cochornocion2-4

APUNTES SOBRE SECADO DE APUNTES SOBRE APUNTES SOBRE COCCIÓN DE PIEZAS DE LADRILLOS Y TEJAS

Autores: BERALMAR TECNOLOGIC, S.A. Eng. Artur Massaguer – Director Técnico de Beralmar Tecnologic S.A. Eng. Santi Amposta – Director de I+D de Beralmar Tecnologic S.A. www.beralmar.com

Capítulo 2.4MOVIMIENTO DE LOS GASES EN EL INTERIOR DEL HORNO. Seguidamente se procede a analizar el movimiento de los fluidos, tales como los gases de combustión y aire, en el interior de un horno túnel. El estudio se basa en hornos túneles de construcción de bóveda plana, ya que es el tipo de horno más usual en el sector cerámico. Movimiento longitudinal. Es el movimiento descrito por el aire y los gases de combustión en la dirección longitudinal del horno, éste es el flujo principal del horno, básicamente es ocasionado por el ventilador de tiro, que situado en un extremo del mismo, aspira los gases de su interior. Este movimiento longitudinal de gases, cuya dirección es de la salida hacia la entrada del horno, transporta una gran cantidad de calor. En la zona de precalentamiento se utiliza para calentar el material cerámico que circula a contracorriente. En la zona de enfriamiento, esta corriente de aire, absorbe el calor cedido por el material cerámico, y este calor es transportado por el aire a la zona de cocción como aire precalentado. El flujo de gases y aire circulante en sentido longitudinal está ligado estrechamente a la producción del horno o al flujo de material. Si la cantidad de aire no es suficiente no se produce el calentamiento correcto del material, llegando los ladrillos a la zona de cocción “negros” (fríos) y a su vez el material no se enfría suficientemente saliendo del horno demasiado caliente. Movimiento transversal. Es el movimiento descrito por los gases y aire en sentido transversal a la marcha de las vagonetas en el interior del horno. En general se manifiesta en unas corrientes de gases de abajo hacia arriba o viceversa y son del tipo convectivos es decir, producidas por diferencias de densidades, al existir diferentes temperaturas entre dos puntos que se encuentran en la misma vertical. Estas corrientes de aire son muy importantes para controlar el correcto funcionamiento de un horno. Por un lado ayudan a efectuar un intercambio de calor en el interior del horno, pero por otro lado crean y aumentan las diferencias de temperatura, siendo la causa de muchos problemas en el horno.

Algunos parámetros de este flujo, se pueden calcular mediante la expresión:

∆P = 𝐻𝑥(𝜌! − 𝜌!) Siendo: ΔP: la diferencia de presión estática en [mm.c.a] H: altura existente entre los dos puntos [m] ρ1 y ρ2: las densidades de los dos puntos [Kg/m3]. La velocidad del aire, se calcula por la expresión:

v =∆P𝜌

2

Siendo v, la velocidad del fluido en [m/s] Para tener una idea del orden de magnitud de estas corrientes verticales en la zona de precalentamiento, supondremos el caso real de un horno que tenga, una altura de apilado de 1900 mm que la temperatura en la parte superior sea de 600ºC mientras que en la misma vertical en la parte inferior sea de 350ºC, siendo diferencia de temperaturas de 250ºC como existe en muchos casos. La pérdida de presión, se calcula por la expresión:

∆P = 𝐻(𝜌! − 𝜌!)

∆P = 1.9𝑥(0.5666 − 0.4043)

∆P = 0.308 𝑚𝑚. 𝑐. 𝑎 La velocidad ascensional:

v =0.3080.566

!= 0.73

𝑚𝑠

Estas corrientes verticales, sufren desviaciones dependiendo de la velocidad de los gases en sentido longitudinal del horno. Evidentemente cuanto mayor sea esta velocidad de la corriente principal tanto mayor será la desviación de la transversal. Tal como se ha comentado anteriormente, la corriente transversal por un lado acrecienta los intercambios térmicos, lo cual es positivo, pero por otro lado la corriente transversal desplaza hacia abajo aire más frío y hacia arriba el aire más caliente, favoreciendo la estratificación de temperaturas.



Por este motivo, cuanta mayor presión pueda trabajar el horno y menos diferencia de temperaturas pueda haber en una misma sección del horno, tanto menores serán estas corrientes transversales y el horno será más controlable. Aire parásito Las zonas del horno en las que existe depresión, el aire ambiente externo puede entrar en el interior del horno principalmente por la parte inferior de las puertas, o por accesos de fosos no herméticos. Este aire frío que penetra en el horno se le denomina aire parásito, ya que absorbe parte del calor de los gases calientes del interior del horno, por poseer menos temperatura que estos gases, y finalmente se expulsa por el tiro. En definitiva no hace nada positivo. El aire que entra se queda en la parte baja y ayuda a estratificar la corriente principal. En la zona de entrada del horno, el aire parásito que entra por debajo de la puerta, por las juntas entre vagonetas, o por los areneros, no afecta al intercambio térmico, ya que rápidamente es expulsado por el tiro. Al mezclarse el aire parásito con los gases de combustión, se experimenta una caída de la temperatura de los humos y un aumento del riesgo de corrosión de las partes metálicas de la zona del tiro. Es conveniente conocer cómo varían las presiones relativas en el interior de un horno túnel para ver que zonas o en qué condiciones de trabajo, es más susceptible la entrada de aire parásito. En relación a la distribución de presiones podemos tener tres tipos de horno túnel: El horno que trabaja totalmente a depresión, horno que trabaja mitad a presión y mitad a depresión y finalmente el horno que trabaja prácticamente en su totalidad a presión o que la zona de depresión es muy pequeña. Si analizamos las curvas de presión de estos tres casos, veremos que el funcionamiento de horno que favorece la entrada de aire parásito es el funcionamiento totalmente a depresión, ya que las diferencias de presión entre el interior y el exterior son mayores que en los otros dos casos, y la longitud de la zona afectada a depresión también es mayor que los otros dos casos. El caso que menos favorece la entrada de aire parásito es el horno trabajando prácticamente a presión y que tenga además una envoltura hermética por tanto sin poros. es de una construcción algo más complicada, que requiere una más cuidada ejecución pero a la larga es más económica ya que se pueden tener ahorros importantes de combustible y un mejor control de la cocción.

Las técnicas existentes para reducir la cantidad de aire parásito en un horno túnel son las siguientes: 1. Equipar el horno con los dispositivos necesarios para que este trabaje a presión, al menos, hasta la mitad de la zona de cocción. 2. Instalar una puerta intermedia de entrada si no la tiene. 3. Utilizar arena no calcárea de granulometría apropiada de grano entre 1 y 7mm. A ser posible que la distribución granulométrica siga la curva de Fuller. 4. Vigilar que los areneros están en buenas condiciones y no estén rotos, en caso necesario sustituirlos por metálicos. 5. Vigilar el nivel de arena, para verificar que esta circule. Instalar arados en los faldones de algunas vagonetas para que ayuden en esta función. 6. Impermeabilizar los chasis de vagonetas con chapa metálica para evitar la entrada de aire por ellas. Instalar doble junta flexible, a base de fibra cerámica, para asegurar la estanqueidad entre vagonetas. 7. Instalar los dispositivos necesarios, que permitan el flujo de aire bajo los vagones, tal como un ventilador de aspiración y otro de impulsión de aire situados en los extremos del túnel, para que la curva de presiones del foso y las del canal principal de cocción sean más o menos paralelas. 8. Instalar dispositivos para la bóveda, con el fin de asegurar que se pueda trabajar a presión, hasta la mitad de la zona de cocción.



Fig: Curvas de presiones en hornos túnel.

CIRCUITOS PRINCIPALES DE UN HORNO TUNEL A continuación vamos a explicar y desarrollar, los principales circuitos de aire y gases que incorpora un moderno horno túnel.

Circuito de tiro. El funcionamiento del ventilador de tiro, permite el movimiento longitudinal de los gases a lo largo del horno. El caudal de aire depende de la producción, teóricamente sería suficiente 1,2 kilogramos de aire, por kilogramo de material procesado. En la práctica esto no es posible y este valor oscila, en función del tipo del horno, entre 1,8 a 4,5 kilogramos de gases por cada kilogramo de material procesado. Esta variación de valores se debe a la insuficiente hermeticidad que presentan algunos hornos. La función básica del circuito de tiro, es arrastrar los gases de combustión, y hacer que la aspiración sea lo más centrada y más cercana posible, de la superficie de la vagoneta. Siguiendo el criterio anterior, la aspiración de humos debe tener varias secciones laterales, a ser posible en diferentes alturas, para poder aspirar siempre de cerca de la vagoneta. No es recomendable aspirar por arriba, ya que se favorecen las estratificaciones. En la actualidad, la regulación del caudal de tiro se efectúa por medio de variadores de frecuencia que actúan directamente cambiando la velocidad de giro del motor. El rendimiento de la instalación es mayor y la amortización del dispositivo es inferior a un año.

HORNO A DEPRESIÓN

HORNO MITAD PRESIÓN

HORNO COCCIÓN Y ENFRIAMIENTO EN PRESIÓN



Circuito de recirculación de humos a baja temperatura Como se ha comentado anteriormente, uno de los problemas ocasionados por la entrada de aire parásito en la primera parte del precalentamiento, después del tiro, es la estratificación de temperaturas. Este hecho ocasiona que las piezas se calienten mucho más rápidamente por la parte superior del paquete, que por la inferior, pudiendo dar lugar a problemas por calentamiento demasiado rápido y ocasionando explosiones del material, al querer salir el agua bruscamente. También pueden existir problemas en la parte baja del paquete, por retraso en su calentamiento, en forma de grietas que se ocasionan alrededor de los 600ºC. Para mejorar la isoterma en la primera fase de precalentamiento, se dispone de la recirculación de gases a baja temperatura. Esta recirculación consiste en extraer humos de la parte baja del paquete, por medio de unas capillas laterales que se encuentran situadas en los muros justo encima del nivel de la vagoneta, por medio de un ventilador centrífugo. Este volumen de gases es inyectado por medio de unos tubos, o una ranura que se encuentra desplazada de la aspiración dos módulos hacia la zona de cocción. Es muy importante que el ventilador disponga de la suficiente presión, para asegurar una correcta velocidad de entrada de los gases por la bóveda y que éstos no sean arrastrados de manera inmediata por el ventilador de tiro. El efecto que produce este recirculador es doble, por una lado se produce una aspiración de gases del horno por donde hay menos tiro, o sea por la parte baja del paquete, ayudando de este modo a que el precalentamiento en esta zona sea mejor, y por otro lado la inyección del aire recirculado por la bóveda ocasiona un freno a los gases que, aspirados por el tiro, tienen mayor facilidad para circular en el espacio que queda entre paquete y bóveda.

No hay que olvidar tampoco, que en la zona donde actúa la recirculación, es decir a lo largo de dos paquetes, circula mayor cantidad de gases, por tanto hay mayor velocidad, mayor coeficiente de convección y por tanto mayor intercambio de calor. En definitiva es un circuito que se ha mostrado eficaz para mejorar el control de la cocción en la primera zona de precalentamiento. Se considera recirculación de baja temperatura por utilizarse hasta los 300 º C, en función de la longitud del horno utilizaremos una o dos recirculaciones.

Circuito de recirculación de humos a alta temperatura Se utiliza el mismo principio que en los de baja temperatura, es decir, aspiran los gases por la parte baja del paquete y éstos son inyectados por la bóveda. La diferencia es que, en este tipo de recirculación, los ventiladores utilizados pueden trabajar hasta temperaturas cercanas a 650ºC. Este tipo de recirculadores, son idóneos para trabajar después de los de baja temperatura, y antes de los quemadores laterales de precalentamiento. Inyección de aire de precalentamiento. Este circuito se incorpora en los hornos con el fin de mejorar el precalentamiento, y evitar en lo posible la estratificación de temperaturas. Suele instalarse desde los 300ºC hasta los 600ºC. Consiste básicamente en una serie de tubos colocados en cada lateral del horno, después de la zona de recirculación y antes de los 550-600ºC. Estos inyectores están colocados debajo de la bóveda, situados en el

HORNO A DEPRESIÓN



centro de las cámaras de combustión. Los inyectores están situados en el espacio existente entre paquete y bóveda. El número de inyectores instalados a cada lado del horno, suele estar comprendido entre 5 y 8, dependiendo del fabricante y del tipo de horno. Consiste en inyectar aire ambiente aspirado por un ventilador de alta presión que lo impulsa por una red de tuberías a cada lado del horno y de aquí a cada uno de los inyectores. Cada inyector equipa una válvula de paso. Su funcionamiento se basa en la inyección de aire a alta velocidad por medio de un orificio, esta inyección de aire es capaz de dar un impulso, tal que la magnitud del mismo, provoca una recirculación de los gases del interior del horno. Definimos impulso a la cantidad en peso del fluido por la velocidad de salida. Así con velocidades de salida de 50 m/s y 3000 m3/h a 20 º C repartidos en 10 inyectores produce un impulso de 5 Kg·m/s capaz de recircular de 6 a 8 veces el caudal del chorro o sea de 18.000 a 24.000 m3/h en toda la zona de inyección. El resultado de esta recirculación transversal es una mayor homogeneización de temperaturas entre arriba y abajo en una misma sección del horno, así como frenar a los gases del tiro que tienen mayor tendencia a circular por la parte superior del paquete entre éste y la bóveda.

Enfriamiento rápido Se utiliza para reducir rápidamente la temperatura de cocción hasta alrededor de los 650ºC, temperatura cercana a la transformación de cuarzo, pero que no debe ser sobrepasada con el fin de evitar problemas en la zona crítica.

Es conveniente alargar la zona de enfriamiento rápido para que el material cerámico tenga suficiente tiempo para homogeneizarse, y pueda igualarse la temperatura dentro y fuera del paquete. Es aconsejable intercalar con las inyecciones de aire de enfriamiento rápido, las aspiraciones de aire a alta temperatura, ya que de este modo las inyecciones de aire frio con las aspiraciones de aire caliente, ayudan a tener mayor uniformidad de temperatura en el paquete. Una mejora importante con relación a los enfriamientos rápidos existentes, es que la inyección de aire se realiza mediante impulsos en toda la línea, ya que de este modo, se ayuda a producir una turbulencia adicional, que permite igualar temperaturas.

El sistema de impulsos mejora al progresivo, debido a que en este último, la velocidad de inyección decrece cuando disminuye el caudal y por tanto también decrece la profundidad hasta la que llega el aire en altura del paquete. Por el contrario en el de impulsos, cuando hay inyección ésta siempre se efectúa a la misma velocidad, lo que decrece es el tiempo total de impulsión de aire y no la profundidad de inyección. Otro aspecto que permite mejorar el control de la zona de enfriamiento, es que cada hilada de inyección es controlada a través de una sonda termopar. Para mantener constante la presión en el colector general de enfriamiento rápido el ventilador incorpora un variador de frecuencia que varía el número de revoluciones del motor en función de la demanda de aire. En las tomas de recuperación por alta temperatura unas tomas de aire ambiente se encargan de diluir el aire. El caudal procedente de las tomas de alta temperatura son aspiradas por un ventilador centrífugo cuyo caudal es regulado por medio de un variador de frecuencia. La recuperación de alta temperatura ayuda a mantener el flujo longitudinal en función de las necesidades de cada zona, la instalación de este circuito de



recuperación de alta coopera en independizar más las zonas de precalentamiento y cocción con las de enfriamiento. Recirculación de aire en enfriamiento Este circuito es muy poco conocido ya que únicamente es aplicado para resolver problemas muy complicados de enfriamiento. Particularmente se ha utilizado en el caso de fabricación de tejas, a partir de arcillas calcáreas cocidas en hornos túnel con atados de alambre. La configuración de estos paquetes, supone una densidad de encañe muy elevada, incrementando la dificultad del paso del flujo de gases por el interior del paquete. Dado que este tipo de arcillas se caracteriza por tener unos elevados coeficientes de dilatación y contracción, el hecho de que el flujo de gases por el interior del paquete sea insuficiente, produce que existan diferentes temperaturas entre las testas de las tejas, y la parte central del paquete. Estas diferencias de temperatura crean contracciones en una misma pieza, dando lugar a tensiones internas, que producen la aparición de fisuras. Cuando este problema ocurre, sale muy repartido en todo el paquete y en proporciones generalmente altas. La aplicación del recirculador permite obtener una mayor circulación de aire, en el punto de su aplicación, y por lo tanto un incremento de la velocidad, que se traduce en un mayor coeficiente de convección. Este mayor intercambio de calor, repercute en una mejor isoterma, entre la periferia del paquete y su interior, que ayuda a disminuir las tensiones por diferencia de contracción y el porcentaje de roturas. Se trata de un ventilador de alta presión apto para trabajar hasta los 650ºC, este ventilador aspira aire por la parte superior, en una hilada más cercana a la zona de cocción, y este aire es inyectado dos módulos aguas arriba del sentido longitudinal del flujo de tiro. De este modo se obtiene una homogeneidad de la temperatura del paquete, para pasar la zona de transformación del cuarzo y el resto de la zona.

Recuperación de calor de baja temperatura Es la zona del horno donde se produce la recuperación de calor a baja temperatura después de la transformación del cuarzo. Esta zona, se encuentra generalmente por debajo de los 500 o 450ºC. Está formada por una serie de campanas de recuperación, equipadas cada una de ellas, con un registro manual, para poder "diseñar" la curva que necesita el material.

El conjunto de estas campanas de recuperación, es unido por medio de un colector, a un ventilador llamado de recuperación de baja, cuyo caudal se regula a través de un variador de frecuencia. Como se ha comentado anteriormente para el caso del ventilador de recuperación de alta, estas máquinas actúan directamente modificando los caudales del movimiento de aire longitudinal, cooperando en independizar las diferentes zonas en que está dividido el horno túnel.



Inyección final de enfriamiento Es un circuito similar al de inyección de aire de precalentamiento, pero en este caso, instalado en la zona final de enfriamiento, poco antes de llegar a la zona de contravec. Consiste básicamente en una serie de inyectores colocados en cada lateral del horno, previos a la zona del contravec. Estos inyectores están colocados encima del piso de la vagoneta, situados en el centro de las cámaras de combustión. El número de inyectores, instalados a cada lado del horno, suele estar comprendido entre 5 y 8, dependiendo del fabricante y del tipo de horno. Consiste en inyectar aire frío, aspirado por una ventilador de alta presión que lo impulsa por una red de tuberías a cada lado del horno y de aquí a cada uno de los inyectores. Cada inyector tiene una válvula para cerrar o abrir. Al igual que en el precalentamiento, su funcionamiento se basa en la inyección de aire a muy alta velocidad, a través de un orificio, mediante el que se obtiene un impulso tal que la magnitud del mismo provoca una recirculación del aire del interior del horno. Su función es la de aumentar la turbulencia y uniformizar más la temperatura del paquete en esta zona.

Ventiladores de contrapresión Los ventiladores de contrapresión, comúnmente en España denominados ventiladores de contravec, son los encargados de suministrar el aire al horno para producir el enfriamiento del material y aportar el aire precalentado a la zona de cocción y posterior precalentamiento.

Una parte del aire calentado es recuperado y enviado al secadero o pre horno, mientras que la otra parte es arrastrado hacia la zona de cocción y posterior precalentamiento, siendo expulsado finalmente por el tiro. Estos ventiladores son los encargados de mantener la presión del interior del horno. Su caudal se regula por medio de variadores de frecuencia en función de la demanda del horno.

Ventilación del foso Se trata del circuito de refrigeración bajo vagonetas. Hasta ahora prácticamente siempre ha habido un solo circuito de refrigeración y presurización bajo vagonetas. Este circuito consistía en un ventilador axial situado en la zona de salida del horno, el cual aspiraba aire ambiente y lo impulsaba por debajo de las vagonetas, atravesando prácticamente la mayor parte del horno. Este aire es aspirado del foso a través del circuito de la recuperación de calor, y su caudal se regula por medio de un registro manual o motorizado. El aire recuperado juntamente con el de la zona de enfriamiento es enviado hacia el secadero. La regulación de este circuito se basa en el control de la temperatura y presión del caudal de aire en el foso. Un incremento de la temperatura en el aire del foso, significa que el caudal de aire circulante no es suficiente para absorber el calor que procede del interior del horno. Seguidamente se actúa en la apertura (manual o motorizada), de las válvulas de salida del aire de foso, provocando una disminución de presión en el interior del foso. Para evitar esta caída de presión se aumenta el caudal de aire del ventilador axial de presurización de foso. Mediante la instalación de registros motorizados y variadores de frecuencia, gobernados a través de un



PLC, es posible obtener un control automático de la zona. Fosos de gran longitud, presentan el inconveniente de la necesidad de pasar un gran caudal de aire, aumentando de este modo la presión en el foso y por tanto la entrada de aire parásito. Más modernamente algunos hornos disponen del foso , dividido en dos circuitos independientes ,y en algunos casos hasta tres. Los circuitos son similares al explicado, es decir existe un primer foso, en el que un ventilador da presión en la zona de los ventiladores de contrapresión, y el aire es extraído poco después del enfriamiento rápido. Otro circuito idéntico al anterior viene a continuación, en que otro ventilador situado debajo del enfriamiento rápido introduce aire al foso y éste es extraído, en la zona media del precalentamiento, por medio de un conducto que comunica con la tubería de recuperación del horno.

cochornocion2-4

Documents

Transcript of cochornocion2-4