DE UN

INSTITUTO T E C N O L Ó G I C O y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE M O N T E R R E Y E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A

DISEÑO DE UN H O R N O CONTINUO TIPO TÚNEL PARA QUEMAR LADRILLO

DE CONSTRUCCIÓN.

T E S I S P R O F E S I O N A L

Q u e para obtener el título d e Ingeniero Q u í m i c o , presenta el alumno:

ALEJANDRO CUMMING SOLIVERAS.

M O N T E R R E Y , N U E V O L E Ó N A G O S T O - 1 9 1 8

A mis Padrea, a quienes todo debo.

INTRODUCCIÓN.

Debido a la creciente demanda de ladrillos de cons.

tracción, se ha hecho imperiosa la necesidad de encontrar un medio suficientemente económico para quemarlo.

El objeto de esta tesis es presentar un diseño de un horno túnel, que sea más económico y más fácil de operar que los hornos que se usan con más frecuencia en la actuali- dad.

Actualmente en México, el ladrillo se quema princi pálmente en los siguientes tipos de hornos:

1) El de cámaras.

2) El horno abierto.

De estos dos hornos, el más económico es el de cá- maras, sin embargo tiene un enorme inconveniente que es la - gran cantidad de mano de obra que se necesita para su opera- ción. Siendo que cada día la mano de obra aumenta de precio, es necesario buscar un medio por el cual se reduzca a su mí- nimo.

Además, el mantenimiento de esta clase de hornos, A

es costosa debido a que hay que reparar las cámaras después de cada ignición. Lo anterior es debido a que la cámara tie- ne que estarse calentando y enfriando al meter y sacar la — carga, resintiendo con esto un esfuerzo muy grande en su es- tructura .

En un horno túnel, en cambio, la mano de obra se - reduce hasta en un 70% el mantenimiento es mínimo debido a que no está sujeto a cambios bruscos de temperatura pues se sostiene a temperatura constante, y el ahorro de combustible comparado con el de cámaras alcanza hasta un 50% debido a — que se recupera el calor sensible de los gases de combustión al calentar la carga que va a ser quemada, con ellos.

LADRILLO DE CONSTRUCCIÓN

Este ladrillo se puede describir como un ladrillo de relativa baja calidad que se usa extensamente para propó- sitos estructurales en los que el ladrillo no necesita ser - de gran calidad "específica" en cuanto al color, resistencia o uniformidad de tamaño.

Los materiales con que se fabrican se encuentran - en abundancia y por consiguiente son muy baratos. Debido a - su bajo precio por unidad de peso el costo de transporte for ma gran parte de su valor total. Esto ha hecho que las plan- tas se localicen siempre cerca de los lugares de consumo. El costo principal de las arcillas es el de extracción y trans- porte a la planta. Para que un depósito de arcillas de baja

B

calidad tanga algún valor, tiene que estar localizado cerca de un medio de transporte o de la planta donde se va a util zar.

Materia Prima.

El ladrillo de construcción es hecho de la clase - más común de arcillas. El único requisito es que la arcilla tenga una cierta plasticidad para ser moldeada y que no se - raje al moldearse. Arcillas superficiales son las que más se usan para la fabricación de ladrillo. Esto se debe a que la arcilla debe obtenerse con el mejor costo posible.

C

CAPITULO I

TEORÍA DE LA COCCIÓN DE LA ARCILLA

La acción del calor sobre las arcillas y silicatos asociados es de fundamental importancia en la Industria cer¿

mica. Estos materiales, en su estado natural, tienen un uso muy limitado; pero cuando se tratan a altas temperaturas, a¿

quieren una durabilidad ño igualada por otros materiales co- munes* Muchos de los factores que entran en la cocción del - ladrillo no son bien conocidos y debido a esto, se necesita recurrir a datos empíricos. El adelanto de la industria ceri alca ha contribuido a simplificar estos problemas.

COMPOSICIÓN QUÍMICA

Las propiedades fundamentales de cualquier substag cia están relacionadas intimamente con su composición quími- ca. Esto rige para las arcillas y cualquier otro producto ce rámlco. En las arcillas empleadas en la fabricación de ladrl líos, la composición química es tan compleja que sólo se pue

1

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T O E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 2

# Caolín i Hi^tAl²SͲ0⁹ ó 2H²0 M²°3 •^{2 S 1 0}2 Micas HgKA^CSiO^j ó H g N a A l ^ S l O ^ . Yeso: CaSOi+.Sf^O.

de tener una ligeríslma idea del comportamiento de sus eompo nentes•

En los análisis químicos de materiales cerámicos, los compuestos son reportados como óxidos, pero en la mayo­

ría de los casos no están presentes como óxidos libres, sino como constituyentes de compuestos complejos tales como c a o ­ lín, * mica, yeso, etc.

Es Imposible decir por medio del análisis químico, como están combinados los óxidos y que minerales se hallan - presentes. Esto sólo se puede determinar por medio de un ana liáis de Rayos X.

Un análisis racional puede ser más efectivo. Por - ejemplot SI en una arcilla se encuentra AlgO^ y S102 se pue­

de suponer que están en combinación formando caolín. Si hay un exceso de S10² se puede suponer que se halla presente co­

mo cuarzo, y así sucesivamente. En la fabricación del ladri­

llo común este análisis no tiene aplicación, y muy contadas veces se lleva a cabo. En la fabricación de refractarios y - Loza es donde encuentra su mayor aplicación.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 3

Reacciones químicas durante la cocción.##

Tabla No. 1

Temperatura aproximada. Reacción.

°F/

70 a UOO Pérdida de agua de plastificación.

700 a 1100 Pérdida de agua químicamente comb¿

nada.

AI2O3.2SIO2.2H2O 2H²0 + 2 S i 0²+ A L²0³. 1500 Formación de Mullltat

3 A 1²0³ + 2S10² 3Al2°3.2Si0².

2200 Cristales de mullita empiezan a — crecer.

Las reacciones que ocurren en el proceso de c o c - ción de un cuerpo de arcilla, nunca llegan hasta su punto fi nal, es decir, que un cuerpo no es permitido quedarse a una determinada temperatura hasta que las reacciones que se está verificando lleguen a terminar debido en parte a que las — reacciones son muy lentas y debido a que las propiedades del cuerpo cambiarían si las reacciones fueran completas.

Debido a lo lento de las reacciones y a la alta vlscocidad de los silicatos, el tiempo es un factor sumamen- te importante en el quemado. Es de la misma importancia que la temperatura, debido a que está directamente relacionado - con ella; puesto que las velocidades de reacción son muy sen,

sibles a la temperatura, el tiempo necesario para llevar a - cabo cierta reacción a determinado grado, depende de ella. - Por métodos empíricos se sabe que el mismo efecto se obtle—

## Ceramics Vol. III Universi'ty of Cincinatti.

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 1+

n« si un cuerpo de arcilla es mantenido a una temperatura bg Ja por un tiempo largo que a una temperatura alta por un tiempo corto, por supuesto dentro de ciertos límites. Debido a la complejidad de las composiciones, a las reacciones que se llevan a cabo, y a la dificultad de medirlas, la relación exacta de temperatura y tiempo no es conocida. No obstante, una idea de esta relación puede obtenerse considerando la — temperatura de deformación de los conos pirométricos• Como - ejemplo, tomamos el cono No. 10 que tiene un punto final de 1,260°C. a 20°C por hora y otro punto final de 1,305°C. a -- 150° por hora; como se vé, el cono tarda 63 horas para bajar en el primer caso y el mismo resultado se puede obtener en - 8 . 7 horas con un calentamiento más rápido. Esta misma reía—

clon es cierta para cuerpos de arcilla, por supuesto tomando en cuenta la composición del cuerpo y las temperaturas de — trabajo.

Cuando se trabaja a altas temperaturas y razones - de cocción rápidas, las condiciones de un cuerpo de arcilla pueden ser un poco diferentes a cuando se trabaja con menos rapidez y menos temperatura, debido a que las reacciones no llegan hasta el mismo grado de desarrollo, también el mete—

rlal se contrae menos en el primer caso que en el segundo.

La oxidación de materia orgánica, fierro, azufre, se lleva a cabo en reacciones separadas a las de los silica­

tos y aluminatos. Dichas oxidaciones se llevan a cabo entre los límites de 700 a 1800°F. y no afectan las demás reaceio-

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A .«>

nes para nada, a no ser que se encuentren en gran cantidad 7 que no se hayan quemado antes que la vitrificación se haya - verificado.

Cambios Físicos durante el quemado.

Todas las propiedades físicas del cuerpo cambian - al quemarse. Precisamente el propósito de la operación del - quemado es cambiar las condiciones físicas del cuerpo de tal manera que cambie su estado blando a un estado duro y firme.

El cambio de las propiedades físicas se debe a las reaccione, químicas verificadas por la acción del fuego en el material original. Los cambios que se llevan a cabo en el material es.

tan todos conectados entre sí, durante la cocción no pueden lograrse el control de ciertas propiedades físicas indepen—

dientes unas de otras, sino dentro de ciertos límites muy re.

ducidos•

Las principales propiedades físicas que cambian du, rante la cocción sont

1.- pérdida de pesos:

En las primeras etapas de la cocción, el cuerpo ce.

rámieo pierde el agua que no pudo separarse en el secado. A los 850°F. el agua de hidratación del caolín también se sepa, ra y toda el agua restante queda completamente fuera a una - temperatura de 1,100°F. A esta temperatura la oxidación de materia orgánica se lleva a cabos una parte se destila sin - ser quemada, pero otra es quemada a C 0². La pérdida en peso debido a la oxidación es pequeña. La oxidación continua has*

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O Y D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y ¿

ta los 1,650°F. Arriba da esta temperatura, el carbón r e s - tante es difícil de expulsar debido a que la vitrificación - que ya ha comenzado tapa los poros y el oxígeno no puede pa- sar al interior a continuar la combustión*

Alrededor de los 1,700°F. los carbonatos presentes se descomponen, y el cuerpo pierde peso debido a la forma — clon de CC^. Una vez desalojado el COg» el cuerpo ya no ple£

de peso de manera apreclable, y se puede decir que está a pe so constante.

2.- Contracción.

Está afectada por las mismas causas que la pérdida en peso. La pérdida de agua al principio ocasiona una contrej clon notoria, tanto más, si del material no ha sido expulsa- da el agua de plasticidad. Inversiones cristalinas tales co- mo el cambio de cuarzo "Alfa" a cuarzo "Beta" a 1,060°F. tam bien causan un rápido cambio de volumen. La contracción prig cipal se verifica hasta que la vitrificación ocurre, y es d$

bida a la tensión superficial de los líquido acumulados en - los poros que se forman entre las partículas. En estos peque, ños poros la tensión superficial ejerce fuerzas muy notables.

Estas fuerzas atraen y retienen las partículas sólidas a la fase líquida,, hasta que estén perfectamente rodeadas de l i — quldo; entonces los poros son tapados por materiales fundi- dos. Después que esto ha ocurrido, cualquier contracción fu- tura es imposible.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 7

3-- Porosidad.

Para ciertos productos la porosidad del cuerpo acá.

bado es muy importante; para el ladrillo de construcción no lo es tanto, por eso no trataremos el punto, sólo diremos — que la porosidad depende del grado de vitrificación a que se haya sometido el cuerpo.

W.- Resistencia.

Es por supuesto la propiedad física necesaria en - cualquier cuerpo cerámico. La resistencia del cuerpo de arcjL lia no es afectada por la pérdida de agua al principio de la cocción. Si hay alguna cantidad de cuarzo libre, la expansió que se lleva a cabo debilita el cuerpo. La resistencia del - cuerpo se adquiere al comenzar la vitrificación y logra su - punto máximo al llegar al grado de vitrificación completa. - Después de este punto cualquier aumento de temperatura dlsral nuye la resistencia debido a la formación de burbujas.

Al empezar la vitrificación el líquido solo se for.

ma entre los granos del cuerpo. Al ir aumentando la vitrifi­

cación el líquido empieza a llenar los poros y hace que los poros se junten, haciendo el cuerpo más unido.

5.- Dureza.

La dureza es muy difícil de medir, esta propiedad se debe a la formación de vidrio silicoso, y a la de compuej tos tales como la mullíta. Una arcilla bien vitrificada ten­

drá una dureza de 5 an la escala de Mohr.

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 8

6.- Color.

En los ladrillos de construcción el color debe ser orientado a satisfacer a los consumidores» El óxido de f i e - rro es el principal colorante en arcillas comerciales. A ba- jas temperaturas se encuentra en forma de Fe) y F*2⁰3* C o n - forme aumenta la temperatura, el equilibrio entre estos dos compuestos se desplaza en favor del FeO. El FeO produce un - color café obscuro o negro, debido a los silicatos ferrosos formados durante la vitrificación.

7 - - Cambio de Forma.

Está intimamente relacionado con la contracción y puede ser ocasionada por tres diferentes causass

a).- Debido a tensiones en el cuerpo durante la — formación o secado, o por la separación y segregación debi- das al mal mezclado de las arcillas con la arena.

b ) D e b i d o a algún peso extremado después de que el cuerpo ha llegado a un estado plástico durante la vltrif¿

caeion. Este efecto es debido a la gravedad y puede ser cau- sado por el peso del cuerpo que está sobrepuesto. Este caso es muy frecuente en los hornos de cámaras y en los abiertos en que es puesto el ladrillo uno encima de otro por varias - capas•

c ) • - Contracción irregular del cuerpo, debido a — que la aplicación del calor sobre este no es uniforme, cau—

sando así dentro de un mismo ladrillo partes sobre quemadas y partes no quemadas hasta su punto deseado.

CAPITULO II

HORNOS TÚNEL'

Este horno ofrece excelente regeneración de ealor.

Consiste de un túnel por el cual son empujados un cierto nú­

mero de carros que llevan la carga. Los carros van por vías de acero 7 son movidos por medio de un "Hidraulic-Pusher". - La estructura superior del carro esta construida de refracta, rio 7 su parte inferior, que es de acero, esta protegida del calor por la forma misma del túnel 7 además por un sello de arena que consiste en un canal en la pared interior del t u ­ nal por el cual corre un vastago del carro; este canal está lleno de arena, (diagrama # 1)

En esta clase de hornos se mantiene una zona de — temperatura muy alta. El material entra por un lado, se c a ­ llenta progresivamente por medio de los gases de combustión hasta que llega a la cámara de combustión, 7 después sale por el otro lado del túnel a travéz de una zona de enfria—-

# Datos proporcionados por la "Allled Frsineering Co^H# 9

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 10

miento a una temperatura tal que pueda exponerse al exterior sin temor de que sufra algún daño*

La sección transversal del horno es pequeña, y por lo tanto, se facilita mantener la temperatura constante y — consecuentemente la distribución uniforme del calor* En la - mayoría de los casos, se usa el sistema de contracorriente, por el cual los gases de combustión de la cámara, son lleva- dos hacia la entrada del túnel, cediendo su calor sensible - progresivamente a la carga que va entrando. Bajo condiciones ideales, existe en cada una de las porciones del túnel una - temperatura distinta aunque constante a través del ciclo de coción y por lo tanto no hay enfriamientos ni calentamientos bruscos en la estructura del horno.

La carga que sale de la cámara de combustión es en frlada por medio de una corriente de aire que se inyecta ha- cia dentro del túnel, y sirve como aire de combustión para - el gas natural quemado.

Las ventajas principales del horno túnel soni 1.- La temperatura es constante.

2 — No hay pérdidas de calor debido al enfriamiento y calentamiento Intermitente de la estructura del — horno.

3*- Disminuye el costo de mantenimiento del horno deb¿

do a las condiciones constantes de operación*

El túnel se carga y descarga desde afuera bajo cor¡

diciones que significan una gran economía de mano de obra*

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A XX

Las ventajas principales en la operación de esta - clase de hornos, sobre los hornos de cámaras y hornos perió- dicos sons

1.- ün tratamiento perfectamente controlado del calor sobre la carga* En un horno intermitente hay por - lo común una diferencia de temperatura de 2 a 3 «£

nos de arriba a abajo. Puede también haber una di- ferencia mayor de lado a lado cuando las condicio- nes atmosféricas sean Inestables, como en el caso en que sople un viento fuerte* En la práctica, en los hornos intermitentes, el ladrillo colocado en la parte superior, queda quemado mucho antes que - los ladrillos de la parte inferior. Tan pronto co- mo el calor se empareja en la parte inferior, y — las sombras obscuras del ladrillo desaparecen, el horno se apaga.

De esta manera la parte Inferior no sólo recibe me.

nos calor que la superior, sino que sufre un menor tiempo de calentamiento. El resultado es que los - ladrillos inferiores son más grandes y más blandos que los superiores.

2 . - Durante las primeras etapas del calentamiento des- de que se verifica la evaporación de agua mecánica, hasta 750°F la aplicación del calor en un horno l£

intermitente varía considerablemente, debido a las condiciones atmosféricas que prevalezcan. Eso se - debe a que ordinariamente esos hornos tienen tiro

J)t a g r a m a

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T O E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 12

natural•

3 . - Durante la siguiente etapa de calentamiento (900°F) llamado período de oxidación, la composición qulm¿

ca de la arcilla va cambiando. Cualquier agua com- binada, es evaporada, el carbón y el azufre son —

quemados o expulsados. Esto requiere que la atmós- fera del horno contenga una determinada cantidad - de oxígeno libre, para evitar que sea demasiado rá pida la expulsión de los gases y ocasione rajadu—

ras en la carga. También puede ocasionar, que de - no mantenerse una atmósfera adecuada dentro del tu, nel, una diferencia de composición química entre - la parte exterior e interior de la carga. Por s u — puesto todo el ladrillo debe tener exactamente la misma composición para poder tener resistencia. — Gran cuidado deberá ser puesto en la construcción de la cámara de combustión de un horno túnel, para

asegurar asi la flexibilidad necesaria, con el ob- jeto de controlar la temperatura y la atmósfera — adecuada durante el período de oxidación. Las con- diciones preferentes para producir una mejor oxida, clon son determinadas empíricamente en las opera- ciones iniciales y luego seguidas rígidamente.

En hornos periódicos que dependen de condiciones - exteriores, esa etapa varía con los elementos natu rales. No ha sido posible encontrar un medio para controlar esta etapa mecánicamente en este tipo de

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 13

hornos•

Después de que la carga haya sufrido los cambios - químicos inherentes al período de oxidación, es ne.

cesarlo que se mantengan un tiempo apropieado y — una atmósfera correcta, para asegurarse que los — cambios termoqulmicos y físicos sean uniformes.

Puesto que la sección transversal del túnel es pe- queña, es fácil mantener estas condiciones unifor- mes.

En hornos periódicos, no sólo debido a la falta, de control, sino también a la gran sección transver- sal, es Imposible que el ladrillo se caliente uni- formemente, dando por resultado que unos ladrillos se sobrequemen y otros se queden crudos.

5«- El tiempo más corto en el ciclo de producción r e — presenta una gran ventaja. En los hornos intermi- tentes de regular tamaño el ciclo tarda más o m e - nos 9 días divididos de la siguiente maneras a) Un día para acomodar el tabique en el horno.

b) Cinco días de quemado, incluyendo el precalentg miento.

c) Dos días para el enfriamiento.

d) Un día para descargar el horno.

Luego si ha habido algún contratiempo en la manufag tura, debido a las diferentes clases de arcilla — usadas, al mal secado, etc., no se descubre este - error hasta que el ladrillo es sacado del horno. -

I N S T I T U T O T E C N 0 1 0 6 I C D T B E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y l l +

De esta manera la planta sigue haciendo ladrillo - por 9 días, sin saber que puede haber una pérdida fuerte.

Después de corregir este error hay que esperar nue.

re días para saber si se ha eliminado totalmente.

En un horno tunal en uno o dos días según el ciclo usado, se descubre la anomalía y puede corregirse cuanto antes.

6 . - En los hornos periódicos que se encuentran a la in, temperie, el transporte del ladrillo seco de los - secadores al horno, se tarda bastante tiempo; ade- mas, para acomodar todo el ladrillo en el horno se necesitan varios días. En caso de lluvia, el ladr¿

lio se moja y tiene que volverse a repetir el c i - clo del secado causando trastornos bastante fuer- tes. Los hornos túnel siempre se encuentran bajo - cubierto y Junto a los secadores, evitando así es- te riesgo de interrumpir la producción.

7 > - En los hornos túnel se obtiene una curva de enfria, miento perfectamente controlada.

En los hornos periódicos que estén construidos a - la Intemperie, esta curva varía con las condiciones atmosféricas.

8 . - En los hornos túnel la carga, perfectamente seca, no es "manoseada"• Se coloca en los carros cuando se fabrica, en los mismos pasa al secador, y d e s - pués al horno, sin que se vuelva a tocar el ladri-

E S C U E L A D E N G E H I E R J A 15 lio, evitando así que se despostllle. fin los h o r - nos periódicos y de cámaras los ladrillos son pri- mero puestos manualmente en los carros del secador, se pasan por él, y luego se descargan de nuevo en la misma forma para cargar las cámaras. En esta — condición (perfectamente secos) los ladrillos son muy delicados y con cualquier golpe o rozón se pue den romper sus esquinas.

9 . - En un horno túnel el ladrillo es secado con una co rriente uniforme de gases de combustión, eonsecuen, temente el ladrillo pasa por las condiciones desea das.

10*- Debido a que las operaciones realizadas en el hor- no túnel son muy regulares, es decir, a que no hay momentos de gran actividad y momentos de inactivi- dad casi completa, como en la operación de los hoz nos periódicos y de cámaras, la gente trabaja síes pre al mismo ritmo, y por lo tanto, con más efeet¿

vidad.

CAPITULO III EXPERIMENTACIÓN

Para diseñar un horno túnel con las característi—

cas mencionadas en los capítulos anteriores, habrá que basar se en datos empíricos obtenidos en el laboratorio.

Para este objeto se diseñé un horno piloto con el cual se obtuvieron las constantes necesarias para comprender el comportamiento del cuerpo de arcilla sometido a condicio- nes actuales de operación.

Este horno se construyó de material refractarlo — Ranger, y según el plano # 1.

Los ladrillos que se quemaron provienen de "Ladri- llera Monterrey", S.A., y fueron sometidos al horno después de pasar por los secadores de dicha empresa. El porciento de agua encontrada en estos tabiques al salir del secador es de

»*.

El ladrillo que se va a introducir en este horno - piloto, se pone en un marco de fierro fundido y el cual se -

16

M $ Uji P íí -

•ff í

E I C D £ L * D E I N G E N I E R Í A 17

arrastra a travez de toda la longitud del horno por medio de un alambre de acero conectado a una polea; este alambre se - enrolla en la polea y Jala el marco a travez de todo el t u — nel.

La temperatura en la cámara de combustión se mide con un termo-par instalado exactamente arriba de ésta y la - temperatura a travez de todo el horno se mide con la ayuda - da un termo-par movible conectado a un potenciómetro graduado directamente en grados centígrados.

Debido a la poca longitud del túnel, es claro que una velocidad constante no puede ser aplicada al marco que - lleva el ladrillo, por lo tanto, el ladrillo va avanzando de sección en sección del túnel según los datos proporcionados por el termo-par movible; así se va obteniendo un gradual au mentó de temperatura en el tabique y se suple el efecto del carro con su movimiento continuo a que estará sujeto el l a - drillo en un horno túnel industrial. No creo que por este — sistema de avance las constantes de cocción del ladrillo so- metido al fuego varíen con las constantes encontradas en la realidad en escala industrial.

La atmósfera del horno debe de ser oxidante ya que si fuera reductora, el cambio de FegO^ a FeO se verifica más rápidamente y más completo, produciendo un color obscuro en el producto terminado.

En el horno piloto esta condición fué lograda i n — yectando aire por los quemadores y por lo tanto pre-mezclan- do el aire con el gas antes de la ignición. El control de la

1 N 1 1 I T V T 9 I t t N f l l O Q l t O 1 D E E S T U O I O S S U P E R I O R E S D E M C H T E R R E Í

cantidad da aire usado fué llevado a cabo según el color de la flama obtenida} un color de flama azul casi Imperceptible fuá el aceptado como correcto*

Para que la flama no tocara directamente el mate- rial, se puso delante de los quemadores un cuerpo de material refractario con el objeto de desviar la flama hacia abajo, -

logrando así, aparte de que la flama no tocara la carga, que la temperatura dentro de la cámara fuera más uniforme, es de¿

cir, que no hubiera mucha diferencia de temperatura entre la parte superior a inferior del mismo.

La rapidez con que el material cerámico puede ser calentado está intimamente relacionado con el grueso del mis.

mo, pues la dificultad está en hacer llegar el calor hasta - el centro del material sin que haya un gradiente de tempera- tura muy grande entre el exterior e interior del cuerpo en - cuestión. Esta diferencia se acentúa directamente con el grueso del material. Si este gradiente de temperatura es muy alto, sé producen esfuerzos muy grandes entre la parte exte- rior que tiende a expansionarse y la parte interior que r e - prime esta tendencia. Estos esfuerzos traen como consecuencia que el ladrillo se raje o se lamine demasiado. Una manera de evitar esto es quemar el ladrillo poco a poco con el objeto de que las temperaturas del Interior y exterior tengan tiem- po de equilibrarse.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 19 El análisis da gases del horno fuá:

C 02 7«6¡í

0² 7.»*SÉ

H2 8 5 . i

Exceso de aire 1 0 0 = 5 0 . 6 j í

Un exceso de aire inferior no se recomienda ya que entonces se obtendría una atmósfera no tan oxidante.

En la tabla No. 2 se muestran los Talores obteni- dos según las diferentes condiciones de operación.

T A B L A N O . 2

Í W f . H L U U C 1 - LA ÜTIADA

7 W P 0

DE LA C W U R A DE COMBUSTJOH

TIEMPO a u m t i i LA CAHAHA mmrK

OBSEBVACJCiXSl

Salló crudo . 1 ladrl lio debido poilbl.—- mbU al preealenta-

«ianto tan rápido.

Sallo crudo j rejado 25°C

25°C

25°C

30°C 30°C 3o°c 3o°c 3o°c

30°C, 30°c J0°c

850°c 850°C 900°C

900°C

900*0

1000°C

1000°C

925°c

925°C 925°e 950°C

30 ala. 13 Ha, 30 sin. 13 Ha.

30 mía.

v ; «ln.

I bola

1 hora 30 mln.

30 «in.

I»J ala.

mln.

2 H*.

13 H s . Sallo poco s.Jor pe—

siblenente necesita nía tiempo en la ea- 'aara.

13 Ha. I Necesita más tirapo .n la . a u r a . 13 HÍ.!E1 color exterior ••

|rexonabl»i.n . 1 Int.

rlor esti crudo.

13 Hl.iEl ladrillo o b t e n i - do aa de color n»|ro ' Eitá "eótti .requemad*

13 Hi. T u b l é n le sobr.qu»-

•6lpositlenent. mvj alta la teap.rature. • 13 F ' . Se obtuvo un color -

bueno en la parte de afuera;en .1 I n t e - rioraran» quemar••.

Paltó cocción.

13 Ra.

13 Ha, 13 Hj,

Faltó cocción.

Ladrillo d. • fleo aapect).

m í -

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 20

El ladrillo obtenido en la prueba # 11 resultó eon un aspecto muy bueno, sin rajaduras y de un color rojo inten, so*

Se hicieron varias pruebas con el ladrillo obteni- do en la prueba # 11 y se obtuvieron resultados satisfacto- rios.

La calidad de los ladrillos se determinó por prue- bas efectuadas según la A.S.T.M.

Resistencia a Módulo de ruptura Absorción de Absorción de

la Compresión o 3WL^ H²0 HgO

2 M (2*t horas) (hirviendo 5Hr)

8 , 0 0 0 Ibs/sq.in. H80 lbs./sq.ln. 12 % V5 %

Las propiedades de un ladrillo de construcción se- gún la A.S.T.M. son:

Resistencia a Módulo de ruptura Absorción de Absorción de

la Compresión H«0 H^?0

<2U fioras) (HirvÍ5 hr.) 7 , 0 0 0 lba*q.in. V50-600 lbs/sq.ln 12-15JÉ X¿$

El ladrillo obtenido llena los anteriores requisi- tos plenamente. Los valores dados para las dos tablas son v¿

lores promedios.

# V Peso máximo en Lbs.

L Distancia entre soportes, b Ancho del ladrillo, d Grueso del ladrillo.

CAPITULO IV Diseño y cálculo del horno.

Capacidad: 3 0 , 0 0 0 ladrillos diarlos.

Condiciones:

El horno túnel operará en una forma continua y usa, rá gas natural como combustible. Sólo habrá quemadores en la parte central del horno (zona de combustión). Los gases de - este sector serán pasados a contracorriente con la carga en la zona de precalentamiento y luego saldrán por la chimenea instalada en el extremo del túnel por donde entra la carga.

La carga, conforme se va adentrando en el túnel Ta calentán- dose debido al calor sensible cedido por los gases. En la zo na de combustión, es donde la carga es calentada a su máxima temperatura de cocción ( 9 5 0° c ) . La carga después de salir - de la zona de combustión pasa a la zona de enfriamiento don- de pierde su calor debido at

Al aire de combustión que entra por el extremo del túnel por donde la carga sale regenerando así parte del c a —

21

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 22

lor de la carga 7a quemada.

A la transmisión de calor a las paredes del túnel.

La carga atraviesa el túnel en carros cuya parte - Inferior y ruedas están hechas de fierro vaciado y acero y - la plataforma hecha de material refractario. Sobre estos ca- rros se pone la carga. Cada uno de estos carros es introduce do al túnel cada hora # empujando por el otro extremo otro - carro similar.

El tamaño de estos carros es de 7*oft. de largo y 5V* de ancho. Las ruedas y estructura hechas de fierro va- ciado y acero pesan 1 , 0 0 0 Lbs. El material refractarlo pesa 2 , 2 0 0 lbs. Estos carros tienen una capacidad para 1250 ladri líos, o sea 5»500 lbs.

El calor especifico del refractario puede tomarse como 0 . 2 0 + O.OOOlt. y el de la carga de 0.22 4 0.OOO12t. —

Entre los límites de temperatura de 6 0 0 ° - 700°C, la éarga pierde toda el agua combinada que le quedó después de pasar por el secador. La cantidad de agua que tiene este material es como promedio un U£ según datos proporcionados - por "Ladrillera Monterrey», S.A., de donde provino el mate- rial usado en la parte experimental. El calor de descomposi- ción de la arcilla al desprenderse esta agua es de 15 Kg. — cals./mol.H²0 ^m

La carga, el aire y los gases entran al horno a — 20°C. La carga debe ir aumentando su temperatura uniformemen te hasta llegar a la cámara de combustión, aquí se verifica la cocción propiamente dicha, y luego irse enfriando unifor-

# Véase parte experimental.

##Datos obtenidos de la "Allled Engineering co. de México.

###Tne heat required to fire ceramie Bodies-Ohlo State ünl- versity Bulletin 3 8 .

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 23

mésente hasta una temperatura razonable a la que pueda expo- nerse al ambiente sin sufrir ningún daño.

Según los datos obtenidos en el horno piloto, la - carga debe permanecer en el horno un total de 26 horas. Pero debido a que en un horno industrial el calentamiento del ma- terial no es tan rápido, pues el volumen de carga es mayor, se dará un margen de seguridad que según las experiencias es aceptable; este tiempo está determinado por la longitud del horno.

La longitud teórica del horno serái 7 i X • 182 ft.

X 26

Se asumirá una longitud de 250 ft., de estos 15 ft serán de la cámara de combustión, 120 ft. de la zona de pre- calentamiento y 115 ft« de la zona de enfriamiento.

La altura del horno será de 73" y el ancho de 58".

Es de desearse que la carga salga del horno a una temperatu- ra suficientemente baja para no sufrir daño, se asumirá una temperatura de 100°C • La carga debe de ser precalentada a n — tes de entrar a la zona de combustión, según las experiencias obtenidas, hasta una temperatura de 850°C.

Las pérdidas de calor a través de las paredes s e - rán muy grandes debido a la gran superficie expuesta y a la alta temperatura de operación. Usando el criterio del Cera- mie Data Book 19**8, se procurará el aislante necesario para que las pérdidas sean razonables.

Es lógico que las pérdidas en la zona de enfrlamien.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A £k

to sean menores debido a que los gases y las paredes del ho£

no están mis fríos que la carga, ocurriendo lo contrario en las zonas restantes.

Los gases de combustión, después* de ceder su calor sensible a la carga entrante, saldrán por la chimenea a — - 220°C/ (dato asumido). 7 el aire que entra para calentar la carga se calentará hasta una temperatura X antes de partici- par en la combustión.

81 metal, ruedas y refractario de los carros esta- rá protegido del calor por un sello de arena instalado en —

las paredes interiores del horno.

Debido a esta protección el refractario y el metal da los carros no se caliente hasta la temperatura total; si

se asume que todo el refractarlo se callente hasta la tempe- ratura total, y que el material de fierro no altera su tempe, ratura, los dos efectos se balancean obteniendo una aproxima, eión acertada.

CÁLCULOS

En la zona de precalentamiento, la carga debe a u - mentar su temperatura hasta 850°C de una manera lenta y uní- forme, < & >. 6.92°/ft.

Puesto que la capacidad calorífica de la carga va- ría muy poca con la temperatura es factible hacer la suposi- ción de que el calor consumido por ft. de longitud en esta - zona es prácticamente constante. (No se toma en cuenta el — efecto de dehidrataelón en la temperatura debido a que es —

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 25

•uy pequeño el volumen de agua comparado con el volumen de - los gases); también, según se dijo anteriormente, las pérdi- das por conducción y radiación a las paredes, es constante - a través de toda la zona de precalentamlento.

Puesto que el calentamiento de la carga en todas - las secciones de esta zona va a ser proporcionada exclusiva- mente por los gases de combustión, y puesto que estos mismos gases pasan a travez de toda la zona, la misma cantidad de - gases pasaré por cualquier sección en unidad de tiempo, pro- duciendo como consecuencia que la calda de temperatura de — loa gases por unidad de longitud sea uniforme (despreciando el pequeño cambio de capacidad calorífica con la temperatu- ra).

Como dijimos anteriormente el calentamiento de la carga debe ser uniforme y constante, por lo tanto, si se asu me una diferencia de temperaturas igual entre los gases y la carga en los dos extremos de la zona de precalentamlento se obtiene esta condición. Como la carga entrara a 20°C. y los gases salen a 220°C. la diferencia seré de 200°C. a travez - de toda esta zona. Puesto que este horno esté dividido en — tres secciones fundamentalmente distintas, se puede hacer un balance de calor en cada una de estas secciones que fijen — las condiciones Ideales de operación. (Diagrama # 2)

Como se desconoce la cantidad de aire que se va a usar en la combustión y la cantidad de combustible consumi- do, se tienen dos incógnitas. Ahora bien, como la temperatu- ra de la flama esta en función con el exceso de aire usado -

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 26

BALANCE DE LA ZONA DE ENFRIAMIENTO

El calor proporcionado a esta zona proviene solo - del calor sensible de la carga una vez quemada. La carga en- tra a esta zona a 950°C 7 se enfría a 100°C.

Calor cedido por la carga - Calor absorbido por el aire - Calor perdido por radiación.

7 con la temperatura de esto exceso, se necesita hacer un ra, zonamlento de tanteo.

1 . - Se supone una temperatura de la flama en la e¿

•ara de combustión.

2 . - Con esta temperatura 7 a fijada, se puede c a l - cular el exceso de aire 7 la temperatura de precalentamlento del mismo.

3*- Con el exceso de aire 7 temperatura obtenidos, se calcula la temperatura de la flama que debe ser un poco - mayor que la asumida debido a que la transmisión de calor de la flama al material no es perfecta 7 debido también a que a estas altas temperaturas el metano no se quema completamente, de este modo necesitamos un margen de seguridad para asegu- ramos que tenemos la temperatura suficiente.

Haciendo a x las moles de gas consumidas por hora 7 * 7. las moles de aire en exceso usadas 7 temando como ba*

se la temperatura ambiente (20°C/) se pueden hacer los balan ees de las tres zonas fundamentales.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 27 1.- Olor cedido por la cargas

La temperatura promedio de la carga est 950 ^ 199 3 5 2 5

Cp. de la cargas 0 . 2 2 + . 0 0 0 1 2 t • 0 . 2 7 5 Cp. de los carrosÍ 0 , 2 0 + JO O O U « 0 . 2 5 2 5

Como la carga 7a ha perdido todo el agua, el mate­

rial efectivo ess 5500 - 5 , 5 0 0 x O.tík « 5,280.

El calor que entras?,280x0.275(950-100)= 1 , 2 3 0 , 0 0 0 Chu's.

2,200x0.2525C 950-100) » *r73,00O

Total 1.703,000/carro.

1*703.000 Chu's/hora

2 . - Calor perdido por radiación en la zona de enfriamiento.

El aislante usado en las paredes laterales1 Ladrillo refractarios 9"

Ladrillo rojo 12"

21"

las pérdidas soni 360 B.T.U./hr,/ft.

El aislante usado en la parte superior:

Ladrillo Refractario 1 9"

Las pérdidas son de 560 Btu./hr/ft .

Área de las paredes lateraless 1 1 5 x 6 . 0 8 x 2 * l**O0 f t2. Área de la parte superior: ll5x^lf.3¹f « 556 f t2.

Pérdidas: HKJO 1 3>t0 • ^ 7 6 , 0 0 0 Btu/hr.

556 x 560 = ^ f ^ ^ '

Total: "455.000 Chuts.

0 Ceraaic data book 19M), (pég.28)

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O V D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 28

3 . - Calor absorbido por el aires

1,703,000 - H?5,000 = 1.2^8.000 Chu's.

BALANCE DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN

I) Q sensible recuperado por el aire en zona de enfriamiento + Q de combustión de x, moles de gas • Q sensible de los pro­

ductos de combustión + Q sensible del exceso de aire + Q con.

sumido en calentar la carga desde 850° a 950°C + Q perdido - en las paredes*

1*- Q sensible recuperado por el aire:

Punto 3 en el balance anterior.

1.2*f8.000 Chu's.

2*- Q de combustión de x adíes de gas:

& Análisis del gas de Monterrey:

CHi^. 97*16^

Su poder calorífico es de C 02 ,60%

212,000 Chu's/ mol* C2HV 1.58JÉ

C³H⁸ . 3 7 *

CifH^{1 0} *19#

N² . 1 0 * Su calor por lo tanto sera:

212-000*

3 * - Q sensible de los productos de Combustión:

Como los gases están 200°C. más calientes que la - carga, su temperatura será de 1050°C.

CH\ + 2 0² C 0² + 2H²0

# Tesis profes. del Ing.J.B.Amores, (Pag.29)

CONTENIDO DE CALOR CALOR GANADO 1 0 5 0 ° 2 0 °

1 1 , 9 0 0 180 11,720

9,800 170 9 , 6 3 0

7 , 5 0 0 1H0 7,360

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A x 29

Los productos de combustión seráns

x moles de C 0² 2x moles de H²0 2x(79/21) moles de N² El contenido de calor de estos gases es: ##

GAS C 0² HgO H², 0¡>.

Luego de donde:

ll,720x + 9630C2x) + 7360(7.52x) = 86.300x.

V Q sensible del exceso de aires

# El aire contiene un 60* de Humedad: H=.01*f ^^S'^H2 ° — , — lbs. de aire De la tabla de contenido de calor en el punto 3 , - vemos que el contenido de calor del aire es de 7360 Chu's/moL y el del agua de 9630 Chu's/uol.

El calor sensible sera:

7 3 6 0 y + 0.01V x |§ x 7 x 9630 « 7.577v.

5 » - Q consumido en calentar La car^a^desde 850° hasta 950°C.

t,, « 9go + 95Q , 9oo°c.

Cp. de la carga: 0.22 + 0 . 0 0 0 1 2 t » 0 . 3 2 0 8 Cp. de los carros: 0.20 + .000lt • 0.29

5280(950 - 8 5 0 ) 0 . 3 2 0 8 = 170,000 Chu's.

2200(950 - 850) 0.29 = 63,700 Chu's.

Total 233,700 Chu's.

## ¿Industrial Stoichlometry Lévis and Radasch, Pag.29

# Datos observados en el•laboratorio. Pag. 3 0 .

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 30

BALANCE DE LA ZONA DE PRÉGALENTAMIENTO

(II) Q de gases que se enfrian de 1 , 0 5 0 ° hasta 220°C • Q ne­

cesario para calentar el carro y carga de 20°C hasta 850°C + - Q recobrado del agua entre 6 5 0 ° y 2 2 0 ° + Q perdido por ra­

diación.

6 , - 0 perdido en las paredes*

El aislante usado en las paredes laterales:

Ladrillo refractario 9"

Sll-O-Cel "+.5"

Ladrillo rojo 8"

21.5"

Las pérdidas son 520Btu/hr/ft²

El aislante usado en la parte superiors Ladrillo refractario: 9"

Ladrillo rojo 2"

11"

Las pérdidas son: 1180Btu/hr/ft²

El érea lateral es de: 15 x 6,08 x 2 = 182.5 f t² El érea superior es de: 1 5 X M-.8W = 72.5 f t2

Pérdidas paredes laterales: 182.5x520 =9>+,900Btu/hr.

Pérdidas parte superior: 1,180x72.5 = 85,500Btu/hr.

Totales: 100,00 Chu's./hr.

Teniendo ya todos los términos de la ecuación I, - reemplazamos los valores obtenidos:

(a) I,2tr8,000>212¹000x • 86,3OOx+7.577y+233i7O0+100,000.

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 3 I

1 2 . 5 x 1 5 , 0 0 0 = 183.000 Chu's.

# Industtial Stoichiometry Lewls 4 Radar h .

## The heat required to fire Ceramic Eouj.es. Ohio State Dniverslty, Bulletin 3 8 . Pag. 3 1 -

1.- Q sensible de los gases al enfriarse de j.T0?0 hasta 220°C

GAS CONTEHIDO DE CALOR # DIFERENCIA

1,050 220°

C 02 11,900 2,090 9,810

H20 9»800 1,830 7,970

H2, 02 7»500 1,500 6,000

Por lo tanto: 9,810 + 7,970(2x) + 6,000(7.52x) • 70.8?Ox_

El aire en exceso llevará un contenido de calón 6,000y + 0.01U x -Jl x 7i970y s 6,l80y Calor total: 70.870X + 6.l8py

2.- Q necesario para calentar la carga y carro desde 2,Q°g — hasta 850°C.

Puesto que la carga pierde el agua combinada a la temperatura de 650°C, este paso consta de tres etapas:

a) La carga es calentada hasta 650°C.

Cp. de la cargai 0.22 + .00012t = 0.2602 Cp. de los carros: 0.20 + .OOOlt * 0. 2 3 3 5 5 5 0 0 ( 6 5 0 - 20) 0.2602 = 900,000 Chu'e.

2,200(650 - 20)0.2335 = 325)000 Chu's.

Total 1,225,000 Chu's/hr.

b) El calor necesario para que la carga pierda su aguas

1 5 Hg~Cals/mol.^##

' son 220 Ibs. de H20/hr.

s 12.2 moles.

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O Y D E E S T I B I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y ^ 32

e) El calor necesario para «levar la carga desde - 6 5 0 ° a 850°C

Cp* de la carga: 0 . 2 2 + .000121 s 0 . 3 1 Cp. de los carros: 0 . 2 0 + .0001t c 0 . 2 7 5 - 5 . 1 8 0 ( 8 5 0 - 650)0*31 = 2 6 5 , 0 0 0 Chu's 2 , 2 0 0 ( 8 5 0 - 6 5 0 ) . 2 7 5 = 1 2 1 , 2 0 0 Chu's

Sumando a.,J¡, 7 £ .

1,225.000 + 183,100 + 386,000 • 1,79*S300 Chn's

3 — o recobrado por el agua entre 650° y 220°C.

Como el total del agua se desprende a 6 5 0 ° , esta - se mezcla con los gases de combustión 7 cede la diferencia - de su contenido de calor entre las dos temperaturas antes —

•endonadas 7 finalmente sale con los gases por la chimenea.

Total 386,200 Chu's

H2O

Contenido de calor 6 5 0 ° 2 2 0 °

»T,6*K) 1 , 8 3 0

1 2 . 2 x 2810 • 3V.300 Chu's.

Diferencia

2,810

Q perdido por radiación.

Tm « V35°C,

El aislante usado en las paredes laterales!

Ladrillo refractarios

Sll-O-Cel V.5'

Ladrillo Rojo

17.5"

Las pérdidas son: 1*K) Btu/hr/ft

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 33 El aislante usado en la parte superior:

Ladrillo refractarioi Ladrillo Rojo 2"

11"

Las perdidas seránt 700 Btu/hr/ft' Área lateral: 2 z 120 x 6 . 0 8 > 1,W60 f t² Calor perdidoi 1,H60 x l*t0 « 20^,000 Btu.

Área superior* 120 x W.SW = 580 f t² Calor perdidoi 580 x 700 = *K)6,00 Btu.

Perdidas totales: 6 1 0 , 0 0 0 Btu. o sea 3*K).000 Chu*s.

He emplazando las cantidades obtenidas en la ecua—

ci&n (II)

(b) 70,870x + 6 , l 8 0 y = 1»79*S300 - 3^,000 + 3*K>»000 Resolviendo ecuaciones (a) y (b)

x • 8 . 3 3 y * 2 5 7 .

Por lo tanto para quemar 8 . 3 3 moles de metano se - necesitan 257 moles de aire en exceso.

El aire teórico sera: 8 . 3 3 x 2 x ^8? = 79 A moles

lM-5 Chu»s/

3 , 7 1 0 + 1^5 - 3 , 8 5 5 Chu's./mol.

# Industrial Stoichiometry. Lewis & Radasch. Pag.33

t^+fflX

-

El contenido de calor del aire con un 6o£ de hume- dad

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O 1 D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 3 I *

Este contenido de calor corresponde a una tempera­

tura de: 54Q°C.

Las razones para usar tal cantidad de aire son:

1«- Recuperar la gran cantidad de calor que sale - con la carga de la zona de combustión.

2,- Conservar baja la temperatura de los gases en la cámara de combustión procurando que con el mayor volumen de gases se evite un sobrecalentamiento localizado*

clon del calor será más uniforme a travez del túnel.

3*- Debido al mayor volumen de gases, la dlstribu*

TEMPERATURA TEÓRICA DE LA FLAMA

El metano se quema con un 324* de exceso de aire - que tendrá una temperatura de 5Uo°C.

CH^ + 2 0² 2H²0 + C 0²

Reactivost Base: 1 mol. de Metano.

6 . 5 moles 2W A moles 1 mole 3 1 . 5 moles.

Productos de Combustión:

C 02 1 mol.

0² H . 5 Mols.

H20 2 mols.

N0 24.4 mols.

E S C U E l l O C I N O E W I £ » I i 35 Contenido de calor de reactivos originales:

CH^ Cpm. 5.9 + .0096t = 1 1 . 7

6

N2, 0². Cpm. 6. 9 3 5 + . 0 0 0 6 7 7 t + .13 x 10" t^¿ = 7 . 3 5 1 . 1 1 . 7 x 1X20 r 2Zh.

7 . 3 5 1 x 3 0 . 5 x 5^0 x 1 2 1 , 5 0 0

Total: 1 2 1 . 7 3 ^ ( 1 ) Calor de reacción: 2 1 2 . 0 0 0 Cala. ( 2 ) Contenido de calor de los productos:

0²,Kp. a t°c.

7 Cpn. 6.9W + £ 0 0 3 V t 4 .V3 x 10" t2

28.9t ( 6 . 9 V + .0003^t 4 M x 10" t2)

200 4 .00982t2 4 12.32 x K P7t3 ( 3 )

H20 Cpm. 8.361 4 .0OO883t + .13 x 10* t2

2t ( 8 . 3 6 I + .O00883t + .13 x 10~⁵t2)

I6.72t 4 .001766t2 4 . 2 6 x I 0"?t3 (M C 02 Cpm. 9.09 + .002M; _ #28 x 10"6t2

9.09t T .0021ft2 - .28 x 10"6t3 _ (5)

Sumando ¿, \y y ¿

5 7 *

225.8lt 4 .013980^ 4 35.52 x 10 t-³

Igualando el calor de los productos con el de los reactivos:

121,731* + 212,000 = 2 2 5. 8 U 4- ,013980t2 +- 3 5 . 5 2 x 10"^?t3

Resolviendo esta ecuación por el método de tanteo;

asumiendo una temperatura y resolviendo hasta que los dos — términos sean iguales; encontramos que la temperatura que s¿

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O Y D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 3 6

tisface esta ecuación es:

l,3QO°C.

Esta sería la temperatura teórica de la flama; pe­

ro, esta temperatura siempre es más alta que la temperatura real debido a que la combustión del gas a esta temperatura - tan alta es incompleta y a las impurezas del gas industrial.

También, hay pérdida de temperatura al transmitirse el calor de la flama a los gases y de estos al material. Considerando un margen de 1,300 a 1,050° creemos poder cubrir esta defi—

ciencia y al mismo tiempo obtener un margen de seguridad pa­

ra que la cocción del ladrillo se lleve a cabo.

haya pérdidas al exterior y que los gases y material salgan del horno a la temperatura ambiente: (20°c.)

Balance:

Calor total gastado = Calor consumido por la c a r ­ ga - calor regenerado.

I.- 1 . - Calor para calentar la —

EFICIENCIA TÉRMICA DEL HORNO

Se tomará como base un túnel ideal en el cual no -

carga de 2 0 ° a 650°

Calor de deshldrataclón

1 , 2 2 5 , 0 0 0 Chu's 1 8 3 , 0 0 0 Chu's 3 . Calor para calentar la carga

de 6 5 0 ° a 850°

Calor absorbido desde 8 5 0 ° a 950°

3 8 6 , 2 0 0 Chu's

2 3 3 , 7 6 0 Chu's 2,028,000 Chu's

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 37

II.- Calor regenerado.

Cp. de la carga: 0.22 + 0.OOO12t = 0.2782 Cp. de los carros: 0.20 +> O.OOOlt = 0.22

5,280(950-20)0.2782 « 1,365,000 2,200(950-20)0.22 = 427,000

12.2 (4640-20) 5 5 , 5 0 0 Total 1, 8 3 7 , 5 0 0 Chu's 2,028,000 - 1, 8 3 7 , 5 0 0 • 190,500 Chu's

III.- Calor total proporcionado:

8 . 3 3 x 212,000 « 1.760.000 Chu's

• Eficiencia, iffliggo 100 - M . § g

RESUMEN GENERAL

Capacidad del Horno: 1,250 ladrillos/hr.

Pérdidas totales por radiación 895,000 Chu's/hr.

Moles de gas necesarias 8.33 moles/hr.

Moles de aire teórico 7 9. 4 moles/hr.

Moles de exceso de aire 2 5 7 . moles/hr.

Por ciento de exceso de aire 324 %

Moles de gases en la chimenea 3 5 6 . 9 3 moles/hr.

Calor regenerado 1,248,000 Chu's/hr.

Temp. de aire precalentado 540°c.

Calor total proporcionado 1,760,000 Chu's/hr.

% de pérdidas por radiación _51*

Eficiencia térmica 10.8*

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 38

COSTO TOTAL DEL TÚNEL CANTIDAD MATERIAL La necesaria Ladrillo refractario

Super Duty de 9" normal La necesaria Ladrillo refractario

High heat duty 9" normal La necesaria Ladrillo refractario

Inmediata duty 9" normal La necesaria Ladrillo refractarlo

Low duty

163 Formas oblicuas Super Duty Las necesar. Cuñas

32 Blocks para quemadores 52 Blocks para chimenea 16 Regulador de tiro 30 Teja para reja 15,195 Ladrillo aislante

Mortero Refractario Especial 3 , 2 0 0 Lbs. High heat duty

1 , 8 0 0 lbs. Arcilla High heat duty Mortero Refractarlo 8 , 8 7 5 lbs. Mortero Super-Refractario 3 3 , 7 8 0 lbs. Mortero Refractario H.H.Duty

650 Lbs. Asbesto Cemento

Acero estructural, fabricado y no fabricado

Metal laminado 115 Grapas

# Datos proporcionados por el Sr. Frank Henderson de la Allled Engineering Co.

de México.

PESO PRECIO 181,UOO# 3,155.20 2 2 8 , 5 0 0 # V ,9 1 3 . 3 0

1 1 S 2 0 0 T i,555.*tO

1 3 6 , 0 0 0 # 1 , 7 8 3 . 6 0

813# 188.70 2 , 1 5 5 # 1 8 8 . 8 0

320# 9 . 0 6 if25# 1 1 . 5 5 320# 1 5 . 1 0 V5o# 2 3 ^ . 2 0 3 2 , 5 0 0 * 1 , 6 ^ 1 . 0 0

3 , 2 0 0 # 55.20 1 , 8 0 0 # 3 2 . 0 5

8 , 8 7 5 # 1 8 2 . 1 0 3 3 , 7 8 0 # 8 5 ^ . 2 0 650# Mf.70

8 9 , 1 7 0 # 5 , ^ 2 . 2 0 650# 2 , 2 2 1 . 7 0 750# 1 0 0 . 0 0

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 39 48 Carros para el horno

2 Carros de transborde

Material para la Plataforma de los carros*

22 Tons, Cemento Lumiter

16 Tons. Mortero refractarlo-grueso 2 2 . 5 Ton. Mortero refractario-fino

5 Tons. Mortero aislante-grueso 10 Tons. Mortero aislante-fino 6 . 5 Tons, Sll-O-Cel

350 ft. L A x 2 Cinta aislante 1 Abanico de presión y motor 1 Arranque para motor anterior

Quemadores de gas, regulado­

res, válvulas de control,fil

tros ~ 33 Compuertas

Sistema plromátrico, Contro­

les, Registradores, Indicado

res y Automáticos ~*

86,V00# 8,444.%0 6,500# 761.90

4 4 , 0 0 0 # 3 2 , 0 0 0 #

•+5,ooo#

1 0^s0 0 0 # 2 0 , 0 0 0 #

i3,ooo#

625#

25#

i,l5*f.M) 480.00 775.00 270.00

*65.00 325.00 77.00 498.90 32.00

2,400# 1,300.00 122# 231.20

400# 2,514.00 Hldraullc pusher 2,000# 2,^0.00 Abanico de extracción i,050# 800.00 Poleas para abanico anterior _{5 9 . 3 0} 1 Abanico de abastecimiento de

aire 600# 403.00

1 Transmisión del motor anterior _{75# 2 5 . 0 0} 2 Motor de 7.5HP y base *8o# 108.00 1 Motor de 5HP y base 195* 74.00 5 Controles Automáticos _25# 10.00

1 Arranque de 2HP. _50# 14.00

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O 1 D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 1 | Q

2 Arranques de 7-5HP. 80# 60.00

1 Sirena de Alarma 5# 18.00

1 Registrador del ciclo 15# 126.10

6 Gals. Pintura de Aluminio 2V.00

1,100 Grapas para vía Woo# 6 0 . 0 0

Tubos y conexiones 700.00

Tubo condult y conexiones 390.00

9 Tona. Cemento Portland 180.00

1 1 , 0 0 0 Ladrillo común 88.00

8 Tons. Arena 7.00

Este precio está dado en dólares.

Nota: Este presupuesto proviene de datos proporcionados por la Allied Englneering Co. por medio del Ing. Frank Henderson. Los datos son aproximados.

Este presupuesto no incluye costo de los cimientos ni el costo de instalación.

CAPITULO V

ESPECIFICACIONES Y DETALLES DE OPERACIÓN DEL HORNO (Incluidos en el presupuesto, menos cimentación)

CIMIENTOS: Se usará una plancha sólida de concreto de 5"

de espesor reforzada con tela de alambre de - V».

REFRACTARIOS i Para la zona de combustión se deben usar r e ­ fractarlos de alta calidad. Estos consisten - de ladrillos quemados al'cono 18. Para el res, to del túnel se usarán refractarios de prime­

ra (especificados en el presupuesto).

QUEMADORES: Se usarán 36 en total; estos quemadores son - del tipo "Me-Kee proportional mixer". El aire se inyectará a 10 oz. y el gas se suministra a presión cero a través de un Venturi a un — mezclador, en este mezclador se controla la -

# Datos obtenidos de la Allied Engineer g Co.

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 1+2

cantidad do aire 7 gas necesarios para la coa bustlón.

SISTEMA

PIROMETRICOt Será de la «arca Foxboro, se necesitan 7 ter- nopares de metales nobles 7 7 termopares de - metales base. Todo el sistema pirolátrico es- tará montado en una tabla de control.

También habrá un control de gas 7 control de temperatura automático marca "Rorthrup-Micro- max" •

ZONA DE PREG¿

LENTAMIENTO1 Se instalará un abanico en la chimenea con el objeto de ayudar al tiro natural de la misma.

Con este aditamento, el tiro no dependerá de las condiciones atmosféricas reinantes 7 siem.

pre se tendrá el mismo tiro a través del hor- no. (Diagrama 3*)

Se recircularán parte de los gases de combus- tión que salen por la chimenea; estos gases sg rán extraídos en la chimenea 7 vueltos al hor no por la entrada a la zona de precalentamien to con la ayuda del abanico. Estos gases son introducidos por un ducto a la altura de la - parte superior de la carga con el objeto de - que haya una oxidación completa en todo el mg terlal ya que se logra que los gases callen- ten la parte inferior de la carga de los c a — rros.

ZONA DE

ENFRIAMIENTOi Se sopla la cantidad de aire calculada por •£

dio de un abanico a la salida del horno; este aire va enfriando la carga 7 al mismo tiempo se va calentando hasta llegar a la cañara de combustión donde se usará como aire de combus.

tión.

ZONA DE

COMBUSTIÓN1 Estará construida de tal manera que enfrente de los quemadores quedará una reja de material refractario con el objeto de que la flama no toque el material dentro del hornof esta reja debe estar lo suficientemente abierta para permitir que el calor por convexión llague a la carga pues de lo contrario, se gastaría una gran cantidad de combustible y habría un sobrg calentamiento excesivo en esta sección* Los - quemadores están lo suficientemente lejos de la reja y están equipados con Boquillas de t±

tención de la flama.

El calor es aplicado en la parte Inferior y - lateral de la carga por medio de una batería de quemadores que se encuentran 3 s p a r c i d o s —

desde el nivel inferior hasta el superior de la carga. Con esto se logra que dentro del tu nel haya los efectos de tiro hacia arriba, lojj gltudinal y transversal.

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 1+1+

CARROSx Serán del tipo fabricado por "International - Clay Machlnery Co." Las ruedas, ejes y plata- forma de fierro vaciado y encima de esto una plataforma de material refractarlo.

k continuación haremos una breve comparación entre el horno aquí diseñado y el horno de cámaras actualmente en operación en "Ladrillera Monterrey", S.&.

HORNO DE CÁMARAS

Capacidad del hornos 70 tons. de material/día.

Temperatura de cocción del ladrillos 9 3 0 ° - 980°C.

Trabajo en horas-hombre de carga y descarga del hornos 2 hombres 8 horas para cargar 1 cámara.

2 hombres 8 horas para descargar 1 cámara.

Se descargan 2 cámaras diarlas:

6V hr-hombre para cargar y descargar Tiempo del ciclo dividido en las diferentes opera- ciones!

Tiempo de Precalentamiento: *+8-í>0 hr.

Tiempo de Cocción: 72 hr.

Tiempo de enfriamiento: *+8 hr.

162 Hr.

Tiempo total del ciclo incluyendo carga y descarga:

226 horas

La,batería de hornos consta de 21 cámaras que tra- bajan de la siguiente manera;

E S C U E L A D E I N G E N I E R Í A 1+5

3 Cámaras vacías enfriándose y reparando cualquier desperfecto.

3 Cámaras cargadas enfriándose.

5 Cámaras calentándose con los gases de combustión de las cámaras en donde se está quemando el l a - drillo.

k cámaras, quemándose el ladrillo, con k quemadores.

2 cámaras con sólo dos quemadores (precalentamlento).

2 Cámaras descargando.

2 Cámaras que se están cargando.

21 Cámaras Totales.

Por lo tanto, se necesitan para que la batería de hornos trabaje eficientemente por lo menos V hombres durante

las 2*t horas del día para computar continuamente las 21 cama ras.

Por lo tanto las horas-hombre necesarias son:

loo hr/h por cada 70 tons. de producto. (Equivalen te a 35,000 ladrillos diarios)

HORNO TÚNEL

Capacidad del horno: 60 tons. diarias.

El trabajo que necesita este horno para su manten!

miento y operación sólo consiste en poner delante del "Hidrau lic-Pusher" un carro venido del secador cada hora.

Este mismo hombre se puede encargar de cuidar los controles y ¿Justarlos a los valores deseados. Considerando pues, que exista un individuo encargado del túnel y un ayu—

I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O T D E E S T U D I O S S U P E R I O R E S D E M O N T E R R E Y 1+5

dance i

Horas hombre empicadas* MS horas/60 tons.producto.

Luego entonces la comparación sería asís

Horno de cámaras. 160 hr/hombre p/produclr 70 Tons.

Horno Tunal. H8 hr/hombre p/produelr 60 M

o sea por tonelada de producto Horno de Cámaras. - 2.28 hrs/hombre por Ton.

Horno Túnel. ^ - 0.8 hrs/hombre por Ton.

Con este estudio he querido demostrar las ventajas de los Hornos de Túnel sobre los Hornos de Cámaras» en cuan to a rendimiento 7 economía.

Respetuosamente.

G L _ • C ^ - W - O ^