE EL
PROCESO DE COCCIÓN.
En la cerámica roja, ladrillos y tejas, están cocidas a
una temperatura de entre 1.050 y 1.070 ºC, salvo
casos particulares no se supera este margen.
La temperatura y velocidad para su eliminación
dependen de la naturaleza de la arcilla y de la
geometría de la pieza.
Durante el proceso de cocción se producen unas
reacciones químicas en el interior del producto
cerámico que vale la pena repasar brevemente.
 Agua químicamente ligada.
Estas reacciones se manifiestan externamente en
forma de absorción o cesión de calor, desprendimiento
de gases, dilataciones y contracciones. Conozcamos
las más importantes.
Cuando comienza la descomposición de los minerales
de la arcilla se produce un desprendimiento de vapor
de agua, es la eliminación de los grupos OH en forma
de vapor de agua, esta reacción ocurre
aproximadamente entre los 400 y 600 ºC.
Eliminación del agua.
Como la eliminación del agua higroscópica ha dejado
una pieza algo porosa, la eliminación del agua ligada
químicamente puede hacerse de una forma rápida.
La eliminación del agua en los materiales cerámicos
se produce en la fase inicial de la cocción.
Eliminación de la materia orgánica.
Existen tres formas de estar ligada el agua a la arcilla,
estas son:
Muchas arcillas crudas contienen una cierta cantidad
de materia orgánica, productos carbonosos.
- Agua ligada mecánicamente
- Agua higroscópica
- Agua ligada químicamente
En algunos tipos de ladrillos se añaden materias
orgánicas en el amasado para conferirle cierta
porosidad. Estas materias orgánicas se eliminan en la
cocción por descomposición y oxidación.
 Agua ligada mecánicamente.
El agua que no se ha evaporado en el secadero (agua
residual de secado) es la primera que se evapora en el
horno, está mecánicamente ligada a la arcilla y se
desprende por evaporación a temperaturas inferiores a
los 120 ºC.
Podemos decir que cuanto más ineficiente sea un
secadero,
mayor
cantidad
de
agua
ligada
mecánicamente tendremos que extraer de un horno.
Este proceso retrasa la cocción y produce
desigualdades de temperatura en la pieza, no
olvidemos que en la evaporación del agua se emplea
una gran cantidad de energía. El calentamiento
demasiado rápido de esta agua puede producir
defectos en la pieza.
Los compuestos orgánicos se descomponerse a partir
de los 400 ºC, dando CO2, CO, H2O, etc. dejando
carbono libre en la pasta.
Una vez expulsado todo el vapor de agua, el oxígeno
puede penetrar por los poros, iniciándose así la
combustión del carbono.
Ya que el oxígeno necesario debe penetrar en la pasta
para que el carbono se queme y el CO2 y el H2O
originados deben salir de la pieza, es conveniente
eliminar toda la materia orgánica antes de la
sinterización de la arcilla, de no producirse podría
hincharse la pieza.
El mejor procedimiento para eliminar esta agua
residual es instalar un prehorno.
 Agua higroscópica
El agua higroscópica es la que no se elimina en el
secadero, se elimina en el horno a temperaturas de
entre 150 ºC y 300 ºC. Es el agua retenida por los
minerales de la arcilla.
Autores:
Eng. Artur Massaguer – Director Técnico de Beralmar Tecnologic S.A.
Eng. Santi Amposta – Director de I+D de Beralmar Tecnologic S.A.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Transformación del cuarzo.
en sulfato cálcico (yeso).
Entre los 570 y los 600 ºC se produce una dilatación
como consecuencia de la transformación del cuarzo,
pasando del estado α a su polimorfo de alta
temperatura β. Esta transformación va acompañada
de un importante aumento del volumen de la pieza.
En estos casos resulta recomendable utilizar el
bicarbonato de bario.
Esta dilatación suele ser la causa de muchas fisuras
de precalentamiento si la pieza se calienta demasiado
rápido o de una forma desigual en su seno.
Descomposición de los carbonatos.
El carbonato de magnesio comienza a descomponerse
en dióxido de carbono a partir de los 600 ºC mientras
que el carbonato de calcio lo hace a los 900 ºC. En el
interior de la pieza queda un residuo blanco de CaO u
MgO.
En arcillas calcáreas ricas en carbonatos cálcicos se
produce una reducción de la contracción debido a la
expansión producida en la pieza por la eliminación del
CO2 durante la descomposición de los carbonatos.
Las arcillas calcáreas, aunque tengan porcentajes
bajos de cuarzo presentan una gran sensibilidad al
enfriamiento debido a su elevado coeficiente de
contracción.
Descomposición de los sulfatos.
Dependiendo del tipo de sal, la temperatura de
descomposición es diferente, así un sulfato de hierro
se descompone a 480 ºC mientras que el sulfato de
magnesio lo hace a los 900 ºC.
Si la descomposición de la sal se produce después de
haberse iniciado la vitrificación se producen
hinchamientos y formación de ampollas.
Otra eflorescencia frecuente en los ladrillos es la
producida por los sulfatos alcalinos de sodio y potasio,
esta eflorescencia se manifiesta en el ladrillo después
haberse puesto en obra o mojado. Ambos sulfatos son
muy solubles en agua por lo que estas eflorescencias
desaparecen a los pocos meses con el agua de la
lluvia.
Un remedio eficaz para reducir la tendencia a la
aparición de las eflorescencias de sodio y potasio
consiste en hidrofugar los ladrillos por inmersión en
una solución de metil siliconato de potasio al 1 - 2 %
de agua.
Descomposición de la pirita de hierro.
Las piritas de hierro se descomponen por el calor en
presencia de suficiente cantidad de oxígeno,
obteniendo óxido férrico y dióxido de azufre.
Si el calentamiento es demasiado rápido y el tiro de
aire es insuficiente no se produce la eliminación del
azufre, formándose a unos 425 ºC vapores de azufre y
sulfuro ferroso.
El sulfato férrico se descompone a una temperatura
superior en óxido férrico y trióxido de azufre. El óxido
férrico se combina con los silicatos, dando un color
rojizo menos intenso que si el óxido férrico es obtenido
a temperaturas inferiores dando lugar al corazón rojo.
El sulfato ferroso es suficientemente estable para
formarse por encima de los 500 ºC y se combina
fácilmente con la sílice para formar un vidrio viscoso
de color negro que constituye el corazón negro.
Pérdida de peso en cocción.
La mayoría de sales solubles halladas en la arcilla se
encuentran en forma de sulfatos, tales como sulfatos
de sodio, potasio y magnesio.
El sulfato de calcio (yeso) da origen a una
eflorescencia que aparece durante el secado en forma
de fino punteado de color blanco. Aparece en las
caras expuestas a mayor velocidad de evaporación.
Aunque esta eflorescencia se forma durante el secado
solo es posible verla después de la cocción.
El remedio aplicado para evitar la aparición de
eflorescencias de yeso es la adición de carbonato de
bario a la arcilla.
En las arcillas ricas en cal, el carbonato de bario no es
eficaz, ya que el sulfato bárico formado se transforma
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Muchas de las reacciones explicadas anteriormente
van acompañadas de una pérdida de peso de la pieza
cerámica.
Básicamente la pérdida de peso se produce en la
eliminación de los grupos OH durante la
descomposición del retículo arcilloso, con la
descomposición
de
los
carbonatos
con
desprendimiento de CO2, la descomposición de la
sustancia orgánica y piritas con desprendimiento de
CO2 y SO2.
En general cuanto más alta sea la pérdida de peso
debida a la eliminación de los grupos OH y a la
descomposición de los carbonatos, tanto más alto será
el consumo del horno.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Dilatación -contracción.
Los cambios de volumen que experimenta la pieza
durante la fase de cocción son los responsables de la
aparición de grietas y fisuras si no se caliente
uniformemente la pieza.
En general, entre la temperatura ambiente y los 400
ºC se aprecia una dilatación lineal la cual cesa en el
momento que comienza la eliminación del agua ligada
químicamente.
Alrededor de los 573 ºC se aprecia la dilatación debido
a la transformación del cuarzo, dependiendo de la
naturaleza de la arcilla, tan pronto como empiece la
vitrificación empezará la contracción.
En el enfriamiento se producirá una contracción lineal
hasta llegar a la temperatura de 580 ºC, en esta
temperatura puede aparecer, dependiendo de la
cantidad de cuarzo libre, una fuerte contracción debido
a la transformación del cuarzo.
A partir de este punto el enfriamiento continúa con una
contracción lineal.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.3
LA TRANSMISIÓN DE CALOR.
Es fundamental conocer los mecanismos de transmisión
de calor que tienen lugar en el interior del horno para
poder optimizar la cocción.
Los combustibles empleados en la cocción liberan
energía en forma de calor, este se transmite a los
productos a cocer, elevándose la temperatura de los
mismos.
La transmisión de calor puede darse por convección,
contacto de corrientes gaseosas con el cuerpo a
calentar o enfriar, por radiación a partir de las
superficies y el gas y por conductividad térmica.
Normalmente los tres sistemas de transmisión de calor
se desarrollan simultáneamente.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.3.1
TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN.
El intercambio de calor por conducción se realiza por
medio de dos mecanismos.
El primero de ellos es por la interacción entre moléculas
de los niveles más altos de energía (mayor temperatura)
con las moléculas adyacentes de menores niveles de
energía (menor temperatura) estableciendo un
intercambio de energía.
Este tipo de transferencia se producirá entre las
moléculas en cualquier estado, sólido, líquido o gas que
tengan diferente temperatura.
El segundo mecanismo de transferencia de calor por
conducción es por medio de los electrones libres, los
cuales están presentes en los metales.
La aplicación de esta fórmula a una pared plana de
espesor "e" con conductividad constante λ y siendo T0 la
temperatura de la cara caliente y T1 la de la cara fría:
La concentración de estos electrones libres es muy alta
para los metales puros y muy baja para los no metales.
Por tanto la propiedad de los materiales de conducir o
no conducir está ligada directamente a la concentración
de electrones libres.
La ley de Fourier puede expresarse tal que:
Tal como hemos mencionado al principio para que se
produzca un intercambio de calor por conducción es
necesario que haya una diferencia de temperaturas.
Esta expresión se integra y se resuelve como sigue:
La expresión que relaciona la cantidad de calor
transmitida por conducción en función del gradiente de
temperaturas fue formulada por Fourier en el año 1822.
De una forma similar podemos determinar la cantidad de
calor que se transmite por conducción a través de una
pared formada por varias capas.
Siendo:
qx
el flujo de calor por conducción en la dirección
x expresado en kcal/h
A
la superficie normal al flujo de calor en
2
expresada en m
es el gradiente de temperatura en la dirección x
expresado en ºC/m
λ
es el coeficiente de conductividad térmica y se
2
mide en kcal m/m ºC
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Aplicando la misma fórmula que antes se obtiene:
Separando variables y resolviendo la integral queda:
También es muy útil conocer la transmisión de calor por
conducción a través de un tubo de pared homogénea tal
como se representa en la siguiente figura:
Esta expresión es la que nos da el calor transmitido por
la pared de un tubo que en el interior está a una
temperatura Ti y en el exterior T0.
A continuación se muestra
conductibilidad (siguiente página):
una
gráfica
de
La expresión de Fourier se adapta a este caso
resultando:
Sustituyendo
A=2πrL
se obtiene:
Operando esta expresión se obtiene:
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS CONDUCTIVIDAD TÉRMICA, ʎ
[kcal/m·∙ºC]
1,25
34% Al2 O3
1,00
γ = 1.800
0,75
0,50
γ = 1.000
0,25
0,20
0,15
γ = 100
γ = 360
0,10
γ = 130
γ = 80
0,05
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
[ºC ]
TEMPERATURA
Refractario
Ladrillo cocido
Ladrillos γ = 1.000
Aislante prensado
Lana mineral
Pertita y vermiculita disueltas γ = 100
Lana de caolín
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.3.2
TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN.
La transmisión de calor por convección es un
intercambio de energía entre el fluido y la superficie de
un cuerpo.
La expresión de Nussel dice:
Podemos clasificarlo en dos tipos:
1, el movimiento del fluido alrededor del cuerpo es
causado por una fuerza externa tal como un ventilador o
una bomba, se le denomina Convección Forzada.
2, Convección Natural o convección libre, en la cual la
densidad del fluido debido al intercambio de energía
produce un movimiento natural del fluido.
Cuanto más movimiento del fluido hay mayor será la
transmisión de calor.
Dónde:
λ
d
α
el coeficiente de conducción de un fluido
expresado en kcal m/h m ºC
el diámetro del tubo expresado en m
2
el coeficiente de convección en kcal/m hºC
En la mayoría de casos, especialmente en la
transmisión de calor por convección en un horno túnel,
el fluido se mueve en régimen turbulento.
La cantidad de calor intercambiada se calcula a través
de la expresión dada por Newton en 1701.
Según la intensidad de la turbulencia las partículas se
desplazarán más o menos rápidamente en dirección
transversal al flujo.
Dónde:
Goetz simplificó la expresión de Nussel para régimen
turbulento aplicada a aire y gases de combustión que
circulan por el interior de un tubo.
Q
A
Tg
Ts
α
es la cantidad de calor transferida expresada
en kcal/h
es la superficie receptiva del cuerpo expresada
2
en m
es la temperatura del gas o fluido expresa en
ºC
es la temperatura de la superficie del cuerpo
expresa en ºC
es el coeficiente de convección expresado en
2
kcal/m h ºC.
Dónde:
Vo
es la velocidad del fluido referida a 0 ºC
expresa en m/seg.
Di
es el diámetro interior del conducto expresado
en m
La velocidad Vo se calcula con la expresión:
El coeficiente de convección expresa la cantidad de
calor transmitida por unidad de superficie, en una hora,
con una diferencia de temperatura entre gas o fluido y la
superficie de un grado centígrado.
Si la corriente de partículas gaseosas es lenta, no hay
desplazamiento de moléculas transversalmente a la
dirección el flujo, entonces la corriente es
exclusivamente laminar.
Nussel establece una fórmula para determinar el
coeficiente de convección en el caso de una corriente
laminar sin fuerza ascensional dentro de unos tubos.
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Donde Vt es la velocidad del fluido a la temperatura Tg
medida en grados Kelvin.
El número de Reynolds nos permite diferenciar las
corrientes laminares de las turbulentas:
Por debajo de Re ≤ 2320 el régimen es laminar
Por encima de Re ≥ 3000 el régimen es turbulento.
Para 2320 < Re < 3000 el régimen puede ser turbulento
o laminar.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS El número de Reynolds se calcula por la expresión:
El coeficiente de convección para una superficie
horizontal o vertical sometida a una corriente laminar se
calcula por la expresión de Nusselt
Dónde:
Siendo:
V
Ø
es la velocidad del fluido en m/s
es el diámetro de la tubería o diámetro
hidráulico equivalente expresado en m
es la densidad del fluido en movimiento
3
expresada en kg/m
es la viscosidad dinámica del fluido expresada
2
en kg·s /m
es el valor de la aceleración gravitacional cuyo
2
valor es 9,81 m/s
ρ
η
g
ts
la temperatura de la superficie expresada en
ºC
la temperatura del aire expresada en ºC.
ta
De una forma general se puede calcular los coeficientes
de convección en el caso de corrientes forzadas por las
expresiones de Brunklaus.
- Para Vo < 5 m/s
Para calcular la viscosidad dinámica de un gas a una
determinada temperatura se emplea la fórmula de
Sutherland que se escribe:
2
kcal/m h ºC, para superficies lisas
2
kcal/m h ºC, para superficies rugosas
- Para Vo > 5 m/s
Dónde:
t
ηt
η0
C
es la temperatura del gas expresada en º C
es la viscosidad dinámica a la temperatura t
2
expresada en kg·s /m
es la viscosidad dinámica a la temperatura de
2
0ºC expresada en kg·s /m
la constante del gas considerado
Veamos la siguiente tabla que muestra la viscosidad
dinámica a 0 ºC y la constante de algunos gases:
GAS
Oxígeno
2
VISC. DINÁMICA a 0ºC [kg s/m ]
-6
1,964 x 10
-6
Nitrógeno
1,706 x 10
Aire
1,753 x 10
Anhídrido
Carbónico
-6
-6
1,407 x 10
-6
Vapor de agua
0,883 x 10
Monóxido de
Carbono
1,688 x 10
-6
2
kcal/m h ºC, para superficies lisas.
2
kcal/m h ºC, para superficies rugosas
Donde V0 es la velocidad del fluido a 0 ºC expresada en
m/s.
C
131
112
122
266
699
104
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.3.3
TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN.
El intercambio radiante puede darse entre dos
superficies, entre una superficie y un gas, o complejos
intercambios entre varias superficies y el fluido que las
envuelve. La energía transferida por radiación es un
fenómeno electromagnético cuya exacta naturaleza no
es muy conocida.
MATERIAL
El cuerpo que absorbe toda la energía radiante incidente
sin reflejarla se le denomina cuerpo negro.
Se denomina poder de emisión a la capacidad de un
cuerpo de absorber unas radiaciones y de
transformarlas en calor, puede también emitir en función
de su temperatura.
La cantidad de calor que absorbe un cuerpo negro viene
dada por la ley de Stefan-Boltzman:
4
ε
ε C kcal/m h K
Ladrillo silicoalumino
600-1.000
0,75-0,80
3,7-4,0
Ladrillo de sílice
600-1.000
0,75-0,80
3,7-4,0
25-250
0,04-0,07
0,2-0,35
Acero dulce oxidado
25-1.100
0,78-0,90
3,9-4,3
Aluminio Laminado
100-500
0,06-0,09
0,3-0,45
Aluminio Colado
100-500
0,2-0,3
1,0-1,5
Ladrillo
0,4
2
Vidrio
0,4
2
Fibrocemento
0,4
2
0,8
4
Acero dulce limpio
Todos los cuerpo cuya temperatura sea superior a 0ºK
emiten calor, la energía radiante que llega a la superficie
de un cuerpo no es totalmente absorbida por este, una
parte es reflejada, de una forma similar a lo que le
ocurre a la luz.
2
T [ºC]
Carbón
0-700
Para calcular la transmisión de calor por radiación es
necesario conocer los coeficientes de radiación de las
superficies, su temperatura, su superficie así como su
posición.
En el caso de una superficie S1 con un coeficiente de
radiación C1 que esté envuelta por una superficie S2
con un coeficiente de radiación C2 el calor transmitido
por radiación se calcula por la expresión:
Dónde:
Q
cantidad de calor absorbida por radiación
2
expresada en kcal/m h
C
coeficiente de radiación del cuerpo negro 4,96
2
4
kcal/m h ºK
T
es la temperatura absoluta de la superficie
expresada en grados Kelvin
Todos los materiales que intervienen en la construcción
de un horno pueden considerarse como cuerpos grises,
parte de la energía radiante que reciben es reflejada,
tienen un poder de emisión más débil que el cuerpo
negro.
Se puede expresar a través del factor ε que es inferior a
1 y cuyos valores son:
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Para el supuesto de unas superficies paralelas opuestas
y distantes h metros la cantidad de calor transmitida q
se obtiene a través de la expresión:
2
[kcal/m h]
Dónde:
ε1 x ε2 es el producto de emisiones de los dos
k
cuerpos.
es un factor que se determina por la siguiente
tabla.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Tabla para determinar el valor de k para superficies
paralelas (l / h):
b/h
0,5
1
1,5
2
4
10
0,5
0,061
0,091
0,104
0,108
0,113
0,115
1,0
0,091
0,139
0,159
0,167
0,174
0,175
1,5
0,104
0,159
0,184
0,195
0,206
0,208
2,0
0,108
0,167
0,195
0,208
0,220
0,223
4,0
0,113
0,174
0,206
0,220
0,238
0,243
10,0
0,115
0,175
0,208
0,223
0,243
0,248
Tabla para determinar el valor de k para superficies
perpendiculares (b / h):
b/h
0,5
1
1,5
2
2,5
3
4
5
0,25
0,004
0,006
0,007
0,007
0,007
0,008
0,008
0,008
0,50
0,014
0,021
0,024
0,025
0,026
0,026
0,026
0,026
0,75
0,025
0,029
0,045
0,047
0,048
0,049
0,050
0,050
1,00
0,035
0,056
0,065
0,069
0,071
0,072
0,072
0,073
2,00
0,058
0,095
0,114
0,124
0,129
0,133
0,135
0,137
2,50
0,063
0,104
0,126
0,145
0,145
0,149
0,153
0,155
3,00
0,066
0,110
0,134
0,156
0,156
0,160
0,166
0,168
4,00
0,069
0,011
0,143
0,168
0,168
0,174
0,181
0,184
5,00
0,070
0,116
0,148
0,175
0,175
0,181
0,189
0,1
Autores:
Eng. Artur Massaguer – Director Técnico de Beralmar Tecnologic S.A.
Eng. Santi Amposta – Director de I+D de Beralmar Tecnologic S.A.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Capítulo 2.3.4
TRANSMISIÓN DE CALOR COMBINADA.
Aunque la conducción, la convección o la radiación se
han desarrollado por separado, lo usual es que se
presenten combinadas de dos o tres formas a la vez.
Transmisión de calor por convección:
Veamos el caso de una pared ya sea horizontal o
vertical en un horno formado por dos capas de
materiales diferentes que bien podrían ser el refractario
y el aislante.
Integrando la segunda y tercera ecuación entre sus
límites:
Esta pared separa dos atmósferas con temperaturas
diferentes como puede ser la de dentro del horno y la
del aire ambiente tal como se representa en el dibujo.
De forma similar se resuelve la tercera ecuación
obteniendo:
El calor transmitido en toda la pared será el mismo, por
lo tanto se puede concluir que:
Si desglosamos en 4 partes la expresión anterior
obtenemos:
Se puede escribir que el calor transferido para cada
parte del composite como:
Transmisión de calor por convección:
Transmisión de calor por conducción:
Transmisión de calor por conducción:
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Sumando ordenadamente las cuatro ecuaciones queda:
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS Siendo k el coeficiente global de transmisión la formula
anterior se transforma en:
En consecuencia el calor transmitido por convección y por
conducción se escribe tal y como se expresa en el párrafo
superior.
Dónde:
q
A
k
es la cantidad de calor transmitida expresado kcal/h
2
es la superficie de transmisión expresada en m
es el coeficiente global de transmisión expresado
2
en kcal/m h ºC
Siempre que las temperaturas sean inferiores a 600 ºC el
intercambio por radiación es muy débil por lo que la formula
presentada permite calcular la transmisión de calor con
suficiente aproximación.
En el caso que la temperatura sea superior a la reseñada
hay que calcular el coeficiente global, αz para la convección
y la radiación, Heiligenstaedt calculó los valores para los
gases de combustión con un coeficiente medio de ε = 0,85
En este caso, el coeficiente global de transmisión k se
determina por la expresión:
Sin embargo a temperaturas elevadas la influencia de αz
sobre k es muy débil por lo que se estima despreciable la
influencia de la radiación.
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APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS EJEMPLO.
Veamos el caso de una pared de un horno túnel, tal y como
se ve en la figura está formada sucesivamente por las
siguientes capas:
1
1
1
1
pared interior de ladillo refractario de 36 % de Al2O3
y 345 mm de espesor, más
capa de fibra cerámica de 25 mm de espesor y
3
densidad 128 kg/m , más
relleno de vermiculita de 490 mm
muro de termoarcilla de 140 mm de espesor.
El horno está en el interior de una nave sin corrientes de
aire y a una temperatura ambiente de 20 ºC. La velocidad de
los gases en el interior del horno es de 12 m/s con una
temperatura de 1.000 ºC.
Ladrillo refaractario
Como 2,57 m/s < 5 m/s utilizaremos la expresión:
El coeficiente de convección suponiendo que la
temperatura exterior del muro es de 65 ºC se obtiene a
través de la expresión:
El coeficiente global de transmisión k vale:
2
El calor cedido por m vale:
Fibra cerámica
Relleno vermiculita
Ladrillo Termoarcilla
Vamos a calcular las temperaturas de cada capa:
Las conductividades de los materiales utilizados se citan a
continuación, suponiendo una temperatura de trabajo:
MATERIAL
CONDUCTIVIDAD TÉRM.
T ºC
2
1.000
2
900
530
100
Ladrillo refractario
1,2 kcal/m h ºC/m
Fibra cerámica
Vermiculita
Ladrillo Termoarcilla
0,23 kcal/m h ºC/m
2
0,15 kcal/m h ºC/m
2
0,30 kcal/m h ºC/m
El coeficiente de convección interior del horno se calculará
por las expresiones de Brunklaus:
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