PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ Facultad de Ciencias e Ingeniería DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL PARA LA FUNDICIÓN DE 600 kg. DE ALUMINIO RECICLADO UTILIZANDO GAS NATURAL Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico, que presenta el bachiller: RICARDO PILLACA BURGA ASESOR: Enrique Barrantes Peña Lima, Mayo del 2016 © 2016, Pontificia Universidad Católica del Perú Se autoriza la reproducción total o parcial, Con fines académicos a través de cualquier Medio o procedimiento, incluyendo la cita Bibliográfica del documento. i RESUMEN En la presente tesis se realiza el diseño de un horno basculante de crisol con capacidad para fundir 600 kg de aluminio reciclado en forma de trozos o a granel. El sistema de combustión utiliza gas natural como combustible proveniente de la red de distribución pública de Lima Metropolitana. La temperatura a la que trabaja el equipo será de 760°C (temperatura de colada del aluminio) y el tiempo para realizar todo el proceso no deberá ser mayor a 1 hora para lo cual se utiliza un quemador de alta velocidad con un rango de potencia de operación de 85kW hasta 590 kW. Para obtener el diseño final, primero se realizó una introducción a los parámetros básicos de diseño (propiedades físicas del aluminio, flujos de calor, descripción de los fenómenos de transferencia de calor, entorno de trabajo, etc.) que fueron necesarios para la realización de los cálculos tanto energéticos como mecánicos. Se aplicó la metodología de diseño que permitió conocer el concepto de solución óptimo para las consideraciones de operación establecidas. A partir de esta concepción se realizó el diseño térmico que posibilitó determinar la dimensión de la cámara del horno cuyo diámetro interior es 1083mm; también se definió que el espesor de paredes de aislamiento es de 127mm y se conoció cuál es el flujo de calor necesario para realizar el proceso de fundición encendiendo el horno desde frío (compensación por pérdidas y absorción de calor a través de las paredes). Asimismo, también se realizó el cálculo de la cavidad para la chimenea y de los flujos necesarios de combustible y aire que determinaron el diámetro de tuberías a utilizar para el suministro hacia el quemador con valores de 2 y 4 pulgadas respectivamente. Por otra parte, se hizo el cálculo para los elementos estructurales y de apoyo tales como vigas, ejes, cordones de soldadura, rodamientos y pistones hidráulicos; dichos elementos son la base en donde se soportan todos los demás elementos mencionados además de permitir el giro de la cámara del horno (basculación) para verter el aluminio una vez que este haya alcanzado su temperatura de colada. Finalmente, se realizó el presupuesto del proyecto cuyo monto aproximado es de US$ 57,712.93 para la adquisición de equipos, materiales además de la mano de obra y servicios necesarios para ejecutar la fabricación y montaje del equipo. iv Este trabajo va dedicado a mi Familia y es un homenaje póstumo a mi padre v AGRADECIMIENTOS Deseo aprovechar la oportunidad para mencionar en estas líneas a aquellas personas importantes que de una forma u otra me ayudaron, guiaron e impulsaron a lo largo o en algún momento de mi vida universitaria. En primer lugar, mi familia. A mi madre, Olga, por ser mi modelo a seguir y superar; además de ser a quien le debo todo. A mis hermanos, Grecia, Mateo, Kefrén, por ser ellos el impulso que me llevó a seguir adelante en momentos difíciles e intentar así poder ser un ejemplo para los tres. A mi padre, Richard, el ángel que desde donde se encuentra me protege y es la luz que me alumbra en la oscuridad. A mi segundo padre, Hugo, la persona más paciente que conozco y es quien brinda el equilibrio en nuestra familia. En segundo lugar, al Ing. Luis Samanez quien me ha enseñado lo que hasta el momento sé sobre Ingeniería y la Industria. Fue él quien me impulsó a elaborar esta tesis y que sin su inmenso apoyo y estímulo no hubiese podido conseguirlo. Por todo ello le estoy inmensamente agradecido. Finalmente, agradecer a profesores, amigos y compañeros. En especial a mi compañera de aventuras, experiencias y emociones; a ti Caro. vi INDICE DE CONTENIDO Pág. RESUMEN .................................................................................................................... i APROBACIÓN DE TEMARIO DE TESIS ................................................................ ii DEDICATORIA ......................................................................................................... iv AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... v INDICE DE TABLAS ................................................................................................ iv INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ x LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................. xi INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1 I. Aluminio: Propiedades y parámetros para el reciclaje en hornos a gas ......... 4 1.1 Consideraciones para el reciclaje de Aluminio .............................................. 4 1.1.1 Materiales ....................................................................................................... 4 1.1.2 Procesos ......................................................................................................... 5 1.1.3 Productos........................................................................................................ 7 1.1.4 Procesos ......................................................................................................... 7 1.1.5 Productos........................................................................................................ 8 1.2 Diagnóstico de la situación actual del reciclaje de Aluminio en la ciudad de Lima ........................................................................................................................ 9 1.3 Planta de Fundición de Metales no Ferrosos ............................................... 11 1.3.1 Recepción del Material ................................................................................ 12 1.3.2 Selección del Material.................................................................................. 12 1.3.3 Fundición del Metal ..................................................................................... 13 1.3.4 Preparación de la Aleación .......................................................................... 13 1.3.5 Colado del Metal .......................................................................................... 13 1.4 Hornos de Fundición para metales no ferrosos ............................................ 14 1.4.1 Clasificación de los Hornos de Fundición ................................................... 15 1.4.2 Hornos de Crisol .......................................................................................... 18 1.5 Crisol ............................................................................................................ 19 1.6 El Aluminio y sus aleaciones ....................................................................... 21 1.6.1 Efecto de los elementos de Aleación ........................................................... 22 1.7 Parámetros de Diseño .................................................................................. 23 vii 1.7.1 Ingreso Bruto de Calor (Gross heat INPUT) ............................................... 24 1.7.2 Pérdidas a través de los gases de combustión (Flue gas loses) .................... 24 1.7.3 Calor Disponible (Available heat) ............................................................... 25 1.7.4 Pérdida de calor a través de las paredes (Wall loses) .................................. 25 1.7.5 Almacenamiento de Calor (Heat storage in walls and fixtures) .................. 26 1.7.6 Pérdidas por radiación a través de las aperturas (Opening Loss) ................ 27 1.7.7 Pérdidas de calor debido al transporte y/o almacenamiento (Conveyor Loss) ...................................................................................................................... 27 1.7.8 Calor útil (Useful output) ............................................................................. 28 II. Diseño del horno de crisol ........................................................................... 30 2.1 Problemática ................................................................................................ 30 2.2 Lista de Exigencias ...................................................................................... 31 2.3 Elaboración del Concepto ............................................................................ 35 2.3.1 Caja Negra ................................................................................................... 35 2.3.2 Estructura de Funciones ............................................................................... 36 2.3.3 Matriz Morfológica ...................................................................................... 38 2.3.4 Desarrollo de la Matriz Morfológica ........................................................... 39 2.3.5 Determinación de Proyecto Preliminar Óptimo ........................................... 40 2.3.5.1Evaluación Técnica .................................................................................... 40 2.3.5.2Evaluación Económica ............................................................................... 40 2.3.5.3 Diagrama de evaluación ............................................................................ 41 2.4. Diseño de concepto óptimo .......................................................................... 43 2.4.1 Diseño Térmico ............................................................................................ 43 2.4.1.1 Requerimientos Básicos ............................................................................ 43 2.4.1.2 Balance de Masa ........................................................................................ 43 2.4.1.3 Balance de Energía .................................................................................... 43 2.4.1.4 Análisis de combustión ............................................................................. 46 2.4.1.5 Selección de los materiales constructivos ................................................. 50 2.4.1.6 Dimensionamiento de la cámara de combustión ....................................... 53 2.4.1.7 Cálculo de la energía para el proceso ........................................................ 56 2.4.1.8 Cálculo de las dimensiones de la chimenea .............................................. 61 2.4.1.9 Cálculo del diámetro de tuberías para Aire y Gas ..................................... 63 2.5 Diseño de Estructura y elementos de unión ................................................. 67 2.5.1 Verificación del espesor de las paredes del horno por resistencia ............... 67 2.5.2 Verificación del eje de giro del horno.......................................................... 70 2.5.3 Verificación estructura de soporte ............................................................... 76 2.5.4 Selección de rodamientos ............................................................................ 79 2.5.5 Verificación cordón de soldadura del horno ................................................ 81 viii III. Presupuesto del proyecto ............................................................................. 86 2.1 Elementos a considerar en el cálculo de costos .............................................. 86 2.2 Cálculo de costos relativos al diseño del equipo ............................................ 88 3.3 Cálculo del costo de energía (gas natural) ...................................................... 92 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 94 BIBLIOGRAFIA A N E X O S ix INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1.1: Diferentes formas de crisoles y sus campos de aplicación. 20 Tabla 1.2: Propiedades físicas del Carburo de Silicio 27 Tabla 1.3: Propiedades Físicas del Aluminio Puro 28 Tabla 2.1: Composición del Gas Natural en Lima. 47 Tabla 2.2: Dimensiones del Crisol 50 Tabla 2.3: Propiedades de la manta cerámica 52 Tabla 2.4: Propiedades de la plancha de acero 52 Tabla 2.5: Dimensiones del Horno 55 Tabla 2.6: Dimensiones de la Chimenea 63 Tabla 2.7: Detalles de la tubería para aire 66 Tabla 2.8: Detalles de la tubería para Gas Natural 67 Tabla 2.9: Verificación del espesor de paredes del horno 69 Tabla 2.10: Cálculo aproximado del diámetro del eje 73 Tabla 2.11: Verificación del eje por fatiga 74 Tabla 2.12: Verificación del eje por deflexión 76 Tabla 2.13: Verificación viga por pandeo según método omega 78 Tabla 2.14: Selección de rodamientos 80 Tabla 2.15: Espesor de cordón de soldadura 81 Tabla 2.16: Verificación esfuerzos en la garganta del cordón de soldadura 83 Tabla 2.17: Selección cilindro hidráulico 85 Tabla 3.1: Costos de Elementos Constructivos para cámara de combustión 88 Tabla 3.2: Equipos del sistema de combustión 89 Tabla 3.3: Válvulas del sistema de combustión 89 Tabla 3.4: Reguladores del sistema de combustión 89 Tabla 3.5: Tuberías del sistema de combustión 90 Tabla 3.6: Costos de Elementos Estructurales 90 Tabla 3.7: Gastos de Fabricación, Montaje y Acabado 91 Tabla 3.8: Pliego Tarifario del gas Natural para categoría B 92 x INDICE DE FIGURAS Pág. Figura 1.1: Métodos de separación de material reciclado ............................................ 5 Figura 1.2: Comparativo de procesos de obtención de Al ........................................... 6 Figura 1.3: Colado de Aluminio................................................................................... 9 Figura 1.4: Exportaciones Peruanas de Aluminio ...................................................... 10 Figura 1.5: Etapas de transformación de la chatarra .................................................. 11 Figura 1.6: Proceso para la recuperación de Aluminio Secuandario ......................... 14 Figura 1.7: Horno Estacionario .................................................................................. 17 Figura 1.8: Horno Basculante .................................................................................... 17 Figura 1.9: Diagrama de Sankey para un balace térmico de un horno de fundición . 24 Figura 1.10: Secuencia en el tiempo de la variación de temperatura en las paredes de un horno de fundición ................................................................................................ 26 Figura 2.1: Horno estacionario de Crisol ................................................................... 41 Figura 2.2: Horno Basculante de Crisol con sistema hidráulico ................................ 42 Figura 2.3: Horno Basculante de Crisol con sistema mecánico ................................. 42 Figura 2.4.1: Volumen de control para el balance de masas de la cámara de combustión .. 44 Figura 2.4.2: Flujos de energía que atraviesan el volumen de control ....................... 45 Figura 2.4.3: Crisol TP 587 .................................................................. 50 Figura 2.4.4: Figura de la pared interna del horno ..................................................... 51 Figura 2.5: Vista superior del interior de la cámara de combustión .......................... 53 Figura 2.6: Circuito de resistencias para el flujo de calor en la pared del horno ....... 55 Figura 2.7: Esfuerzo circunferencial y longitudinal ................................................... 68 Figura 2.8: Brazo de giro del horno ........................................................................... 70 Figura 2.9: DCL brazo ............................................................................................... 79 Figura 2.10: DCL eje.................................................................................................. 80 xi LISTA DE SÍMBOLOS 𝑚𝐴𝑙 : Masa de ingreso de aluminio reciclado 𝑚𝐴𝑙_𝑙í𝑞: Masa de salida de aluminio en estado líquido 𝑚𝑒𝑠𝑐 : Masa de escoria 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒: Masa de aire de ingreso 𝑚𝐺𝑁: Masa de gas natural 𝑚𝑝𝑜𝑐: Masa de gases de combustión ?̇?𝑣.𝑐.: Flujo de calor que atraviesa el volumen de control ?̇?𝑠 : Masa de elementos que salen del volumen de control ℎ𝑠 : Entalpía de los elementos que salen de volumen de control ?̇?𝑖 : Masa de los elementos que ingresan al volumen de control ℎ𝑖 : Entalpía de los elementos que ingresan al volumen de control 𝜂: Porcentaje de calor disponible en el Gas Natural proveniente de la red. ?̇?𝑓: Flujo másico de combustible 𝑃. 𝐶𝐺𝑁: Poder calorífico del Gas Natural ?̇?𝑙: Flujo de calor necesario para fundir la carga (600 kg de aluminio) ?̇?𝑐: Flujo de calor absorbido por el crisol ?̇?𝑤: Flujo de calor que absorben y atraviesan las paredes ?̇?𝑜: Flujo de calor que sale por las aberturas (tapa del horno) 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑓𝑔: Es el calor de los productos secos que salen a altas temperaturas a través de la chimenea 𝑣𝐶𝑂2: Volumen o flujo volumétrico de 𝐶𝑂2 𝐻𝐶𝑂2: Contenido de calor del 𝐶𝑂2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 𝑣𝑁2: Volumen o flujo volumétrico de 𝑁2 𝐻𝑁2: Contenido de calor del 𝑁2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 𝑣𝑂2: Volumen o flujo volumétrico de 𝑂2 𝐻𝑂2: Contenido de calor del 𝑂2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑: Pérdida debido al calor latente de vaporización del agua 𝑣𝐻2𝑂: Volúmen o flujo volumétrico de vapor de agua en los productos de combustión ℎ𝐻2𝑂 𝑇2⁄ : Entalpía del vapor de agua a la temperatura de los gases de combustión xii ℎ𝐻2𝑂 𝑇1⁄ : Entalpía del vapor de agua a la temperatura ambiente (Tamb = 15°C) 𝐴𝑠𝑢𝑝1 : Área superficial interior de la cámara de combustión 𝑟𝑖𝑛𝑡 : Radio interior de la cámara de combustión igual a 0.542 m 𝐻𝑖𝑛𝑡 : Altura interior de la cámara de combustión 𝐴𝑒𝑥𝑡 : Área superficial exterior de la cámara de combustión 𝑟𝑒𝑥𝑡 : Radio exterior de la cámara de combustión que es la incógnita que necesitamos 𝐻𝑒𝑥𝑡 : Altura exterior de la cámara de combustión 𝑅𝑖𝑛𝑡 : Resistencia interior por convección 𝑅1 : Resistencia de conducción de superficie cilíndrica (manta cerámica) 𝑅2: Resistencia de conducción de superficie cilíndrica (chapa metálica) 𝑅𝑒𝑥𝑡: Resistencia exterior por convección 𝑅𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿: Resistencia equivalente del circuito térmico Fig. 2.7 ?̇?𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑: Flujo de calor a través de la pared del horno 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑧 : Presión forzada. 𝐿𝑐ℎ𝑖𝑚 : Longitud de la chimenea 𝑑𝑐ℎ𝑖𝑚 : Diámetro hidráulico de la chimenea * *𝑑𝑐ℎ𝑖𝑚 = 4 ∙ 𝐴×𝐵 𝐴+𝐵 A: Ancho de la abertura, B: Altura de la abertura 𝑃𝑖𝑛𝑑 : Presión inducida 𝐺 : Gravedad relativa de los gases de combustión (G = 1.044) 𝑡𝑠 : Temperatura media de la chimenea (𝑡𝑠= 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚) ∆𝑝: Pérdida de presión primaria 𝜆 : Coeficiente de pérdida de carga primaria 𝐿𝑡𝑢𝑏 : Longitud de la tubería 𝐷𝑡𝑢𝑏 : Diámetro de la tubería 𝑣 : Velocidad media del fluido σ1 y σ2: esfuerzos producidos por la presión interna en MPa. p: presión dentro del recipiente en MPa. D: diámetro del recipiente en mm. t: espesor de las paredes del recipiente en mm. σtemp: esfuerzo debido al cambio de temperatura en MPa. E: módulo de elasticidad del material en MPa. α: coeficiente de dilatación térmica en °C-1. xiii ΔT: variación de temperatura entre el interior del horno y la temperatura ambiente en °C. F1: fuerza que ejerce el pistón sobre el brazo en N. F2: fuerza que soporta el eje de giro en N. W: peso que realiza la rotación en N. R1: reacción en el rodamiento 1 en N. R2: reacción en el rodamiento 2 en N. W: peso que realiza la rotación en N σf: esfuerzo de flexión al que está sometido el eje en Mpa. σfalt: esfuerzo de flexión alternante admisible que depende del material en MPa. (en este caso es de 220 MPa). FS: factor de seguridad recomendado, se considerará un valor de 5 que está dentro del rango recomendado. Mf: momento obtenido del diagrama de momentos flectores del eje en N.mm. d: diámetro del eje en mm. l: longitud del eje en mm. FSfat: factor de seguridad a la fatiga. σfatl: esfuerzo de flexión alternante admisible en MPa. σ’eqa: esfuerzo equivalente aumentado en MPa. σ’fa: esfuerzo de flexión alternante aumentado en MPa. σfa: esfuerzo de flexión en MPa. βf: coeficiente efectivo a la flexión (cuyo valor es 1.3). Cs: coeficiente de superficie (en este caso 0.9). Ct: coeficiente de tamaño (en este caso es 0.68). Ctemp: coeficiente de temperatura (en este caso es 1). Mf: momento flector en N.mm. d: diámetro del eje en mm. σF: esfuerzo de fluencia del material en kgf/mm2. F: carga a la que está sometida la viga en kgf. A: área de la viga en cm2. I: momento de inercia en cm4. F: carga a la que está sometida la viga en toneladas. L: longitud de pandeo en metros. 𝜎𝑛: Esfuerzo normal en el plano de la garganta en MPa. xiv 𝜏𝑛: Esfuerzo cortante transversal en el plano de la garganta en MPa. 𝜏𝑎: Esfuerzo cortante axial en el plano de la garganta en MPa. n: esfuerzo normal en el plano del cateto en MPa. tn: esfuerzo cortante transversal en el plano del cateto en MPa. ta: esfuerzo cortante axial en el plano del cateto en MPa. 1 INTRODUCCIÓN El descubrimiento del aluminio se remonta a la primera mitad del siglo XIX cuando en el año de 1825 el químico danés Hans Christian Oersted fue el primero en aislarlo. Sin embargo, no fue hasta 1845 que el químico alemán Friedrich Wöhler, luego de mejorar el proceso de Oersted, conseguía pequeños glóbulos de un metal suficientemente puro para poder estudiar de manera correcta las propiedades de -hasta ese entonces- nuevo elemento. A partir de ese momento, la industria del aluminio ha logrado avanzar a una velocidad vertiginosa; pasando de una casi nula producción en 1850 a una producción estimada en el año 2014 de 28,9 millones de toneladas1. La explicación de este notable incremento en el uso del aluminio radica en la amplia variedad de aplicaciones en donde se le puede encontrar como reemplazo de otros metales. Desde el sector de electricidad y comunicación (los cables de las torres de alta tensión son fabricados de aluminio debido principalmente a ser más liviano que el cobre) hasta el sector de envasado (latas de gaseosas y papel aluminio ayudan a conservar mejor los alimentos sin aportar algún sabor desagradable). Ya sea por su elevada proporción peso-resistencia, su buena conductividad eléctrica, su resistencia a la corrosión o su abundancia –es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre2- la tendencia en el uso de este metal seguirá en aumento. Ahora bien, a pesar de que el Perú sea un país con grandes yacimientos de diversos minerales (como oro, cobre o zinc) no cuenta con reservas de bauxita el cual es el principal mineral para la obtención de aluminio. Más aún, si consideramos que debido al boom económico la importación de productos de aluminio ya sea para el sector inmobiliario o industrial se ha mantenido en un monto promedio de US $200 millones de dólares en los últimos años (2011-2014)3 ha posicionado al aluminio como el principal metal no ferroso importado4. Por otro lado, si analizamos las exportaciones de aluminio vemos que estas tienen un valor promedio de solo US $32 millones de dólares durante el mismo periodo (2011-2014)5. Esto último demuestra que existe una enorme provisión de aluminio que actualmente se encuentra en marcos de ventanas, piezas mecánicas, utensilios de cocina, elementos de máquinas, etc. Que luego de cumplir su función y ser desechados pasan a ser 2 considerados como chatarra. Es allí donde surge la oportunidad de reutilizar dichos productos en desecho aprovechando la enorme capacidad de reciclaje del aluminio. Para ello es necesario el uso de hornos de gran capacidad y potencia que sean capaces fundir aquellos desechos y una vez conseguida la aleación deseada se puedan obtener nuevas piezas. No obstante, el alto costo de equipos de fundición provenientes de extranjero origina que las diversas empresas nacionales opten por fabricar sus propios equipos. Sin embargo, según la propia experiencia, se puede afirmar que la gran mayoría de los hornos elaborados en el Perú no cuentan con un diseño fundamentado en principios ingenieriles lo que reduce su eficiencia y aumenta el gasto de combustible. Además, no se realiza un debido control del mecanismo de combustión generando un mayor desgaste de los materiales que revisten las cámaras de fundición y aumenta el mantenimiento o reemplazo de los equipos. De esta manera, dentro del plan de diseño de una planta de fundición de aluminio proveniente de productos reciclados. Se requiere la elaboración de equipos de fundición (hornos) los cuales han sido encargados a una empresa especialista en ingeniería de sistemas de combustión del medio local. Esta planta, está ubicada en el distrito de San Juan de Lurigancho, provincia y región de Lima y se espera tenga una capacidad de procesamiento de 2500 kg/día de aluminio. En la actualidad, la planta cuenta con un horno de gran capacidad pero por encargo del cliente se ha propuesto la elaboración de un horno de crisol auxiliar con una capacidad de 600kg/día para la fundición de piezas menores. Además, debido a que la planta cuenta con suministro de Gas Natural el horno deberá funcionar con dicho combustible y ser capaz de fundir el metal en un periodo de 1 hora como máximo. Finalmente, en el presente trabajo se detallarán los cálculos energéticos con base a la termodinámica (balance de energía y balance de masa) y la transferencia de calor (estudio de los materiales para una buena transferencia) para el diseño de un horno con las características mencionadas. 3 OBJETIVO GENERAL: Diseñar un horno de crisol para la fundición de 600 kg de aluminio reciclado en un periodo de una hora a través de un proceso del tipo batch y utilizando gas natural como combustible. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Reconocer las características del material reciclado.  Detallar el proceso de fundición del material e indicar donde interviene el equipo a diseñar dentro de la cadena productiva.  Enunciar las propiedades físicas y químicas del Aluminio.  Enumerar los diferentes tipos de hornos de fundición  Determinar las pérdidas de calor hacia el ambiente a través de las paredes o mediante los gases de escape.  Seleccionar los materiales, equipos y accesorios para el aislamiento y sistema de combustión respectivamente. ---- 1 International Aluminium Institute, 2015, Production Reporting Guidelines. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Página web: < http://www.world-aluminium.org/publications/> 2 Raymond Chang, 2014, Fundamentos de Química. 3, 5 COMEX Nosis, 2013, Comercio Exterior de Perú de NCE aluminio y sus manufacturas. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Página web: < http://trade.nosis.com/es/Comex/Importacion- Exportacion/Peru/aluminio-y-sus-manufacturas/PE/76> 4 Ministerio de la Produccion, 2010, 3.4.4 Productos Importados. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Pagina web: < http://www2.produce.gob.pe/RepositorioAPS/2/jer/SECTPERFMAN/2720.pdf> 4 CAPÍTULO 1 ALUMINIO: PROPIEDADES Y PARÁMETROS PARA EL RECICLAJE EN HORNOS A GAS En el presente capítulo se expone una breve descripción de las diferentes consideraciones para el reciclaje de aluminio, estas son: El tipo de material, los procesos de reciclado, los productos que pueden obtenerse, las consideraciones ambientales y de seguridad. A partir de ese desarrollo se realizará el estudio para la realidad del mercado peruano y se presentará el proceso productivo en una planta de fundición de aluminio con una capacidad de producción de 2500 kg/día. Además, se expondrán las características físicas y químicas más importantes del aluminio; dicha información será luego utilizada para la elaboración de los cálculos energéticos. 1.1 Consideraciones para el reciclaje de Aluminio1 1.1.1 Materiales Dentro del proceso de reciclaje de Aluminio, la chatarra es el elemento principal. A menudo, se clasifica a la chatarra como “chatarra nueva” proveniente de los residuos que se obtienen durante la elaboración de piezas o productos de aluminio semi- fabricados o productos finales; y “chatarra vieja” aquella que es recogida luego de la utilización del consumidor. Por lo general, este último desecho se encuentra más contaminado ya que supone ser obtenido a partir de piezas de vehículos y equipos que ya cumplieron su vida útil, o parte de edificios o construcciones demolidas, materiales desechados de embalaje y 5 aparatos domésticos y de oficina. Es por esta razón, que antes de que el metal pueda ser recuperado en los hornos de fundición se necesita realizar una segregación e incluso someter dicho material de reciclaje a un pre-tensado. Esta separación se puede hacer mediante diversas operaciones mecánicas, usando la gravedad, el método de corriente de Foucault o el uso de sensores de color. En la figura 1.1 se pueden apreciar cómo es el proceso de separación de estos dos últimos métodos. Fig. 1.1 Métodos de separación de material reciclado. Fuente: The Economist 1.1.2 Procesos Como ya se ha mencionado, dependiendo de la fuente, el aluminio en chatarra puede contener un amplio rango de impurezas. Lo cual, puede dificultar la recuperación del metal a partir del material reciclado. Estas impurezas pueden ser eliminadas mediante un pre-tratamiento o dentro de los hornos de fundición. Por ejemplo, el aluminio proveniente del reciclaje de las latas de bebidas o de finos elementos como la viruta requiere de la eliminación de los revestimientos o aceites que estas poseen antes de su fundición. De esa manera, se mejora la eficiencia del proceso y se reducen las potenciales emisiones de gases altamente contaminantes. La elección de los hornos se encuentra determinada en gran medida por el nivel y el tipo de impurezas. El proceso de refinación de la chatarra se puede describir de una manera general en los siguientes pasos:  Los diferentes restos de aluminio pueden ser seleccionados en base a un análisis de composición de la aleación para la carga en los hornos de fundición 6  Una vez dentro de los hornos, se añaden sales fundentes para cubrir el metal fundido y así remover las impurezas. Al mismo tiempo que se protege el metal de la oxidación.  Después de la fusión, el metal derretido se transfiere a los hornos de mantenimiento en donde se realizarán otros procesos de refinado tales como: desgasificación, reducción del contenido de magnesio y la adición de elementos de aleación.  De los hornos de mantenimiento, el metal fundido es vertido a diferentes moldes para la elaboración de lingotes, bloques de aluminio o piezas más complejas. También puede ser vertido en crisoles para el transporte de metal derretido. La energía consumida durante todo el proceso de transformación de la chatarra en aleaciones de aluminio representa solo el 5% de la energía necesaria para producir un lingote de aluminio virgen a partir de la bauxita. Además, el reciclaje disminuye las emisiones de gases de efecto invernadero en un 95% en comparación con la producción de aluminio primario. Es por todo lo expuesto líneas arriba que el reciclaje de aluminio va tomando mayor importancia a nivel global y nuestro país no es la excepción puesto que no es un productor primario de este metal. En la figura 1.2 se puede apreciar un gráfico comparativo de la cantidad de energía necesaria para la producción de una tonelada de aluminio primario y la misma cantidad a partir de aluminio reciclado. Fig. 1.2 Comparativo de procesos de obtención de Al. Fuente: IAI (Adaptación) 7 1.1.3 Productos Una variedad de aleaciones pueden ser producidas por las plantas de fundición o plantas de refinamiento. Los productos elaborados serán luego transformados a través de procesos de forjado y/o fundición. El aluminio para procesos de forjado es generalmente producido a través de la fundición de nueva o vieja chatarra con una composición bien definida, como por ejemplo las latas de bebidas. Dependiendo de la procedencia, estas aleaciones permanecen en el mismo ciclo de producción como material para producir productos rolados o extruidos. Las aleaciones para fundición, son producidas en plantas de refinamiento y utilizando una mezcla de nueva y vieja chatarra. El proceso puede ser realizado dentro de las mismas plantas donde se aprovecha que el metal se encuentra en su estado líquido y con la utilización de sistemas de fundición por moldes a presión, sistemas de fundición por moldes a gravedad y fundición en arena se producen una gran variedad de productos. En el mundo, uno de los mayores mercados que utiliza la fundición de aluminio es la industria automotriz y sus aplicaciones incluyen monobloques para motores, cabezas de cilindros, cajas de transmisión, dispositivos de absorción de calor, componentes para la suspensión, dirección y para la fabricación de aros. La industria de la construcción es otro de los mercados en donde el requerimiento de aluminio es amplio puesto que sirve para la elaboración de diversos equipos o para el diseño de accesorios de interiores. 1.1.4 Ambientales Es necesario tener en consideración técnicas que reduzcan el impacto del proceso de reciclaje del aluminio. Por ejemplo, la etapa de clasificación y selección de la chatarra puede ser realizada manualmente o a través de mecanismos. Cada uno de estos procesos tendrá requerimientos de mano de obra o de electricidad y que afectarán en mayor o menor medida a nuestro ecosistema. 8 En primer lugar, durante la etapa de selección, el polvo y pequeñas partículas orgánicas que están presentes en el material reciclado son considerados las principales emisiones hacia el ambiente. Estas emisiones pueden ser contraladas a partir de una optimización del proceso y el polvo ser recogido mediante filtros especiales. En segundo lugar, durante la etapa de fundición y refinamiento de la chatarra, son necesarios una gran cantidad de agentes contaminantes como combustibles, sales fundentes. Estos insumos son los principales causantes de la producción de compuestos orgánicos volátiles, dióxidos policlorados y furanos que son tan perjudiciales a la salud por su conocido potencial cancerígeno. Aquí también el buen diseño de los equipos es fundamental; además, se pueden adicionar sistemas para tratamiento de gases de combustión. El polvo nuevamente es captado por los filtros de aire y la escoria – que es la principal pérdida sólida- es tratada para recuperar aluminio, óxidos metálicos e incluso sales que pueden ser reutilizadas en diversas industrias. Finalmente, desde el punto de vista de un ciclo de vida, ya mencionamos que la cantidad de combustible requerida para procesar el material reciclado y convertirlo en aleaciones de aluminio es aproximadamente el 5% del requerido durante la producción de aluminio a partir de bauxita. De esta manera, las emisiones de CO2, que son resultado de la quema del combustible, disminuyen considerablemente. 1.1.5 Seguridad Puede ser difícil de cuantificar los riesgos en la salud y seguridad provenientes del acopio y manejo del material reciclado, especialmente cuando se carga el material a los hornos. Sin embargo, no es difícil de creer que los hornos de fundición sean equipos altamente peligrosos a menos que sean operados correctamente. Es por ello, que la mayoría de plantas de reciclaje han desarrollado su propio manual de funcionamiento de estos equipos. Estos manuales deben contener estrictos procedimientos para realizar la carga del material, el modo de manipular el horno, cómo se deben de añadir los diferentes insumos para la aleación y también tener un protocolo en caso de emergencias. La manipulación y colada del metal fundido es un peligro potencial. Las operaciones que implican aluminio líquido deben seguir instrucciones estrictas y el operador debe 9 utilizar todas las medidas de protección recomendadas así como también equipo de protección personal adecuado. Además, como parte de las medidas de seguridad dentro de la planta, deben de estar señalizadas las vías para el tránsito; advirtiendo el movimiento de vehículos y objetos, indicando zonas de alta temperatura y otros peligros potenciales. En la figura 1.3 se puede apreciar cómo se realiza el proceso de colado utilizando todas las medidas de seguridad. Fig. 1.3 Colado de Aluminio. Fuente: EPP Seguridad 1.2 Diagnóstico de la situación actual del reciclaje de Aluminio en la ciudad de Lima El desarrollo económico y la modernización de los países conlleva a un incremento para nada deseado: la producción de basura. Tanto es así, que la tasa de crecimiento de producción de desperdicios para el año 2011 fue mucho mayor que la tasa de crecimiento de nuestro PBI nacional – 19,5% frente a 6,9% - según cifras del ministerio del Ambiente los peruanos producimos 7,2 millones de toneladas de basura de los cuales sólo Lima produce el 42%6. Ahora bien, el efecto del boom inmobiliario y minero debió suponer que gran parte de ese total de desperdicios esté compuesto por materiales en desecho por ejemplo: partes de equipos, cables de electricidad, marcos de ventanas, etc. Todos estos elementos producidos a partir de aluminio. Lastimosamente, no se tiene un registro exacto de la 10 cantidad de chatarra producida en volumen o masa por lo que no se puede asegurar a ciencia cierta cuál es la cantidad de aluminio reciclado que existe en el mercado. Sin embargo, se pueden realizar estimaciones o aproximaciones de las reservas de aluminio reciclado a partir de datos de comercio exterior proporcionados por la SUNAT3. En la figura 1.4 se puede apreciar el valor de las exportaciones en Aluminio que tiene el Perú en los últimos años. Fig. 1.4: Exportaciones Peruanas de Aluminio. Fuente: SUNAT Se sabe que gran parte de dichas exportaciones es lo que podemos decir chatarra de aluminio en trozos o a granel y que es vendida a distintos países – principalmente China- para la industria de la recuperación de los metales en donde es fundida y transformada en planchas o lingotes. Según información del sistema integrado de Comercio Exterior, en el 2013 el valor de dichas ventas al extranjero fue de US$ 8,4 millones de dólares o un promedio mensual de US$ 700,000.00. Si a esta información, le añadimos que el costo promedio por tonelada de aluminio es de USS 1,500.00 nos da una producción aproximada de 467 toneladas mensuales de aluminio reciclado. Dicha cantidad, relativamente grande, refleja que se podrá satisfacer el requerimiento mensual de la planta de fundición de aluminio reciclado que presentaremos a continuación. 11 1.3 Planta de Fundición de Metales no Ferrosos El aprovechamiento del material viejo y chatarra es económicamente importante. Las aleaciones secundarias obtenidas a partir de estos materiales cubren aproximadamente el 25% de las necesidades totales. En los últimos años, ha surgido en gran parte del mundo una industria de aluminio secundario para la fabricación de semielaborados en forma de bloques y lingotes. Puesto que este tipo de fabricación ha nacido como consecuencia de la necesidad de aprovechar materiales de desecho, esta industria ha crecido de modo continuo. Por lo general, se aprovechan para este fin recortes procedentes de primeras operaciones de otras fabricaciones, así como desperdicios viejos. El desarrollo de aleaciones maleables a base de chatarra, junto con una amplia utilización del contenido en aleación de la misma, presentan un porvenir muy halagüeño 7. Fig. 1.5 Etapas de transformación de la chatarra. Fuente: Manual del Aluminio - W. Hufnagel 12 Sin embargo, dada la multiplicidad de las formas y tamaños del material reciclado, la reelaboración correcta de la chatarra de aluminio solo puede realizarse en fundiciones que tengas instalaciones muy especiales. El esquema de la figura 1.5 da una idea de las etapas bastante complejas de estas operaciones. Es por ello que si una empresa que decide dedicarse a esta actividad debe de definir muy bien cuál es su área de especialidad (por lo menos en el inicio). Tal es el caso de una planta de fundición ubicada en el distrito de San Juan de Lurigancho y que cuyo proceso para transformar el material reciclado en aluminio secundario se resume de la siguiente manera: 1.3.1 Recepción del Material Como el proceso de segregación del aluminio a partir de la basura es tan amplio e implica una serie de consideraciones adicionales, este es realizado por las empresas proveedoras. Quienes se encargan de realizar una primera selección de la chatarra y de su transporte hasta la planta. Una vez en la planta, se realiza una breve inspección al material reciclado para determinar su calidad de manera cualitativa y en base a ello realizar el pago por la misma. 1.3.2 Selección del Material El siguiente paso es separar la chatarra teniendo como referencia el tamaño de las piezas. Al mismo tiempo que se realiza este proceso, los operarios encargados de dicha selección realizan una segunda inspección más minuciosa para conocer si dicho material es realmente aluminio. Las piezas grandes o que posean mayores contaminantes van al primer horno que posee una cámara de fundición con mayor volumen. Por otro lado, las piezas de menor tamaño serán destinadas a un horno de crisol que posee una capacidad para fundir 600kg de aluminio. 13 1.3.3 Fundición del Metal Aquí el metal es derretido a través de la adición de calor proporcionado por los gases de combustión. Los metales diferentes al aluminio que estén presentes en la chatarra serán derretidos o no dependiendo de su temperatura de fusión. Al finalizar el proceso, solo el aluminio estará en la superficie y los metales más pesados quedarán asentados en el fondo de los hornos. Se debe precisar, que es necesaria la adición de sales fundentes que permiten remover las impurezas y al mismo tiempo proteger el metal de la oxidación. El combustible utilizado para este proceso será Gas Natural debido a su bajo precio y disponibilidad (la planta cuenta con una conexión de gas de la red de Calidda). Además, el proceso debe ser realizado en un plazo máximo de 1 hora. 1.3.4 Preparación de la Aleación Luego de que el aluminio se encuentra en su fase líquida, es transportado a un horno mantenedor donde se tomará una muestra para poder determinar la composición de la aleación mediante un espectrómetro. Según la información obtenida se le agregarán al metal derretido los elementos necesarios (otros metales, ver 1.5) para obtener la aleación deseada. Además, se realiza un desgasificado para evitar la formación de porosidades en las piezas fundidas. 1.3.5 Colado del Metal Después de agregar la cantidad necesaria de elementos de aleación se toma otra muestra para conocer si se obtuvo la aleación deseada. De no ser el caso, son agregados los elementos restantes. Si la aleación ya fue obtenida, se procede a realizar el colado del metal. Por medio de cucharas los operarios toman una cantidad del metal derretido lo vierten en distintos moldes para la elaboración de lingotes, bloques o pequeñas piezas. En la figura 1.6 se puede apreciar el diagrama de flujo del proceso de reciclaje de la planta de fundición mencionada. 14 Fig 1.6: Proceso para la recuperación de Aluminio Secuandario. Fuente: Elaboración Propia Ahora que se ha definido la importancia de los hornos dentro del reciclaje de aluminio y en qué parte del proceso intervienen. Se procederá a clasificar y describir los principales tipos de hornos que existen en la actualidad. 1.4 Hornos de Fundición para metales no ferrosos Según la real academia, la palabra horno proviene del latín furnus que significa fábrica para caldear. Es un compartimento abovedado y provisto de respiradero o chimenea y de una o varias bocas donde se introduce lo que se quiere someter a la acción del fuego. En general, es un equipo que sirve para trabajar o transformar con ayuda del calor diferentes sustancias o elementos8. El rango de aplicación de estos equipos es muy amplio, el más conocido es en la cocina donde se utilizan para calentar o secar alimentos. Por otro lado, en el ámbito industrial, los procesos de fundición, el mantenimiento de los metales en estado líquido o el tratamiento térmico de algunas piezas se realizan en hornos de gran potencia y que poseen buenos materiales para aislar y mantener el calor. Dentro de la industria de la fundición de metales (ferrosos o no) los hornos varían mucho en su capacidad y diseño. Aquella capacidad puede ir desde unos cuantos 15 kilogramos de metal hasta grandes hornos de hogar abierto con volumen suficiente para varias toneladas de metal fundido. Los factores que determinan el tipo de horno para cada proceso de transformación del metal son los siguientes6:  Velocidad de fundición y temperatura de colada.  Necesidad de mantener la pureza de la carga.  Capacidad de producción.  Costo de operación del horno.  Interacción entre la carga, el combustible y los productos de combustión. Según estos parámetros se puede hacer una clasificación de los hornos a partir de las distintas fuentes de energía o el mecanismo para la colada del metal. 1.4.1 Clasificación de los Hornos de Fundición  Según el tipo de calentamiento9 Dependiendo de la calidad que se exija a la masa fundida, la productividad y la eficiencia energética, se pueden usar distintos tipos de calentamiento. En principio, las alternativas principales son hornos de calentamiento eléctrico u hornos de calentamiento por combustibles fósiles. En este sentido, y desde el punto de vista de los costes, los niveles locales de precios son determinantes para el tipo de energía elegido.  Calentamiento por Combustible Fósil10 Los hornos con calentamiento por gas son idóneos para el servicio de fundición previa, especialmente cuando cuentan con evacuación de gases de escape a través del borde del crisol. Cuando se persigue una alta calidad de la masa fundida, es aconsejable usar una evacuación lateral de los gases de escape. No obstante, la calidad de la masa fundida aumenta en proporción inversa a la eficiencia energética, porque el horno de fusión con calentamiento por combustible y evacuación lateral de los gases de escape 16 consume un 20-25 % más de energía que un horno con canalización por gases a través del borde del crisol.  Calentamiento por Eléctrico En estos hornos la fuente de calor constituye la energía desprendida por una serie de resistencias colocadas alrededor del recipiente en donde se sitúa el material a fundir, estos hornos tienen mayor aplicación en procesos de mantenimiento en fabricas10. Las ventajas que tiene este horno son, su capacidad de entregar un metal con un nivel bajo de impurezas, carencia de humos en el proceso de fusión y ahorro de todos los elementos de transporte. Por otro lado, su inconveniente radica en su costo de operación, su limitada vida útil, junto con su elevado mantenimiento hacen que este horno no presente condiciones adecuadas para su utilización en procesos de producción enserie.  Según el mecanismo de extracción del metal fundido Parte importante del proceso de fundición es la extracción del metal derretido hacia los envases o moldes donde se verterá para obtener nuevas piezas. Es por ello que existen mecanismos que facilitan esta labor.  Hornos Estacionarios Es un tipo de horno cuya característica principal es que el recipiente que contiene el metal puede removerse del horno para verter el material fundido en los moldes o se extrae de este mediante cucharones (ver Fig.1.7). Si se trata de un horno con recipiente removible se puede utilizar pinzas y cargadores para levantar y trasladar el envase hasta los moldes para efectuar la colada, de esta manera se evita la necesidad de transferir el metal fundido a otro contenedor, lo que resulta beneficioso ya que se impide el daño potencial del metal en la transferencia. Los hornos estacionarios son simples, prácticos y fáciles de construir. 17 Fig 1.7 Horno Estacionario. Fuente: ASM Casting Handbook  Hornos Basculantes Son hornos movibles apoyados sobre un sistema de sustentación. La ventaja aparente que otorga el horno de crisol basculante es la capacidad que tiene este de extraer el metal fundido con mayor facilidad sin la necesidad de exponer a los operarios al calor proveniente de la cámara del horno. Sin embargo, se requiere la fabricación de una base especial, lo suficientemente resistente para soportar el peso del crisol y un sistema que permita el control del giro del horno. En la figura 1.8 se puede apreciar un crisol del tipo basculante. Fig.1.8 Horno Basculante. Fuente: ASM Casting Handbook 18 1.4.2 Hornos de Crisol De manera sencilla este tipo de horno no es más que una recamara a la cual se le suministra energía, almacena calor y promueve la transferencia de este a un metal contenido en un recipiente conductor del calor, resistente a la acción del metal y a las altas temperaturas denominado crisol, el cual permite fundir el metal en su interior para luego ser vertido a un molde previamente preparado 11.  Ventajas de los Hornos de Crisol a) Versatilidad: Pueden ser utilizados tanto para labores de fundición como también para el mantenimiento de la misma. Pudiendo extraerse el crisol para transportar el metal derretido hacia otro punto. Además, con un concepto de operación basado en estos hornos, la planta de fundición puede ser capaz de realizar pequeños procesos batch de distintas aleaciones. b) Facilidad de Construcción: Dependiendo de la capacidad requerida solo es necesaria la selección de algún crisol para tener el recipiente en donde se depositará el metal fundido. En caso de alguna falla o rotura, simplemente se reemplaza el crisol a diferencia de otros diseños con recipientes fijos en donde una simple grieta podría echar a perder todo el equipo de fundición. c) Aislamiento de la carga: Esta es una ventaja muy importante ya que la carga al estar totalmente aislada no se ve alterada en cuanto a su composición debido a que no entra en contacto con los gases de combustión. d) Bajo costo: En comparación con hornos rotativos o de reverbero no se requiere de grandes volúmenes de metal para que la inversión se justifique. Además, no suponen altos costos por mantenimiento del equipo.  Desventajas de los Hornos de crisol a) Baja eficiencia: Debido a que este tipo de hornos consumen de manera relativa una alta cantidad de energía específica para fundir el metal. 19 b) Poco seguros: Al ser operados por personal que está en contacto con altas temperaturas, se corren mayores riesgos puesto que el metal fundido puede provocar. 1.5 Crisol El crisol es un recipiente utilizado para albergar los metales y resistir las altas temperaturas a las que trabajan los hornos industriales. Es por ello que el material del crisol debe poseer una temperatura de fusión mucho mayor que la del metal a fundir además de ser resistente al ataque químico de dicho metal; y, sobre todo, deben tener un bajo coeficiente de dilatación 11. Para el caso del aluminio y sus aleaciones se utilizan crisoles a base de grafito, carburo de silicio y hierro fundido. Los primeros, se utilizan preferentemente para la fusión, la conservación de calor y la colada; en el caso de los segundos solo son utilizados para el mantenimiento del metal fundido. En cuanto a su capacidad, la oferta de crisoles resulta ser muy variada siendo generalmente catalogados de acuerdo a la cantidad de aluminio que pueden contener. Si se habla de la duración de los crisoles, esta se encuentra en función del tipo de horno, es decir, dependerá del sistema de calentamiento; también se debe tener en consideración la aleación que se desea obtener y de su temperatura de fusión, a la vez del tratamiento al que se someta el caldo. De esta forma, se puede calcular un tiempo de vida medio de unos 60 a 80 ciclos de trabajo. Las formas de los crisoles son muy variadas y dependen de la aplicación. En la Tabla 1.1 se presentan las formas más comunes de los crisoles. Es importante mencionar que no existe ningún crisol que pueda satisfacer todas las características deseables para todas las aplicaciones puesto que el desempeño de un crisol usualmente involucra intercambios de propiedades. Por ejemplo, el crisol con la mejor conductividad térmica puede no ofrecer la mejor protección al shock térmico. Es así que, al seleccionar un crisol, es importante priorizar aquellas propiedades que resultan más importantes para la aplicación 11. 20 Tabla 1.1 Diferentes formas de crisoles y sus campos de aplicación. Denominación de Forma Aplicación Forma A Horno estacionario de crisol removible B (bilge) Horno estacionario de crisol removible BU (bale out) Horno de estacionario o basculante C Horno de inducción 21 1.6 El Aluminio y sus aleaciones12 Cuando se encuentra en su forma pura, el aluminio es un metal blando y dúctil. Sin embargo, para la mayoría de usos industriales, se requieren niveles de resistencia mecánica muy por encima a los que el aluminio puro puede ofrecer. En primer lugar, estos niveles pueden ser logrados a través de la adición de otros elementos, los cuales de manera individual o mediante combinación imparten nuevas propiedades al metal produciendo distintas aleaciones. Por otro lado, niveles de fortalecimiento mayores son posibles por distintos medios a partir de los cuales está clasificadas las aleaciones dentro de dos categorías: las que pueden ser tratadas térmicamente y las que no.  Aleaciones que no pueden ser tratadas térmicamente: Series 1000, 3000, 4000, 5000 Para este tipo de aleaciones, el aumento de resistencia está relacionado con el endurecimiento provocado por elementos como magnesio, silicio, hierro y manganeso. El uso de técnicas de endurecimiento por deformación puede impartir una resistencia adicional si la aleación es sometida a varios niveles de trabajo en frío, este tipo de materiales se encuentran denotados por la letra “H”.  Aleaciones tratables térmicamente: Series 2000, 6000, 7000 Para este otro tipo de aleaciones, la resistencia inicial es producida por la adición de elementos como: cobre, magnesio, zinc y silicio; los cuales presentan a altas temperaturas una buena solubilidad en estado sólido cuando se encuentran inmersos en el aluminio. Esta característica permite que mediante el uso de tratamientos térmicos se pueda impartir grandes niveles de resistencia adicionales. El tratamiento térmico es un proceso a elevadas temperaturas en el cual el o los solventes son llevados a un estado de solución sólida. A partir de allí, sigue un enfriamiento brusco, usualmente en agua, para provocar el “congelamiento” de la microestructura lo que permite que el material aumente su maquinabilidad. Luego de un periodo de varios días, la aleación ha aumentado su resistencia debido a la precipitación de los distintos elementos contenidos dentro de ella. Este proceso se conoce como envejecimiento del aluminio. 22 1.6.1 Efecto de los elementos de Aleación Serie 1000: Es el aluminio con 99% o más porcentaje de pureza. Tiene diversas aplicaciones, especialmente en campos de la electricidad y la industria química. Esta aleación es caracterizada por una excelente resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y eléctrica y buena maquinabilidad. Adicionalmente, se pueden obtener mayores niveles de resistencia mediante el endurecimiento por deformación. El hierro y el silicio son las principales impurezas. Serie 2000: En estas aleaciones el principal elemento solvente es el cobre. Para obtener propiedades óptimas es requerido someter dicho material a tratamientos térmicos de solubilidad. Una vez alcanzada esta condición, las propiedades son similares y en algunos casos superiores a los aceros de bajo carbono. Sin embargo, las aleaciones de la serie 2000 no poseen tan buena resistencia a la corrosión como las demás, incluso bajo ciertas condiciones presentan corrosión intergranular por lo que a veces son revestidos con aleaciones de alta pureza de aluminio. Serie 3000: El manganeso es el principal elemento de aleación. Este grupo solo posee un 20% de resistencia adicional a comparación del aluminio puro debido a que el Mn solo puede añadirse en forma efectiva en un porcentaje del 1.5%. Esta es la principal razón por la que existen pocas aleaciones de esta serie y son utilizadas en reducidos campos de aplicación. Una de estas aleaciones es la 3003 que es utilizada para propósitos generales que requieren de resistencias mecánicas moderadas y una buena maquinabilidad. Serie 4000: Para estas aleaciones el principal solvente es el Silicio que suele añadirse en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para reducir el rango de fusión de la aleación con el objetivo de ser utilizado como elemento de soldadura para las demás aleaciones. Además, debido a que tienen un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón por lo que están siendo demandas para aplicaciones decorativas y arquitectónicas. Serie 5000: El magnesio es uno de los más efectivos y ampliamente usados elementos de aleación para el aluminio. Cuando es utilizado como el solvente principal, se 23 pueden conseguir aleaciones no tratables térmicamente con una moderada o alta resistencia mecánica. Otra de las principales características de estas aleaciones son su buena soldabilidad, resistencia a la corrosión en ambiente marino y baja capacidad de trabajo en frío. Todo esto permite que sean utilizadas para la elaboración de adornos decorativos: ornamentales y arquitectónicos, para la fabricación de partes de botes, barcos y tanques criogénicos así como también de automóviles y grúas puente. Serie 6000: En estas aleaciones se usan como elementos de aleación el Magnesio y el Silicio en proporciones adecuadas para que se forme el Siliciuro de Magnesio (Mg2Si) lo que permite que la aleación sea tratable térmicamente. A diferencia de las demás aleaciones, ésta presenta baja resistencia mecánica a cambio de ello presentan buena formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. La aleación más conocida es la 6061 y su uso suele estar presente en aplicaciones arquitectónicas, estructuras para bicicletas, pasamanos de escaleras, equipos de transporte. Serie 7000: El Zinc es el mayor elemento de aleación en este grupo y cuando es combinado con un pequeño porcentaje de magnesio resulta en una aleación que a partir del tratamiento térmico se obtiene una buena resistencia. Usualmente, otros elementos como el cobre y el cromo son agregados en pequeñas cantidades. El miembro excepcional de este grupo es la aleación 7075 la cual posee la mejor resistencia mecánica por lo que es usado en la industria aeroespacial y para la fabricación de piezas que están sometidas a grandes cargas. 1.7 Parámetros de Diseño Para diseñar cualquier tipo de horno ya sea del tipo reverberante, rotativo o de crisol se debe tener en consideración la eficiencia de la combustión o eficiencia del combustible. Esta siempre es el 100% menos la sumatoria de todas las pérdidas que se presentan durante el proceso de fundición. En la siguiente figura son ilustradas todas estas pérdidas en un diagrama de Sankey, donde el calor nominal, el calor útil y el calor cedido se miden en las respectivas unidades como Btu/hr, kcal/s, etc. 24 Fig. 1.9 Diagrama de Sankey para un balace térmico de un horno de fundición. Fuente: North American Combustion Handbook 1.7.1 Ingreso Bruto de Calor (Gross heat INPUT) Es el calor suministrado por la combustión total del combustible y que dependerá de su poder calorífico. Este valor es obtenido a partir de un análisis, el cual consiste en realizar la combustión del combustible dentro de una cámara enchaquetada con agua en su interior. Con ayuda de un calorímetro y teniendo como parámetros importantes flujo estable y presión constante se mide el incremento de temperatura del agua obteniendo el poder calorífico del combustible. Estos valores son expresados normalmente en Btu/ft3 o kcal/m3 bajo ciertas condiciones de humedad, presión y temperatura. Sin embargo, estas condiciones no se encuentran muy bien estandarizadas. En el anexo 1.1 se pueden apreciar una lista de propiedades de muchos combustibles gaseosos. 1.7.2 Pérdidas a través de los gases de combustión (Flue gas loses) Estas pérdidas incluyen el calor arrastrado hacia el exterior de la cámara de combustión por los principales constituyentes de los gases de combustión como: CO2, N2, O2 y CO 25 (gases de combustión secos) y Humedad (H2O). Las pérdidas por humedad son debidas al calor latente y sensible del agua que forma por la combustión del hidrógeno presente en todos los combustibles. 1.7.3 Calor Disponible (Available heat) Es el valor bruto de calor que ingresa a la cámara de combustión menos las dos pérdidas provocadas por los gases de combustión “secos” y la humedad (condensación). Representa la cantidad de restante de calor y que servirá para realizar calentamiento útil (calor hacia la carga), pérdida de calor a través de las paredes, pérdidas a través de las aperturas. Existe literatura especializada que proporciona información sobre el calor disponible de distintos combustibles a diferentes temperaturas de gases de escape bajo condiciones de combustión completa. En el caso de combustión con exceso o falta de aire el porcentaje de calor disponible se reduce, por lo tanto para un combustión con 0% de exceso de aire representará la mejor eficiencia posible. 1.7.4 Pérdida de calor a través de las paredes (Wall loses) El calor fluye desde los gases de combustión o la llama hasta las paredes del horno mediante los principios de convección y radiación. Luego de que el calor llega a la pared, ocurren los siguientes fenómenos: Primero, almacena el calor en su interior provocando que la temperatura de las paredes aumente; Segundo, puede re-irradiar el calor hacia el interior del horno para el calentamiento de la carga; y tercero, transferirá el calor hacia la cara exterior de la pared por conducción y luego hacia los alrededores nuevamente por convección y radiación en la figura 1.10 se puede apreciar este fenómeno. Una vez que la pared alcanza su estado de equilibrio (no existe un cambio de temperatura a partir de ese momento), todo el calor transferido a la pared es conducido a través de ella sin ser absorbido por la pared. 26 Fig 1.10 Secuencia en el tiempo de la variación de temperatura en las paredes de un horno de fundición. Fuente: North American Combustion Handbook 1.7.5 Almacenamiento de Calor (Heat storage in walls and fixtures) Es difícil predecir el flujo de calor a través de las paredes en condiciones de no- equilibrio, como en el caso de hornos tipo batch. Actualmente, en ingeniería se utiliza un método simplificado que adiciona las pérdidas de calor y el almacenamiento de calor y los divide entre el tiempo esperado en que se va a alcanzar el equilibrio. Conocer el tiempo aproximado en que se alcanzará el equilibro no es otra cosas que suposiciones basadas en la experiencia. Además, se debe considerar que la absorción de calor a través de las paredes es mayor al inicio del proceso que cuando se está aproximando al equilibrio. El porcentaje de almacenamiento de calor relativo para un combustible dado y que se tomará desde un encendido del equipo en frío depende solamente del tiempo de calentamiento y la construcción de las paredes. Una recomendación tomada del North American Combustion Handbook indica que para hornos de fundición de metales se 27 debe de alcazar un porcentaje de almacenamiento en equilibrio del 80% antes de que sean puestos en operación regular. En el anexo 1.2 se aprecia un gráfico que brinda información sobre el tiempo aproximado para alcanzar el equilibrio en función del espesor de aislamiento. 1.7.6 Pérdidas por radiación a través de las aperturas (Opening Loss) En la sección 1.7.2 se detallaron las pérdidas por convección debido a la expulsión de los gases de combustión a través de las aperturas de escape. Sin embargo, existe otra cantidad de calor que se pierde debido al efecto de la radiación. La razón de pérdida de calor estará en función del tamaño de la apertura, su geometría y también la temperatura a la que se encuentre la cámara de combustión. 1.7.7 Pérdidas de calor debido al transporte y/o almacenamiento (Conveyor Loss) La pérdida de calor debido al flujo del metal derretido (al momento de realizar la colada) y también la cantidad de calor absorbido por el recipiente que contendrá en metal (crisol) son considerados en este caso. Para calcular estos valores se presenta en la siguiente tabla las principales propiedades físicas del Carburo de Silicio. Tabla 1.2: Propiedades físicas del Carburo de Silicio Fuente: North American Combustion Handbook Nombre Carburo de Silicio (SiC) Estado Normal Sólido Densidad 199 lb/ft3 Calor Específico 0.23 Btu/lb °F Punto de Fusión 4082 °F 28 1.7.8 Calor útil (Useful output) Es el calor necesario para llevar la carga, es decir el metal, desde una temperatura ambiente (por lo general 60 °F) hasta la temperatura de fusión – para el caso del aluminio 1215 °F aproximadamente- y luego hasta la temperatura de colada – de igual manera para el aluminio dicha temperatura es 1380 °F. Para poder realizar este cálculo se requiere conocer las características físicas del material a fundir, como por ejemplo: calor específico en estado sólido, calor latente de fusión y calor específico en estado líquido. Sin embargo, debido a la naturaleza del material – se va a trabajar con chatarra de aluminio- no es posible conocer dichas propiedades. Es por ello que se realiza un cálculo aproximado a partir de la suposición de que el material a fundir es aluminio puro. Para compensar algún diferencial de calor que no se haya comprendido debido a heterogeneidad de materiales por recomendación se utilizará un factor de seguridad de 80%. A continuación se presentará una tabla que contiene todas las propiedades físicas del aluminio necesarias para el cálculo energético. Tabla 1.3 Propiedades Físicas del Aluminio Puro Nombre Aluminio (Al) Densidad 166.7 lb/ft3 Calor específico medio –sólido- (desde 60 °F hasta la temperatura de fusión) 0.248 Btu/lb °F Calor latente de fusión 169.0 Btu/lb Calor específico medio –líquido- (desde temperatura de fusión hasta temperatura de colada) 0.26 Btu/lb °F Temperatura de Fusión 1215 °F Temperatura de Colada 1380 °F Fuente: North American Combustion Handbook Otra consideración importante a tomar en cuenta para calcular el flujo de calor necesario para fundir la carga es la geometría del metal a fundir. Por ejemplo, el tiempo de fundición de pequeñas piezas no es el mismo para grandes bloques de metal debido a la tasa de transferencia de calor. 29 Resumen del Capítulo 1 a) Planteamiento del Problema Se describió el proceso de producción de una planta de fundición real, la cual tiene la necesidad de construcción de un horno de fundición de 600kg de capacidad para poder alcanzar un índice de producción. Se vio además en qué parte del proceso interviene dicho equipo b) Importancia y oportunidad del Tema Se pudo apreciar que la justificación de este proyecto va desde el ámbito netamente económico (aumentar la capacidad de producción para satisfacer una demanda del mercado). Aún más, existe también una importancia técnica puesto que en la industria nacional no hay una cultura de diseño de este tipo de equipos con un sustento ingenieril. Por último, otro aspecto importante es el efecto positivo hacia el medio ambiente ya que se re-utilizan materiales de desecho para fabricar nuevos objetos y al mismo tiempo se realiza un proceso que requiere menor cantidad de energía en comparación con la producción primaria de dicho elemento. c) Limitaciones Se establecieron los requerimientos para este proyecto, los mismos que se encuentran comprendidos desde el título del presente trabajo:  Capacidad de fundición : 600kg  Ciclo de trabajo: 1 hora  Combustible a utilizar: Gas Natural  Tipo de Horno: Horno de Crisol Así mismo, se mencionaron una serie de consideraciones, recomendaciones y parámetros que serán utilizados para realizar el diseño del equipo. Dichos cálculos serán presentados en el capítulo siguiente. 30 CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL HORNO DE CRISOL En el presente capítulo se expone las consideraciones que se han tomado en cuenta para el diseño y la fabricación del equipo, así como una descripción detallada de sus características y funciones. Se ha creído conveniente hacer esta presentación en base al Método de Diseño [BARRIGA, 1985], el cual propone un procedimiento ordenado y sistemático para el diseño de un equipo. 2.1 Problemática Contrario a lo que se piensa de manera común, nuestro país no es solo un productor primario de minerales. Existen importantes ejemplos de empresas que operan en nuestro territorio que producen metales refinados con buenos resultados, sumando de esta manera un importante valor agregado. Entre las compañías más destacadas están: Southern Perú, que cuenta con una fundición y refinería de cobre en la región de Ilo, Siderperú en Chimbote que produce diferentes clases de aceros y Votoratim Metais con la refinería de Cajamarquilla para la producción de zinc16. Ahora bien, todas estas empresas tienen dos factores en común. El primero, se tratan de grandes compañías -algunas de ellas multinacionales- que poseen el capital suficiente para adquirir cualquier equipo que necesiten; y el segundo aspecto, ninguna de estas fundiciones se dedica a la producción de aluminio. Es sabido que el Perú no cuenta con yacimientos de bauxita el cual es el principal mineral para la obtención del 31 aluminio primario; sin embargo, en el mercado nacional existen empresas que se dedican a la obtención de este metal a partir de material reciclado. No obstante, estas compañías no poseen ni el respaldo de matrices extrajeras ni los recursos suficientes para la compra de equipos sofisticados como sí lo poseen las compañías mencionadas líneas arriba. Es por esta razón, al menos la principal, que muchas de ellas optan por la fabricación de sus propios equipos o encargan la construcción de hornos a personas que no poseen el suficiente conocimiento técnico – en temas de energía y diseño mecánico- y solo se guían de nociones empíricas que muchas veces no resultan ser muy seguras o eficientes. Por ello, es necesario tomar iniciativas dentro de la rama de la ingeniería mecánica que permitan desarrollar equipos lo suficientemente confiables y que funcionen a partir de la aplicación de la metodología del diseño y los conocimientos de los principales fenómenos mecánicos y energéticos. Es de esperarse que este tipo de trabajos impulse el desarrollo de las tecnologías de fabricación de hornos en el país, sobre todo los utilizados para el reciclaje del aluminio, puesto que es una actividad ampliamente desarrollada en otros países –principalmente en Europa y Estados Unidos- y que no solo trae consigo beneficios económicos, sino también ambientales. 2.2 Lista de Exigencias Revisión: 1 Fecha: 20/10/2015 Revisado por: R.P.B Fecha Exigencia o Deseo Descripción 20/10/2015 E Función Principal: Fundir Aluminio reciclado en trozos o a granel. El equipo debe de ser capaz de fundir 600kg de aluminio en una hora. Debe permitir el agregado de insumos que mejoran la calidad de la fundición. El equipo debe de ser basculante, para poder verter el metal de su interior Elabora do por: R.P.B Responsable R.P.B. LISTA DE EXIGENCIAS PROYECTO: DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL PARA FUNDICIÓN DE ALUMINIO CLIENTE: PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ 32 04/04/2016 E Función Principal: Fundir Aluminio reciclado en trozos o a granel. El equipo debe de ser capaz de fundir 600kg de aluminio en una hora. Debe permitir el agregado de insumos que mejoran la calidad de la fundición. El equipo debe de ser basculante, para poder verter el metal de su interior 04/04/2016 E MATERIA PRIMA: La materia prima será principalmente chatarra de aluminio en trozos o a granel proveniente de empresas locales manufactureras de aluminio 04/04/2016 E POTENCIA: La potencia del quemador debe ser tal que permita fundir el material en un periodo de 1 hora. Después de un periodo de pre- calentamiento del horno. 04/04/2016 E GEOMETRÍA: La forma de la cámara de combustión debe de ser cilíndrica puesto que permite una mejor circulación de los gases de combustión y por ende su transfrencia de calor hacia el aluminio 04/04/2016 E ENERGIA: Uso de Gas Natural para la combustión, proveniente de la red pública de Lima Metropolitana 04/04/2016 D COSTO: -Los costos de diseño, fabricación, montaje y acabado del equipo no debe exceder los US$ 100,000.00 R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. 33 20/10/2015 E SEGURIDAD: -El equipo a ser fabricado cumplirá con los principales estándares de seguridad del mundo (evitar la contaminación al ambiente, se protegerá la salud humana y se preservará el estado de los equipos). -Será necesario el uso EPP básico (casco, chaleco reflector, botas de seguridad, lentes de seguridad, protectores auditivos) además de indumentaria resistente y aislante a altas temperaturas. -Además el equipo contará con señalizacion que indique materiales o elementos que estén a temperaturas elevadas 20/10/2015 E SEÑALES: -Estará provista de señales que indiquen el Inicio y el Fin del proceso, y la parada de emergencia. 20/10/2015 E MANTENIMIENTO: -La máquina debe contar con una distribución tal que facilite la lubricación y el recambio de piezas. - Además de mecanísmos de escape en caso se vierta metal líquido en su interior. 20/10/2015 E ERGONOMÍA: El depósito de alimentación deberá ubicarse a una altura adecuada para evitar excesiva fatiga de los operarios. También los controles de la maquina deberán ser de fácil acceso al operario. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. 34 5/17/2016 E FABRICACIÓN: Las piezas que interactúan con el metal líquido o los gases de combustión deben de ser fabricadas con materiales adecuados para soportar temperaturas muy elevadas y deberán ser de fácil adquisición en el Perú. 5/17/2016 E MONTAJE: El montaje de la maquina debe ser de poco grado de complejidad de manera que pueda ser realizado de forma rápida por personal capacitado. . 5/17/2016 E TRANSPORTE: La máquina deberá estar diseñada de manera que sea posible su transporte dentro de la misma planta 5/17/2016 E CONTROL: -El control y accionamiento del equipo será de tipo manual para reducir costos de fabricación, a menos que sea justificable técnica y económicamente. 5/17/2016 E USO: -El diseño de la máquina y la selección de sus principales elementos debe ser tal que el ruido producido no represente un problema para el personal. 5/17/2016 E PLAZOS DE ENTREGA -Entrega de documento impreso de la memoria descriptiva del proyecto completo. Jueves 19/05/16 en el 2° Piso de Ingeniería Mecánica-Sala de profesores. -Sustentación Final del Proyecto. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. R.P.B. 35 2.3 Elaboración del Concepto 2.3.1 Caja Negra CAJA NEGRA: HORNO DE CRISOL Entrada: Señal: Temperatura Inicial del aluminio y aire de combustión Energía: Combustible (Gas Natural) Materia: Aluminio Reciclado Salida: Señal: Temperatura de Colada del Aluminio Energía: Calor Materia: Aluminio líquido y gases de combustión BLACK BOX ENERGÍA A MATERIA SEÑAL ENERGÍA A MATERIA SEÑAL 36 2.3.2 Estructura de Funciones En relación al análisis de la Lista de Exigencias planteamos en forma abstracta las actividades de manera independiente tratándolas como si pertenecieran a una línea de producción de una planta. Como resultado se determinaron las siguientes funciones: 1. Alimentar: Llenado de la cámara de combustión con el material a fundir. 2. Encendido del sistema: Asegurarse que el aporte de calor sea constante para elevar la temperatura ambiente (15°C) hasta la temperatura de colada (750°C). 3. Suministro de energía: Es el medio por el cual se llevará la fuente de energía que utilizará el dispositivo que proporcionará el calor necesario para realizar la fundición del metal. 4. Control de temperatura: Se trata de la medición del aumento progresivo de la temperatura en el interior de la cámara de combustión. 5. Control de tiempo: Indicará el inicio y el final del proceso de fundición para evitar el sobrecalentamiento por exposición al calor. 6. Escorificar: Aplicar el aditivo escorificador y luego realizar la limpieza del aluminio mediante la extracción de escoria y otras impurezas. 7. Desgasificar: Aplicación de material que absorba todos los gases presentes en el aluminio líquido para evitar la formación de porosidades. 8. Afinar: Aplicar el aditivo afinador que permite reducir el tamaño del grano del aluminio líquido y por ende mejorar su microestructura. 9. Colar: Verter el material líquido que se encuentra al interior del crisol en algún molde, cuchara u otro instrumento que permita obtener alguna pieza final. 37 Estructura de Funciones Independiente Estructura de Funciones Óptima – Funciones Combinadas 38 2.3.3 Matriz Morfológica ESTRUCTURA DE FUNCIONES PORTADORES DE FUNCIONES M1 M2 M3 1. Alimentar Lingotes Piezas recicladas A granel 2. Encendido del sistema Gas Natural GLP Petróleo 3. Suministro de energía Tuberías Tanques 4. Control de temperatura Termómetros Sensor 5. Control de tiempo Reloj Temporizador 6. Escorificar Manual Mecánico Automático 7. Desgasificar Manual Mecánico Automático 8. Afinar Manual Mecánico Automático 9. Colar Manual Hidráulico Mecánico 39 2.3.4 Desarrollo de la Matriz Morfológica Lingotes Piezas recicladas Granel Gas Natural GLP Petróleo Tuberías Tanques Termómetro Sensor Reloj Temporizador Manual Mecánico Automático Manual Mecánico Automático Manual Automático Manual Hidráulico Mecánico S1 S2 S3 Alimentar Suministro de Energía Control de Temperatura Control del Tiempo Escorificar Encendido del Sistema Afinar Desgasificar Colar Matriz morfológica de Horno de Crisol Basculante 40 2.3.5 Determinación de Proyecto Preliminar Óptimo 2.3.5.1 Evaluación Técnica 2.3.5.2 Evaluación Económica 0: Indisciplina 2: Aceptable 4: Muy bien (ideal) 1: Insuficiente 3: Bien 41 2.3.5.3 Diagrama de evaluación Proyecto Preliminar 1 Fig. 2.1 Horno estacionario de Crisol. Elaboración propia 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 V al o re s d e E va lu ac io n T é cn ic a Valores de Evaluacion Económica Diagrama de Evaluación 1 2 3 4 42 Proyecto Preliminar 2 Fig. 2.2 Horno basculante de crisol con sistema hidráulico. Elaboración Propia Proyecto Preliminar 3 Fig. 2.3 Horno basculante de crisol con sistema mecánico/manual. Fuente: GrabCAD 43 2.4 Diseño de concepto óptimo 2.4.1 Diseño Térmico 2.4.1.1 Requerimientos Básicos En las operaciones de fundición se requieren tomar ciertas consideraciones que permitirán obtener una aceptable calidad en el producto final. De esta manera, para el diseño del presente horno de fundición se asumirán los siguientes parámetros: a) La temperatura de colada del metal líquido (en este caso Aluminio) deberá de ser de 760°C y se deberá retirar inmediatamente una vez alcanzado dicho valor para evitar su sobrecalentamiento. b) Se asumirá una temperatura en la pared interior de la cámara de combustión de 1000°C c) La capacidad del horno para fundir el material reciclado ha de ser 600 kg de aluminio proveniente de material reciclado en forma de pequeños trozos. d) El tiempo para obtener el metal en su estado líquido será de 1 hora; además, se deberá considerar un tiempo de preparación (precalentamiento) del horno para realizar la primera fundición. e) La conformación de la pared del horno está compuesta por los siguientes materiales: manta cerámica de aislamiento y chapa metálica para estructura. 2.4.1.2 Balance de Masa Es necesario evitar el contacto entre el material a fundir y los gases de combustión, debido a que esta acción reduce considerablemente la calidad final del producto. Por ello es posible realizar dos ecuaciones de conservación de la masa a pesar de tener un mismo volumen de control. En la figura 2.4.1 se puede apreciar los flujos másicos que intervienen. 44 Fig. 2.4.1: Volumen de control para el balance de masas de la cámara de combustión. Elaboración Propia De esta manera, se obtienen las siguientes ecuaciones: 𝑚𝐴𝑙_𝑙í𝑞 + 𝑚𝑒𝑠𝑐 = 𝑚𝐴𝑙 (2.1) 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 + 𝑚𝐺𝑁 = 𝑚𝑝𝑜𝑐 (2.2) Esta última ecuación será de gran ayuda para el cálculo del quemador, chimenea y para la selección del diámetro de tuberías para el aire y el combustible. Por otro lado, ha de asumirse que la masa de la escoria obtenida luego de los procesos de limpieza del metal será igual al 7% de la masa total del aluminio ingresado. 2.4.1.3 Balance de Energía En el capítulo anterior, fue presentado un diagrama de Sankey (figura 1.9) en donde son mostrados todos los flujos de calor involucrados en el proceso de fundición. Utilizaremos este gráfico y otro adicional de la figura 2.4.2 para establecer las ecuaciones en base a la primera ley de la termodinámica y así conocer la cantidad de energía que ingresa o sale del interior de la cámara de combustión durante este proceso. Para el cálculo de la energía en el horno de fundición se seguirán las recomendaciones propuestas por North American Combustion Handbook en donde se indica que dentro de la cámara de combustión solo será necesario considerar, de entre los 3 mecanismos 45 principales de transferencia de calor, a la radiación y la convección. De esta manera, se procede con el análisis de la energía que interviene en el volumen de control. En la fig. 2.4.2 pueden apreciarse los flujos de energía que ingresan y salen del volumen de control. Fig. 2.4.2: Flujos de energía que atraviesan el volumen de control. Elaboración Propia El calor liberado por el proceso de combustión será absorbido por la carga a fundir, el recipiente que contiene dicha carga –en este caso el crisol-, las paredes internas del horno. Además, una parte de dicho calor fluirá a hacia los alrededores a través de los gases de salida o mediante el flujo de calor que atraviesa las paredes. Por otra lado, del balance de masa, se puede concluir que dicho proceso tiene flujo estable ya que no existe acumulación de material (todo material que ingresa a la cámara del horno es fundido y retirado completamente ya sea en forma de metal líquido o en forma de escoria). Posteriormente, se aplicará la primera ley de la termodinámica considerando que el trabajo sobre el sistema es nulo y que el cambio de las energías cinética y potencial son iguales a cero. De esta manera tenemos: ?̇?𝑣.𝑐. = ∑ ?̇?𝑠 × ℎ𝑠 − ∑ ?̇?𝑖 × ℎ𝑖 (2.3) donde, ?̇?𝑣.𝑐.: Flujo de calor que atraviesa el volumen de control ?̇?𝑠 : Masa de elementos que salen del volumen de control ℎ𝑠 : Entalpía de los elementos que salen de volumen de control 46 ?̇?𝑖 : Masa de los elementos que ingresan al volumen de control ℎ𝑖 : Entalpía de los elementos que ingresan al volumen de control Si se reformula la ecuación anterior en base al diagrama de Sankey mencionado anteriormente se obtendrá una nueva ecuación que indicará cuáles son las cantidades de calor que deben ser calculadas para compensar las pérdidas de calor y también para proporcionar energía suficiente para fundir la carga. 𝜂 × ?̇?𝑓 × 𝑃. 𝐶𝐺𝑁 = ?̇?𝑙 + ?̇?𝑐 + ?̇?𝑤 + ?̇?𝑜 (2.4) Donde: 𝜂: Porcentaje de calor disponible en el Gas Natural proveniente de la red. ?̇?𝑓: Flujo másico de combustible 𝑃. 𝐶𝐺𝑁: Poder calorífico del Gas Natural ?̇?𝑙: Flujo de calor necesario para fundir la carga (600 kg de aluminio) ?̇?𝑐: Flujo de calor absorbido por el crisol ?̇?𝑤: Flujo de calor que absorben y atraviesan las paredes ?̇?𝑜: Flujo de calor que sale por las aberturas (tapa del horno) 2.4.1.4 Análisis de combustión Una buena combustión requiere las siguientes condiciones: a).- Apropiada proporción de combustible y aire b).- Una correcta mezcla del combustible con el aire c).- Ignición inicial y sostenida de la mezcla En cuanto a la relación de aire/combustible es necesario calcularla mediante el balance estequiométrico. Sin embargo, la cantidad de constituyentes que poseen en general los gases naturales hace muy laboriosa dicha tarea. Es por ello que se utiliza un método simplificado: ecuación 2.5 (donde todos los porcentajes están en función al volumen y los componentes No combustibles no tienen efecto en la cantidad de aire requerido) Según datos de la Dirección General de Hidrocarburos del Ministerio de Energía y Minas la composición de gas natural disponible en Lima es la siguiente: 47 Tabla 2.1: Composición del Gas Natural en Lima. Fuente: Dirección General de Hidrocarburos. Minem Densidad Relativa 0.6072 Poder Calorífico 39.9258 MJ/m3 Cp (presión cte.) 8.57 cal/mol°C Cv (volumen cte.) 6.56 cal/mol°C Componente Nomenclatura Composición (%) Estado Natural Metano 𝐶𝐻4 89.4215 gas Etano 𝐶2𝐻6 9.1203 gas Propano 𝐶3𝐻8 0.0872 gas licuable Butano 𝐶4𝐻10 0.0022 gas licuable Agua 𝐻2𝑂 0 gas Monóxido de Carbono 𝐶𝑂 0 gas Hidrógeno 𝐻2 0 gas Oxígeno 𝑂2 0 gas Dióxido de Carbono 𝐶𝑂2 0.2486 gas Nitrógeno 𝑁2 1.1163 gas 𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = [(%𝐶𝐻4 × 0.0956) + (%𝐶2𝐻6 × 0.1673) + (%𝐶3𝐻8 × 0.239) + (%𝐶4𝐻10 × 0.311) + (%𝐻2 × 0.0239) + (%𝐶𝑂 × 0.0239) − (%𝑂2 × 0.0478)] × [1 + %𝑋𝑆𝐴/100] (2.5) Reemplazando valores se obtiene: 𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = 10.764 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 Que es el valor de aire estequimétrico. Sin embargo, con el fin de evitar la combustión incompleta del gas se debe de disponer de una cantidad de adicional de aire que mejore dicha combustión. El suministro óptimo de aire para la mejor eficiencia térmica del horno será aquel en donde la suma de las pérdidas por la combustión incompleta y el calor en los gases de combustión es mínimo. En el caso de combustibles gaseosos dicha relación debe ser lo más cercana posible al valor estequiometrico. Es por ello que se considera un exceso de aire de solo 48 5% que permitirá garantizar la combustión completa del combustible y no disminuir considerablemente la temperatura de la llama. Reemplazando el exceso de aire se obtiene: 𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = 11.303 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 a) Análisis de los productos de combustión considerando 1 m3 de gas natural Del mismo libro se pueden utilizar las siguientes fórmulas: 𝐶𝑂2: 𝑟𝐶𝑂2 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = ( 𝐶𝑂 × 0.01) + (𝐶𝐻4 × 0.01) + (𝐶2𝐻6 × 0.02) + (𝐶3𝐻8 × 0.03) + (𝐶4𝐻10 × 0.04) + (𝐶𝑂2 × 0.01) (2.6) 𝐻2𝑂: 𝑟𝐻2𝑂 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = ( 𝐻2 × 0.01) + (𝐶𝐻4 × 0.02) + (𝐶2𝐻6 × 0.03) + (𝐶3𝐻8 × 0.04) + (𝐶4𝐻10 × 0.05) + (𝐻2𝑂 × 0.01) (2.7) 𝑁2: ∅ = 𝐶𝑂 + 𝐻2 + (4 × 𝐶𝐻4) + (7 × 𝐶2𝐻6) + (10 × 𝐶3𝐻8) + (13 × 𝐶4𝐻10) − (2 × 𝑂2) 𝑟𝑁2 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ = ( 𝑁2 × 0.01) + ((1 + %𝑋𝑆𝐴 100 ) × 0.0189 × ∅) (2.8) Además, como existe exceso de aire debe quedar una cantidad de oxígeno sin combustionar 𝑂2: 𝑉𝑥𝑠 = ( 𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ ×%𝑋𝑆𝐴 (100+𝑋𝑆𝐴) ) × 0.21 (2.9) Finalmente los volúmenes de los productos de combustión son: 𝐶𝑂2 = 1.169 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 𝐻2𝑂 = 2.165 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 𝑣𝑝𝑜𝑐 = 12.389 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 𝑁2 = 8.941 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 𝑂2 = 0.113 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 Para hallar el porcentaje de calor disponible en la combustión del gas natural se debe calcular la pérdida de calor a través de los gases de escape. Aquí es necesario hacer la 49 diferenciación entre el calor perdido por el vapor de agua y por los “gases secos”. Estos valores serán calculados con las siguientes fórmulas: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑓𝑔 = 𝑣𝐶𝑂2 × 𝐻𝐶𝑂2 + 𝑣𝑁2 × 𝐻𝑁2 + 𝑣𝑂2 × 𝐻𝑂2 (2.10) Donde: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑓𝑔: Es el calor de los productos secos que salen a altas temperaturas a través de la chimenea 𝑣𝐶𝑂2: Volumen o flujo volumétrico de 𝐶𝑂2 𝐻𝐶𝑂2: Contenido de calor del 𝐶𝑂2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 𝑣𝑁2: Volumen o flujo volumétrico de 𝑁2 𝐻𝑁2: Contenido de calor del 𝑁2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 𝑣𝑂2: Volumen o flujo volumétrico de 𝑂2 𝐻𝑂2: Contenido de calor del 𝑂2 a determinada temperatura. Anexo 2.1 Para el caso del calor perdido a través del vapor de agua que sale a través de la chimenea la ecuación es la siguiente: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 𝑣𝐻2𝑂 × (ℎ𝐻2𝑂 𝑇2⁄ − ℎ𝐻2𝑂 𝑇1⁄ ) (2.11) Donde: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑: Pérdida debido al calor latente de vaporización del agua 𝑣𝐻2𝑂: Volúmen o flujo volumétrico de vapor de agua en los productos de combustión ℎ𝐻2𝑂 𝑇2⁄ : Entalpía del vapor de agua a la temperatura de los gases de combustión ℎ𝐻2𝑂 𝑇1⁄ : Entalpía del vapor de agua a la temperatura ambiente (Tamb = 15°C) Reemplazando dichos valores se obtiene: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑓𝑔 = 1.578 × 10 4 𝑘𝐽 𝑚3 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 7.766 × 10 3 𝑘𝐽 𝑚3 Para hallar el porcentaje de calor disponible en 1 m3 de gas natural se aplicará la siguiente ecuación 50 𝜂 = 𝑃. 𝐶𝐺𝑁 − (𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑓𝑔 + 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑) 𝑃. 𝐶𝐺𝑁 Donde: 𝑃. 𝐶𝐺𝑁 : Es el Poder calorífico superior del gas natural Finalmente: 𝜂 = 0.445 ó 44.5% Quiere decir que del poder calorífico total, solo se encuentra disponible el 44.5% (17.7670 MJ/m3) 2.4.1.5 Selección de los materiales constructivos Selección del Crisol Las principales consideraciones a tomar en cuenta para la selección del crisol son las siguientes: el tipo de metal que se desea fundir, la cantidad que se desea procesar, el origen del material, el combustible a emplear y finalmente el tipo de horno que se utilizará. Haciendo un repaso de todas las consideraciones de diseño podemos resumir lo siguiente: se desea fundir 600kg aluminio y sus aleaciones provenientes de material reciclado, el combustible a utilizar es Gas Natural y el horno es del tipo basculante. La selección se realizó en base al catálogo proporcionado por la empresa Mammut- Wetro y el mecanismo de selección se puede apreciar en el anexo 2.2. De esta manera se seleccionó el siguiente crisol. Tabla 2.2: Dimensiones del Crisol Fig. 2.4.3: Crisol TP 587 Fuente: Mammut-Wetro Katalog Dimensiones del Crisol Tipo de Crisol TP 587 con pico Altura (H) 900 mm Diámetro Sup. (D) 780 mm Diámetro Inf. (d) 435 mm Long. Del Pico 200 mm Material SiC calidad XO 51 Selección de Materiales constructivos de las paredes del horno En la siguiente imagen (Fig. 2.4.4) se puede apreciar la configuración interna de las paredes del horno. Esta pared estará conformada por una capa de manta cerámica que servirá como aislamiento del calor y chapa metálica para la estructura de soporte de toda la cámara. Fig. 2.4.4: Figura de la pared interna del horno. Elaboración Propia Propiedades de la manta cerámica Las características más importantes que definen este material son: - Baja conductividad térmica. - Bajo almacenamiento de calor. - Alta resistencia al shock térmico. - Facilidad de instalación. - No necesita un periodo de curado o secado. A partir de la información obtenida de los catálogos de la compañía Morgan Thermal Ceramics se obtienen las principales propiedades físicas y térmicas que se resumen en la siguiente tabla. 52 Tabla 2.3: Propiedades de la manta cerámica. Fuente: Morgan Thermal Ceramics Manta Cerámica Propiedades Típicas Unidad Valor Cp KJ/ Kg Kº 1.13 Densidad Kg./m3 64 Máxima temperatura de servicio º C 1260 Conductividad térmica a diferentes temperaturas medias 200°C W/m.K 0.07 400°C W/m.K 0.12 600°C W/m.K 0.20 Propiedades de la chapa metálica El único objetivo de la plancha de acero es de servir como estructura de soporte en donde se instalará el material aislante de la cámara de combustión. El espesor de la plancha a utilizar es de ¼ de pulgada ó 6.5 mm por recomendación de otros trabajos 9,11. El material es un acero simple al carbono A36 o AISI 1020 y sus propiedades mecánicas son: Tabla 2.4: Propiedades de la plancha de acero. Fuente: Transferencia de Calor y Masa. Yunus Çengel Lámina de Acero Propiedades Típicas Unidad Valor Densidad Kg./m3 7832 Cp J/Kg. K 434 Conductividad térmica a diferentes temperaturas T amb (15°C) W / m º K 63.9 100 °C W / m º K 58.7 53 2.4.1.6 Dimensionamiento de la cámara de combustión Para determinar las dimensiones internas de la cámara de combustión se toma como referencia las medidas del crisol seleccionado y se utiliza la relación que aparece en el libro Hornos Industriales de Trinks. W. Aquí se hace mención al coeficiente R que es la relación entre el área de la carga y el área interior de la cámara de combustión del horno. Se dice que para la mayoría de hornos industriales R = 0.4 y es este el valor que consideraremos. De esta manera, mediante la siguiente ecuación se podrá obtener el diámetro interno de la cámara de combustión. 𝑅 = 0.4 = 𝑑𝑐 𝐷𝑖 (2.12) Reemplazando por el valor antes expuesto se obtiene el valor del diámetro interior de la cámara de combustión. En este caso 𝐷𝑖 = 1.083 m Lo siguiente que debe realizarse es el cálculo del espesor de aislamiento, para esto nos guiaremos de la vista superior del interior de la cámara de combustión. Fig. 2.5 Fig 2.5: Vista superior del interior de la cámara de combustión. Elaboración propia 54 El método utilizado para el cálculo del espesor de aislamiento fue el método de las resistencias. Se asumió que el límite de la temperatura de la pared exterior del horno no debe exceder los 100°C. Además, se consideró que la transferencia de calor debida a la radiación es despreciable (por ser una temperatura muy baja). Finalmente, mediante las recomendaciones bibliográficas 18 se estableció que los coeficientes convectivos al interior y exterior de la cámara de combustión son 80 𝑊 𝑚2∙𝐾 y 18 𝑊 𝑚2∙𝐾 respectivamente. A continuación se detallará el procedimiento de cálculo. 𝐴𝑠𝑢𝑝1 = 2𝜋𝑟𝑖𝑛𝑡 ∙ 𝐻𝑖𝑛𝑡 (2.13) Donde: 𝐴𝑠𝑢𝑝1 : Área superficial interior de la cámara de combustión 𝑟𝑖𝑛𝑡 : Radio interior de la cámara de combustión igual a 0.542 m 𝐻𝑖𝑛𝑡 : Altura interior de la cámara de combustión 𝐴𝑠𝑢𝑝2 = 2𝜋𝑟𝑒𝑥𝑡 ∙ 𝐻𝑒𝑥𝑡 (2.14) Donde: 𝐴𝑒𝑥𝑡 : Área superficial exterior de la cámara de combustión 𝑟𝑒𝑥𝑡 : Radio exterior de la cámara de combustión que es la incógnita que necesitamos 𝐻𝑒𝑥𝑡 : Altura exterior de la cámara de combustión La forma de facilitar el cálculo de las resistencias es utilizando las fórmulas de convección y conducción en una superficie esférica 𝑅𝑖𝑛𝑡 = 1 ℎ𝑖𝑛𝑡∙𝐴𝑠𝑢𝑝1 (2.15) 𝑅1 = 𝑙𝑛 𝑟𝑒𝑥𝑡 𝑟𝑖𝑛𝑡 2𝜋𝑘𝑚𝑎𝑛𝑡𝑎𝐻𝑒𝑥𝑡 (2.16) 𝑅2 = 𝑙𝑛 𝑟𝑒𝑥𝑡+𝐸𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎 𝑟𝑒𝑥𝑡 2𝜋𝑘𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑎𝐻𝑒𝑥𝑡 (2.17) 𝑅𝑒𝑥𝑡 = 1 ℎ𝑒𝑥𝑡∙𝐴𝑠𝑢𝑝2 (2.18) 𝑅𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑅𝑖𝑛𝑡 + 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅𝑒𝑥𝑡 (2.19) ?̇?𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 𝑇𝑖𝑛𝑡− 𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.20) 55 Donde: 𝑅𝑖𝑛𝑡 : Resistencia interior por convección 𝑅1 : Resistencia de conducción de superficie cilíndrica (manta cerámica) 𝑅2: Resistencia de conducción de superficie cilíndrica (chapa metálica) 𝑅𝑒𝑥𝑡: Resistencia exterior por convección 𝑅𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿: Resistencia equivalente del circuito térmico Fig. 2.7 ?̇?𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑: Flujo de calor a través de la pared del horno Fig 2.6: Circuito de resistencias para el flujo de calor en la pared del horno. Elaboración Propia Después de un proceso iterativo se logra obtener el espesor final de aislamiento para las paredes del horno. Este valor será de 127 mm que cumple con la condición de que la pared exterior del horno no exceda los 100°C (en este caso el valor máximo al que llegará será de 97°C, por lo que cumple la condición). Se debe mencionar que el valor de la altura exterior de la cámara de combustión fue calculado a partir de la suma de la altura del crisol (900 mm), altura del pedestal seleccionado (300 mm) y el espesor de la tapa que debe ser igual al espesor del aislamiento (127 mm). De esta manera, se obtuvieron las medidas finales del horno de fundición, en la siguiente tabla se resumen dichos parámetros. Tabla 2.5: Dimensiones del Horno Longitud Medida (m) 𝐷𝑖 : Diámetro interior 1.083 𝐷𝑒𝑥𝑡: Diámetro exterior 1.350 𝐻𝑖𝑛𝑡 : Altura interior 1.200 𝐻𝑒𝑥𝑡 : Altura exterior 1.327 56 2.4.1.7 Cálculo de la energía para el proceso Observando en el diagrama de Sankey del capítulo anterior, los flujos de energía necesarios para realizar el proceso de fundición son cuatro: a) Calor necesario para calentar y fundir el metal Mmetal = 600 kg Masa de Aluminio a fundir Tamb = 15 °C Temperatura del Ambiente Tfun = 660 °C Temperatura de Fusión Tcol = 750 °C Temperatura de Colada De la tabla proporcionada por North American Combustion Handbook vol 2 que se muestra en el anexo 2.3. Se extraen las propiedades físicas del aluminio para el cálculo de la energía necesaria para su fundición. 𝐶𝑝𝑠𝑜𝑙 = 0.248 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚∙𝐾 Calor específico medio (Sólido) 𝐶𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = 93.9 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚 Calor latente de fusión 𝐶𝑝𝑙𝑖𝑞 = 0.260 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚∙𝐾 Calor específico medio (líquido) Las ecuaciones de la termodinámica que nos indican la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un metal son: 𝐸1 = M𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ∙ 𝐶𝑝𝑠𝑜𝑙 ∙ (𝑇𝑓𝑢𝑠 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.21) 𝐸2 = M𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ∙ 𝐶𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 (2.22) 𝐸3 = M𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ∙ 𝐶𝑝𝑙𝑖𝑞 ∙ (𝑇𝑐𝑜𝑙 − 𝑇𝑓𝑢𝑠) (2.23) Donde: 𝐸1 = 4.001 × 10 5 𝑘𝐽 Energía necesaria para llevar a la temp. de Fusión 𝐸2 = 2.359 × 10 5 𝑘𝐽 Energía necesaria para cambiar de estado 𝐸3 = 5.996 × 10 4 𝑘𝐽 Energía necesaria para llevar a la temp. de Colada 57 Finalmente la energía total que requiere la carga es: 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 = 6.959 × 10 5 𝑘𝐽 b) Calor absorbido por el crisol En el anexo 2.2 se puede apreciar el cálculo aproximado del peso del crisol seleccionado, debido a que dicha información no se encuentra proporcionada por el catálogo del fabricante. Además, se obtienen las propiedades físicas del material que compone el crisol (carburo de silicio) a partir de las tablas del North American Combustion Handbook Mcrisol = 150 kg Masa del crisol Tint = 900 °C Temperatura interior del horno 𝐶𝑝𝑠𝑖𝐶 = 0.20 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚∙𝐾 Calor específico medio (Sólido) Al igual que con el cálculo de la energía para la carga a fundir, la energía que absorbe el crisol está dada por la siguiente ecuación: 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 = M𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 ∙ 𝐶𝑝𝑠𝑖𝐶 ∙ (𝑇𝑖𝑛𝑡 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.24) Finalmente tenemos: 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 = 1.112 × 10 5 𝑘𝐽 Energía absorbida por el crisol Luego de haber calculado el calor necesario que se requiere solo para fundir el material y el calor absorbido por el crisol se procede a calcular el flujo de calor necesario. Para ello es indispensable establecer el tiempo deseado para realizar todo el proceso (sin considerar la parte de preparación del horno durante la primera fundición). Este tiempo se establece en 1 hora y que se considera a partir del momento en que se deposita el material a derretir hasta que se haya derretido y alcanzado su temperatura de colada. Por ello, sumando las dos cantidades de calor y dividiéndolos entre el tiempo obtenemos lo siguiente: 58 ?̇?𝑙 = 𝐸𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝑡 = 6.959 × 105 𝑘𝐽 ℎ𝑟 = 1.933 × 105 𝑊 ?̇?𝑐 = 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑡 = 1.112 × 105 𝑘𝐽 ℎ𝑟 = 3.088 × 104 𝑊 c) Flujo de calor absorbido y perdido a través de las paredes del horno Cuando se mencionaron los parámetros de diseño en el capítulo anterior, se hizo referencia a la dificultad que existe para predecir el flujo de calor a través de paredes que trabajan en condiciones de no equilibrio. Esto se debe a una serie de factores, como por ejemplo que la tasa de absorción de calor en una pared es mayor al inicio que cuando ya se está alcanzando el equilibrio. Además, mientras las paredes interiores de la cámara del horno se van calentando, existe una variación en la temperatura de salida de los gases de combustión lo que a su vez influye en el porcentaje de calor disponible. Todo esto complica el cálculo y es por ello que es más sencillo fijar una temperatura aproximada y utilizar los datos en forma de ingresos brutos. Por recomendación del libro "North American Combustion Handbook" se sabe que para hornos tipo Batch y utilizados para la fundición de metales, el porcentaje mínimo de almacenamiento para el equilibrio es de 80%. En la figura del anexo 1.2 se puede apreciar este valor de equilibrio puede ser alcanzado en un tiempo de 2 horas y 30 min a partir del tiempo de encendido si es que se considera un espesor de 5 pulgadas de pared refractaria. Como en el caso actual se está utilizando solo pared aislante, el tiempo estará en proporción de las conductividades térmicas. 𝑟𝑘 = 𝑘𝑟𝑒𝑓𝑟𝑎𝑐 𝑘𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎 ≈ 6 La relación entre ambas conductividades térmicas Por lo que el tiempo para el caso de paredes de manta cerámica será la quinta parte del tiempo que demora con paredes refractarias, es decir 25 min. A partir de otra gráfica que se aprecia en el anexo 2.4, que toma en cuenta la relación del calor almacenado y el flujo de calor que atraviesa la pared entre la variación del calor disponible, se puede apreciar que el calor bruto requerido para balancear las pérdidas de calor a través de las paredes con ladrillo refractario es: 59 𝑃𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 11000 𝐵𝑡𝑢 𝑓𝑡2∙ℎ𝑟 Valor tomado de la gráfica del anexo 2.4 𝑃𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 34700 𝑊 𝑚2 (En el unidades del S.I.) Sin embargo, como ya se ha mencionado, este horno no posee paredes de ladrillo refractario; sino, aislamiento con fibras cerámicas. Es así que el nuevo flujo de calor necesario será proporcional a la relación entre las conductividades de un material refractario de un material aislante. 𝐹𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 𝑃𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑟𝑘 = 1833 𝐵𝑡𝑢 𝑓𝑡2∙ℎ𝑟 𝐹𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 5783 𝑊 𝑚2 (En el unidades del S.I.) El siguiente aspecto será calcular el área de transferencia, que no es otra cosa que el valor total del área interna de la cámara del horno 𝐴𝑖𝑛𝑡 = 𝜋 ∙ 𝐷𝑖 ∙ 𝐻𝑖𝑛𝑡 + 2 ∙ ( 𝜋∙𝐷𝑖 2 4 ) (2.25) 𝐴𝑖𝑛𝑡 = 5.893 𝑚 2 Si multiplicamos el área interior por el flujo de calor en unidades de área nos dará la cantidad de flujo de calor que se almacena y a traviesa las paredes. Esto es: ?̇?𝑤 = 𝐹𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 ∙ 𝐴𝑖𝑛𝑡 = 3.408 × 10 4 𝑊 d) Flujo de calor que se escapa a través de las aberturas Las pérdidas por radiación a través de las aberturas de un horno pueden ser calculadas a partir de la multiplicación de los valores de las tasas de radiación de un cuerpo negro (anexo 2.5) por el valor de “área efectiva” que posee dicha abertura (anexo 2.6). La selección de la tasa de radiación de un cuerpo negro debe ser seleccionada para una fuente que posea una temperatura igual a la de la superficie interior del horno. Para el valor del receptor, puede estar aproximado a 100 °F sin perder mucha precisión. 60 Para una abertura que tiene un diámetro de 32 pulgadas o 812.8 mm, por donde se realizará el ingreso del material a reciclar y también permitirá la limpieza del metal a fundir, se tiene un valor interpolado de área efectiva igual a: 𝑎𝑒𝑓 = 3.73 𝑓𝑡 2 ó 0.347 𝑚2 De la tabla del anexo 2.5, se sabe que para el caso del horno la radiación del cuerpo negro es: 𝑟𝑎𝑑 = 20300 𝐵𝑡𝑢 𝑓𝑡2∙ℎ𝑟 ó 6.404 × 104 𝑊 𝑚2 Por lo tanto, el flujo de calor perdido por radiación a través de la abertura es: ?̇?𝑜 = 𝑎𝑒𝑓 ∙ 𝑟𝑎𝑑 = 2.219 × 10 4 𝑊 Para resumir los resultados de todos los cálculos, se hará un recuento de todos los flujos de calor obtenidos y de esa manera se podrá conocer la cantidad de calor disponible que debe ser suministrado por unidad de tiempo. a) ?̇?𝑙 = 1.933 × 10 5 𝑊 Flujo de calor hacia la carga b) ?̇?𝑐 = 3.088 × 10 4 𝑊 Flujo de calor absorbido por el crisol c) ?̇?𝑤 = 3.408 × 10 4 𝑊 Flujo de calor perdido a través de las paredes d) ?̇?𝑜 = 2.219 × 10 4 𝑊 Flujo de calor perdido a través de aberturas e) 𝜂 = 44.5% Porcentaje de poder calorífico disponible Sumando todas estas cantidades y dividiéndolas entre el porcentaje de calor disponible (a excepción del flujo de calor a través de las paredes puesto que ya está considerado dentro del gráfico) se encontrará la cantidad de calor que debe suministrarse. ?̇?𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 = ?̇?𝑤 + ( ?̇?𝑙+?̇?𝑐+?̇?𝑜 𝜂 ) (2.26) Finalmente, se obtiene: ?̇?𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 = 5.877 × 10 5 𝑊 61 2.4.1.8 Cálculo de las dimensiones de la chimenea El término corriente de aire, se refiere a la diferencia de presiones que empuja o succiona el aire, combustible y los productos de combustión a través de los hornos. Una corriente forzada existe cuando el aire y el combustible son obligados a ingresar dentro de la cámara del horno bajo una presión positiva. Por otra parte, una corriente inducida es aquella que se produce a partir de una presión negativa en el escape del horno y que extrae los gases de combustión fuera de la cámara. Por último, una corriente natural es aquella que se produce por la tendencia inherente que tienen los gases calientes a elevarse. Cualquiera de estos mecanismos deben estar presentes dentro de un sistema de combustión en favor de extraer los gases de la cámara. 13 La presión en el interior de la cámara de combustión de un horno tiene un impacto muy importante dentro de todo el proceso que se desee realizar. Por ejemplo, presiones negativas tienen la desventaja de atraer exceso de aire al interior del horno lo cual podría reducir su eficiencia, enfriar parte de la carga que se desea calentar o producir una atmósfera oxidante la cual es indeseada. Por otro lado, presiones positivas presentan la desventaja de empujar el frente de llama hacia el exterior del horno a través de las aberturas aumentando los problemas de mantenimiento del equipo. Por todo ello, es necesario una presión neutral al interior (es decir, igual a la presión atm) sin embargo, es muy difícil de mantener. El cálculo que se presenta a continuación, está sustentado en una serie de iteraciones que permiten obtener una presión positiva, al interior de la cámara del horno, no muy elevada (alrededor de 1.73 inH2O ó 4.4 cmH2O de presión) 𝑇𝑙𝑙𝑎𝑚𝑎 = 1200 °𝐶 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = 1100 °𝐶 𝑇𝑖𝑛𝑡 = 1000 °𝐶 Hallamos la densidad de los gases de salida a la temperatura promedio – se asume propiedades iguales al aire caliente – 𝜌𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = 0.259 𝑘𝑔 𝑚3 62 Ahora se debe conocer el flujo volumétrico de gases de combustión que se obtienen del proceso. Para ello tomamos las relaciones halladas en cálculos anteriores. 𝑣𝑝𝑜𝑐 = 12.389 𝑚3 𝑚3𝐺𝑎𝑠 𝑣𝑓 = 0.015 𝑚3 𝑠 Flujo volumétrico de gas, ref: pág. 65 𝑞𝑝𝑜𝑐 = 𝑣𝑝𝑜𝑐 ∙ 𝑣𝑓 = 0.182 𝑚3 𝑠 Flujo volumétrico de aires de escape a T = 15°C y P = 1 atm Para el flujo volumétrico calculado se debe de hacer una corrección debido a que se encuentra a diferente presión y temperatura que la calculada. De las tablas del anexo 2.7 y 2.8 se toman los siguientes factores de corrección: 𝑓𝑡 = 4.44 Factor de expansión de los gases a 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑓𝑝 = 1.068 Factor de corrección de los gases a 𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡 Ahora el valor del flujo volumétrico será: 𝑞𝑝𝑜𝑐_𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝑞𝑝𝑜𝑐 𝑓𝑝 ∙ 𝑓𝑡 = 0.758 𝑚3 𝑠 Flujo volumétrico de aires de escape a 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 y 𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡 Luego de hallado el caudal de los gases de combustión, se procede a calcular el valor de la presión en la corriente inducida y el valor de la presión forzada mediante las siguientes fórmulas: 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑧 = 𝐿𝑐ℎ𝑖𝑚 𝑑𝑐ℎ𝑖𝑚 × 𝜌𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 × 𝑞𝑝𝑜𝑐_𝑐𝑜𝑟𝑟 (2.27) Donde: 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑧 : Presión forzada. 𝐿𝑐ℎ𝑖𝑚 : Longitud de la chimenea 𝑑𝑐ℎ𝑖𝑚 : Diámetro hidráulico de la chimenea * *𝑑𝑐ℎ𝑖𝑚 = 4 ∙ 𝐴×𝐵 𝐴+𝐵 A: Ancho de la abertura, B: Altura de la abertura 63 𝑃𝑖𝑛𝑑 = 0.01467 × 𝐿𝑐ℎ𝑖𝑚 × [1 − (𝐺 × ( 520 𝑡𝑠+460 )] (2.28) Donde: 𝑃𝑖𝑛𝑑 : Presión inducida 𝐺 : Gravedad relativa de los gases de combustión (G = 1.044) 𝑡𝑠 : Temperatura media de la chimenea (𝑡𝑠= 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚) Luego de reemplazar algunos valores y de haber asumido las dimensiones de la chimenea para realizar el proceso iterativo se obtienen los siguientes valores para que la presión interna en el horno no exceda el límite establecido (alrededor de 1.73 inH2O ó 4.4 cmH2O de presión) 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑧 = 4.446 𝑐𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝑖𝑛𝑑 = 0.087 𝑐𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝑐ℎ𝑖𝑚 = 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑧 − 𝑃𝑖𝑛𝑑 (2.29) 𝑃𝑐ℎ𝑖𝑚 = 4.368 𝑐𝑚𝐻2𝑂 Tabla 2.6: Dimensiones de la Chimenea Dimensión Medida (mm) Longitud de la chimenea 915 Ancho (A) 102 Alto (B) 102 2.4.1.9 Cálculo del diámetro de tuberías para Aire y Gas Según el libro Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas de Claudio Mataix, existen dos clases de pérdidas de carga en las tuberías: primarias y secundarias. Las pérdidas primarias se ocasionan por el contacto que hay entre el fluido y la tubería (capa límite), rozamiento de un capa de fluido con otras (régimen laminar) o de las partículas de fluido entre sí (régimen turbulento). Todos estos fenómenos ocurren cuando existe un flujo uniforme; por tanto, suceden en los tramos de tubería de sección constante. 64 Por otra parte, las pérdidas secundarias son aquellas “pérdidas de forma”; es decir, son las pérdidas que ocurren en las transiciones (estrechamientos o expansiones de la corriente), codos, válvulas y toda clase de accesorios de tubería. En el cálculo que sustentará el diámetro de las tuberías para el suministro de aire y gas que necesita nuestro quemador se considera que las pérdidas secundarias (provocadas por los codos) tienen poca importancia y se solo se tendrán cuenta al final sumando un 20% de las pérdidas principales halladas. En general, para el cálculo de pérdidas en tuberías, existen dos factores que juegan un papel muy importante: el material de la tubería (para conocer la rugosidad) y que el régimen de la corriente sea laminar o turbulento. Experimentos realizados con tuberías de agua de diámetro constante demostraron que la pérdida de carga era directamente proporcional al cuadrado de la velocidad media en la tubería y a la longitud de la misma, al mismo tiempo de ser inversamente proporcional a su diámetro. La fórmula que expresa lo anterior es: ∆𝑝 = 𝜆 𝐿𝑡𝑢𝑏 𝐷𝑡𝑢𝑏 ∙ 𝑣2 2𝑔 (2.27) Conocida como ley de Darcy-Weisbach o ley de pérdidas primarias. Donde: ∆𝑝: Pérdida de presión primaria 𝜆 : Coeficiente de pérdida de carga primaria 𝐿𝑡𝑢𝑏 : Longitud de la tubería 𝐷𝑡𝑢𝑏 : Diámetro de la tubería 𝑣 : Velocidad media del fluido a) Diámetro de tubería para aire La ley de darcy para el caso de tuberías que transportan aire a bajas presiones puede simplificarse a: ∆𝑝 = 7813200 ∙ 𝑓 𝐿𝑡𝑢𝑏 (𝐷𝑡𝑢𝑏)5 ∙ 𝐺 ∙ 𝑣2 (2.28) 65 Donde f es el factor de fricción de la tubería y que depende de la rugosidad del tubo, su diámetro, la velocidad del fluido, la densidad y la viscosidad. En el anexo 2.9 se aprecia el diagrama de Moody, para extraer el valor de dicho factor. Líneas arriba, se procedió a hallar el total de flujo de calor necesario para el proceso de fundición, a partir de este valor podemos hallar los caudales de combustibles necesarios para llevar a cabo dicho proceso. 𝑣𝑓 = 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑣𝑓 = 0.015 𝑚3 𝑠 Luego, por la relación aire combustible hallado mediante el análisis de combustión se obtiene el valor del caudal de aire: 𝑣𝑎 = 𝑣𝑓 ∙ 𝑟𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏.⁄ 𝑣𝑎 = 0.166 𝑚3 𝑠 Se establece que las pérdidas máximas de presión en el trayecto de tubería de 4 m no deben exceder los 10 mmH2O A partir del gráfico presentado en el anexo 2.10, se podrá obtener el diámetro de la tubería para el trasporte del aire de combustión. Primero debemos hacer la conversión de unidades a las solicitadas por el gráfico. 10 𝑚𝑚𝐻2𝑂 ≈ 0.2 𝑜𝑠𝑖 Que es la caída de presión máxima permitida en 4 m Haciendo un equivalente para el caso de una tubería de 100 m, la máxima caída de presión será de 1 osi (onza por pulgada cuadrada). Buscamos el valor de 1 osi en la escala inferior del gráfico y luego trazamos una línea vertical hasta que encuentra la línea horizontal para un caudal de 𝑣𝑎 = 0.166 𝑚3 𝑠 . En la intersección de esas dos rectas se encuentran entre los valores de 4 y 6 pulgadas. Debemos probar con el diámetro de menor tamaño que es el más económico. 66 El valor actual de la caída de presión para un diámetro de 4 pulgadas es: 3 osi (para una longitud de 100 m) → 0.12 osi para 4 metros ∴ 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 Finalmente, el valor del diámetro de tubería para el transporte de aire es: 𝐷𝑡𝑢𝑏_𝑎𝑖𝑟𝑒 = 4 𝑝𝑢𝑙𝑔. Si vemos en el catálogo del producto, las medidas para esta tubería son: Tabla 2.7: Detalles de la tubería para aire. Fuente: Catálogo Alsisac Medida Unidad Valor Material A53 Diámetro nominal Pulg. 4 Diámetro exterior Pulg(mm) 4.5 (114.3) Espesor de pared mm 6.02 Peso nominal Kg/m 16.07 b) Diámetro de tubería para gas El estudio del flujo compresible a través de tuberías resulta algo complejo; ya que, cuando los gases fluyen a través de un conducto, la pérdida de presión resulta en una expansión del gas. Esto implica que su densidad se verá reducida; además, la misma fricción que genera el fluido provoca un aumento gradual en la temperatura del gas lo que también reduce dicha densidad. Esta variación en la densidad del fluido a través de toda la longitud de la tubería causa que el número de Reynolds, el factor de fricción, y la presión varíen. Se utilizará la fórmula de Spitzglass para realizar el cálculo en tuberías que trabajan a más de 1 psig, se debe aclarar que todos los valores están en unidades inglesas: 𝑠𝑐𝑓ℎ = 3410 × 𝐽√ 𝑃1 2−𝑃2 2 𝐺×𝐿 ó (𝑃1 2 − 𝑃2 2) = ( 𝑠𝑐𝑓ℎ 3410×𝐽 )2𝐺 × 𝐿 (2.29) Donde: 𝐽 = √ 𝑑5 1+0.03𝑑+3.6𝑑 , donde d está en pulgadas 67 En el caso del suministro de gas natural, se sabe que el valor de G = 0.6072, la longitud de la tubería es 10m (32.8 ft) y el flujo volumétrico es 𝑣𝑓 = 0.015 𝑚3 𝑠 (1900 𝑓𝑡3 ℎ𝑟 ). La presión de ingreso es de 30psig y la máxima caída de presión debe ser de 25 psig. La solución requiere un procedimiento de prueba y error. Luego de una serie de evaluaciones se halló que el valor indicado es una tubería de 2 pulg. (𝑃1 2 − 𝑃2 2) = ( 21150 3410×3.67 )20.6 × 32.8 = 50.2 De la tabla se puede apreciar que la caída máxima de presión será hasta 29.5 psig. Por lo tanto este valor de diámetro de tubería cumple. Tabla 2.8: Detalles de la tubería para Gas Natural. Fuente: Catálogo Alsisac Medida Unidad Valor Material A53 Diámetro nominal Pulg. 2 Diámetro exterior Pulg(mm) 2.375 (60.3) Espesor de pared mm 5.54 2.5 Diseño de Estructura y elementos de unión 2.5.1 Verificación del espesor de las paredes del horno por resistencia Para analizar el efecto de la presión que soportan las paredes del horno y del cambio de temperatura que sufren las mismas se debe considerar el efecto combinado de los esfuerzos producidos y realizar una verificación por resistencia mecánica teniendo en cuenta el esfuerzo admisible del material en análisis. Para verificar el horno por resistencia se utilizarán los conceptos de recipientes de pared delgada y la fórmula de Von Mises, extraídas del libro Mecánica de materiales24, para obtener el esfuerzo equivalente. Las figuras 2.7 y 2.8 muestran los esfuerzos que se producen debido a la presión interna en las direcciones mostradas, cuyos valores se pueden obtener utilizando las ecuaciones 2.30 y 2.31. 68 Fig 2.7. Esfuerzo circunferencial y longitudinal. Fuente: ref.24 𝜎1 = 𝑝𝐷 2𝑡 (2.30) 𝜎2 = 𝑝𝐷 4𝑡 (2.31) Donde: σ1 y σ2: esfuerzos producidos por la presión interna en MPa. p: presión dentro del recipiente en MPa. D: diámetro del recipiente en mm. t: espesor de las paredes del recipiente en mm. Además de esos esfuerzos existe el esfuerzo debido al aumento en la temperatura, pues la temperatura en el interior del horno es elevada y genera un calentamiento en las paredes. Debido a esto se produce un esfuerzo que depende de la constante de elasticidad del material y de su coeficiente de dilatación térmica según se muestra en la ecuación 2.32. 𝜎𝑡𝑒𝑚𝑝 = 𝐸 ∗ 𝛼 ∗ ∆𝑇 (2.32) 69 Donde: σtemp: esfuerzo debido al cambio de temperatura en MPa. E: módulo de elasticidad del material en MPa. α: coeficiente de dilatación térmica en °C-1. ΔT: variación de temperatura entre el interior del horno y la temperatura ambiente en °C. Utilizando la expresión de Von Mises que se muestra reducida para este caso en la ecuación 2.33 se puede obtener el esfuerzo equivalente, el cual debe ser menor que el esfuerzo admisible. 𝜎𝑒𝑞 = √(𝜎1 + 𝜎𝑡𝑒𝑚𝑝) 2 + (𝜎2 + 𝜎𝑡𝑒𝑚𝑝) 2 − (𝜎1 + 𝜎𝑡𝑒𝑚𝑝)(𝜎2 + 𝜎𝑡𝑒𝑚𝑝) (2.33) Utilizando las ecuaciones mencionadas se puede verificar si el espesor de las paredes del horno permite que este trabaje de manera confiable. Los resultados se muestran en la tabla 2.9. Tabla 2.9: Verificación del espesor de paredes del horno (Elaboración propia) Verificación espesor paredes del horno E (Mpa) 210000 α (°C-1) 0.000012 Diámetro (mm) 1340 Espesor (mm) 6 Presión (MPa) 0.3 Temperatura (°C) 100 σ1 (MPa) 33.5 σ2 (MPa) 16.75 σtemp (MPa) 189 σeq (MPa) 214.62 σf (MPa) 250 Verificación OK 70 2.5.2 Verificación del eje de giro del horno a) Verificación por Resistencia Para realizar la verificación del eje de giro del horno primero se debe saber que fuerza soporta cada eje. Como se observa en la figura 2.10, el brazo que controla el movimiento del horno tiene tres puntos de aplicación de fuerza: el peso del horno, la fuerza en el cilindro y la fuerza en el eje. En la figura 4 se observa el DCL del brazo para poder determinar la fuerza que soporta el eje. Fig. 2.8 Brazo de giro del horno. (Elaboración propia) Fig. 2.9 DCL brazo. (Elaboración propia) Estableciendo la condición de equilibrio en el brazo se puede obtener el valor de la fuerza que soporta el eje utilizando las ecuaciones 2.34 y 2.35. 𝐹1 − 𝐹2 = 𝑊 2 (2.34) 𝑤 2 ∗ 𝑙 = 𝐹1 ∗ 𝑙 2 (2.35) W/2 F2 F1 71 Donde: F1: fuerza que ejerce el pistón sobre el brazo en N. F2: fuerza que soporta el eje de giro en N. W: peso que realiza la rotación en N. De las ecuaciones 2.34 y 2.35 se pueden obtener que la fuerza que ejerce el cilindro pistón es igual al peso W y que la fuerza que soporta el eje es igual a la mitad del peso. Con este valor ahora se debe realizar el DCL del eje, mostrado en la figura 2.12, para poder determinar las reacciones en los soportes utilizando las ecuaciones 2.36 y 2.37. Fig 2.10 DCL eje. (Elaboración propia) 𝑊 2 + 𝑅2 = 𝑅1 (2.36) 𝑅2 ∗ 𝑙 = 𝑅1 ∗ 𝑙 2 (2.37) Donde: R1: reacción en el rodamiento 1 en N. R2: reacción en el rodamiento 2 en N. W: peso que realiza la rotación en N. De las ecuaciones 2.36 y 2.38 se puede obtener que R1 es igual al peso W y la reacción R2 es igual a la mitad del peso. Con estos valores se procede a dibujar los diagramas de fuerzas internas del eje, tanto el de fuerza cortante como el de momento flector. Fig 2.11 Diagrama de Fuerzas Cortantes. (Elaboración propia) W/2 R2 R1 72 Fig 2.12 Diagrama de Momentos flectoes. (Elaboración propia) Con los diagramas obtenidos se puede proceder a realizar el cálculo del diámetro del eje necesario para que trabaje de manera confiable. Para realizar este cálculo se seguirá los pasos descritos en la guía del curso Elementos de Máquinas 1 25. En un primer paso se realizará un cálculo aproximado del diámetro del eje para posteriormente verificar si es el adecuado. Se utilizará la ecuación 2.38 para realizar la aproximación, esta expresión es utilizada para ejes giratorios cuando se tiene los diagramas de fuerzas internas. 𝜎𝑓𝑎𝑑𝑚 = 𝜎𝑓𝑎𝑙𝑡 𝐹𝑆 (2.38) Donde: σf: esfuerzo de flexión al que está sometido el eje en Mpa. σfalt: esfuerzo de flexión alternante admisible que depende del material en MPa. (En este caso es de 220 MPa). FS: factor de seguridad recomendado, se considerará un valor de 5 que está dentro del rango recomendado. El esfuerzo de flexión se puede determinar usando la ecuación 2.39 que relaciona este valor con el momento flector y el diámetro del eje. Reemplazando los valores que se han obtenido en las ecuaciones 2.37 y 2.39 se puede obtener una expresión para estimar el diámetro del eje de manera directa, esta expresión se muestra en la ecuación 2.40. 𝜎𝑓 = 32∗𝑀𝑓 𝜋∗𝑑3 (2.39) 𝑑 = √ 8∗𝑊∗𝑙∗𝐹𝑆 𝜎𝑓𝑎𝑙𝑡∗𝜋 3 (2.40) Donde: Mf: momento obtenido del diagrama de momentos flectores del eje en N.mm. d: diámetro del eje en mm. l: longitud del eje en mm. 73 El valor obtenido para el diámetro se muestra en la tabla 2.10 y su valor es de 62 mm, pero se usara un múltiplo de 5 que sería 65 mm. Ahora se procede a realizar la verificación del eje considerando el valor obtenido para el diámetro. Tabla 1.10. Cálculo aproximado del diámetro del eje. (Elaboración propia) Masa a girar (kg) 1000 Gravedad (m/s2) 9.81 Peso (N) 9810 Longitud eje (mm) 425 F1 (N) 9810 F2 (N) 4905 R1 (N) 9810 R2 (N) 4905 esf alt (MPa) 260 FS 5 esf adm (MPa) 52 d (mm) 62 b) Verificación por fatiga Para realizar la verificación por resistencia a la fatiga se tendrán dos consideraciones. Se despreciará el efecto de la fuerza cortante y con esto el eje está sometido únicamente a esfuerzos de flexión alternante. Como el esfuerzo en el eje es alternante, el valor medio de este sería cero y el valor alternante sería igual a todo el esfuerzo. La verificación consiste en determinar un factor de seguridad y verificar que sea mayor a 1.8. Para determinar el factor de seguridad se utilizarán las ecuaciones 2.41, 2.42, 2.43 y 2.44. 𝐹𝑆𝑓𝑎𝑡 = 𝜎𝑓𝑎𝑙𝑡 𝜎𝑒𝑞𝑎 ′ (2.41) 𝜎𝑒𝑞𝑎 ′ = 𝜎𝑓𝑎 ′ (2.42) 𝜎𝑓𝑎 ′ = 𝛽𝑓 𝐶𝑠∗𝐶𝑡∗𝐶𝑡𝑒𝑚𝑝 ∗ 𝜎𝑓𝑎 (2.43) 𝜎𝑓𝑎 = 32∗𝑀𝑓 𝜋∗𝑑3 (2.44) 74 Donde: FSfat: factor de seguridad a la fatiga. σfatl: esfuerzo de flexión alternante admisible en MPa. σ’eqa: esfuerzo equivalente aumentado en MPa. σ’fa: esfuerzo de flexión alternante aumentado en MPa. σfa: esfuerzo de flexión en MPa. βf: coeficiente efectivo a la flexión (cuyo valor es 1.3). Cs: coeficiente de superficie (en este caso 0.9). Ct: coeficiente de tamaño (en este caso es 0.68). Ctemp: coeficiente de temperatura (en este caso es 1). Mf: momento flector en N.mm. d: diámetro del eje en mm. Con los valores del eje en análisis se obtienen los resultados que se muestran en la tabla 2.11 y se puede notar que el eje trabajará de manera confiable durante su funcionamiento. Tabla 2.11. Verificación del eje por fatiga. (Elaboración propia) esf alt limite (MPa) 260 βf 1.3 Cs 0.9 Ct 0.68 Ctemp 1 d (mm) 65 Mf (N.mm) 1226250 esf flexion alt (MPa) 45.48 esf flexion aum (MPa) 96.61 FS 2.69 75 c) Verificación por flexión Esta verificación consiste en comprobar que la deformación lineal transversal en el eje no sobrepase los valores admisibles recomendados. Para este caso la deformación lineal admisible se da por metro de longitud del eje y su valor es de 0.5 mm por cada metro de longitud del eje. Para realizar esta verificación primero se debe obtener la deflexión máxima en el eje, como la configuración de apoyos no es común se realizará el cálculo siguiendo la definición de deflexión que se muestra en la ecuación 2.45. Esta relaciona la deflexión en el eje para cualquier posición x dentro de su longitud con el momento flector que se obtiene del diagrama de fuerzas internas. 𝑑2𝑣 𝑑𝑥 = − 𝑀(𝑥) 𝐸𝐼 (2.45) Donde: M(x): momento flector en el eje para toda posición x en N.mm. E: módulo de elasticidad del material (en este caso 2.1 x 105 MPa). I: momento de inercia del área transversal del eje en mm4. La ecuación del momento flector se obtiene del diagrama de fuerzas internas y es como se muestra en las ecuaciones 2.46 y 2.47. 𝑀 = 𝑊 2 𝑥 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 < 𝑥 < 𝑙/2 (2.46) 𝑀 = − 𝑊 2 𝑥 + 𝑊𝑙 2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙/2 < 𝑥 < 𝑙 (2.47) Donde: W: es la carga a la que esta sometida el eje en N. l: longitud del eje en mm. Reemplazando el valor del momento para cada tramo en la ecuación 2.45 se puede obtener la ecuación de la elástica para el eje considerando las condiciones que para x=0 y x=l/2 la deformación es cero y que el ángulo para x=l/2 debe ser el mismo por los dos lados. Como resultado se obtiene la curva elástica mostrada en las ecuaciones 2.48 y 2.49. 76 𝑣 = − 𝑊 12𝐸𝐼 𝑥3 + 𝑊𝑙2 48𝐸𝐼 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 < 𝑥 < 𝑙/2 (2.48) 𝑣 = + 𝑊 12𝐸𝑖 𝑥3 − 𝑊𝑙 4𝐸𝑖 𝑥2 + 7𝑊𝑙2 18𝐸𝐼 𝑥 − 41𝑊𝑙3 288𝐸𝐼 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙/2 < 𝑥 < 𝑙 (2.49) El valor de la deformación máxima, que se da para el valor de x igual a l, se muestra en la tabla 2.12; además se obtiene la deformación por unidad de longitud del eje para realizar la verificación requerida. Con el diámetro calculado anteriormente el eje fallaría por deflexión por ello se aumentará el diámetro a 76.4 mm para que el trabajo se realice de manera confiable. Tabla 2.12. Verificación del eje por deflexión. (Elaboración propia) Peso (N) 9810 Longitud (mm) 500 E (MPa) 210000 d (mm) 76.4 I (mm4) 2010619.3 v máx (mm) 0.23 v/l (mm/m) 0.46 verificación OK 2.5.3 Verificación estructura de soporte Para verificar que la estructura de soporte trabaje de manera confiable, se debe comprobar que los perfiles que la conforman resistan las fuerzas de compresión a las que están sometidas sin fallar por pandeo o fluencia. Por ello se debe realizar un análisis por pandeo de los perfiles siguiendo los pasos recomendados en el libro Resistencia de Materiales 226. En este caso se analizará el perfil sometido a la carga crítica que en este caso sería la mitad del peso total del horno y el quemador. En primer lugar se debe determinar el grado de esbeltez del perfil, que es una característica mecánica que relaciona la rigidez de la sección transversal del perfil con su longitud total. La ecuación 2.50 muestra como determinar el grado de esbeltez de una viga. 77 𝜆 = 𝐿𝑝 𝑖 (2.50) Donde: Lp: longitud equivalente de pandeo en mm. (para este caso Lp = 0.7L) i: radio de giro en mm. El grado de esbeltez relaciona la longitud equivalente de pandeo, que para este caso toma un valor igual la longitud total de la viga, y el radio de giro, que representa como se distribuye el área transversal de la viga alrededor de su eje centroidal. Para determinar el radio de giro se usará la ecuación 2.51 donde se observa que su valor depende del momento de inercia y del área de la sección transversal de la viga. 𝑖 = √ 𝐼 𝐴 (2.51) Donde: I: momento de inercia del área de la sección transversal en mm4. A: área de la sección transversal en mm2. Para el análisis de pandeo en elementos estructurales se utilizará el método omega el cual relaciona el esfuerzo de pandeo con el esfuerzo admisible mediante una constante que depende del grado de esbeltez. En las tablas del anexo 2.11 y 2.12 se muestra como varía el factor omega en función del grado de esbeltez y del tipo de acero de la viga. Una vez obtenido el coeficiente omega se procede a determinar el esfuerzo de fluencia admisible con la ecuación 2.52 para luego utilizar la ecuación 2.53 y verificar si la viga trabajará de manera confiable. 𝜎𝐹𝑎𝑑𝑚 = 𝜎𝐹 1.71 (2.52) 𝜔 𝐹 𝐴 ≤ 𝜎𝐹𝑎𝑑𝑚 (2.53) Donde: σF: esfuerzo de fluencia del material en kgf/mm2. F: carga a la que está sometida la viga en kgf. A: área de la viga en cm2. 78 El proceso de selección del perfil de la viga es un proceso iterativo que se realiza hasta que la viga seleccionada cumpla con la desigualdad mostrada en la ecuación 2.53. La iteración empieza eligiendo un perfil que tenga un momento de inercia que será calculado de manera aproximada usando la ecuación 2.54. Luego partiendo de este valor se procede a realizar las iteraciones usando las ecuaciones 2.52 y 2.53 hasta encontrar el perfil adecuado. En el caso del diseño el perfil será de tipo C cuyo material será el St37 con lo que se busca tener una mejor estabilidad y que la estructura trabaje de manera confiable. El proceso de iteración se muestra en la tabla 2.13. 𝐼 = 1.2 ∗ 𝐹 ∗ 𝐿 (2.54) Donde: I: momento de inercia en cm4. F: carga a la que está sometida la viga en toneladas. L: longitud de pandeo en metros. Tabla 2.13 Verificación viga por pandeo según método omega. (Elaboración propia) F (kgf) 1000 L (m) 2 I (cm4) 2.4 σFadm (kgf/mm2) 1400 Perfil A (cm2) i (cm) λ ω ωF/A verificación 30 x 15 2.21 1.07 187 5.91 2674.2 no 30 x 30 5.44 1.08 185 5.78 1062.5 ok 40 x 20 3.66 1.44 139 3.26 890.7 ok 50 x 25 4.92 1.85 108 2.07 421 ok Como se puede notar desde el perfil C 30 x 30 según DIN 1086 hacia adelante cumplirán con las exigencias de carga y trabajarán de manera confiable en la 79 estructura. Debido a economía se escoge el perfil C 40 x 20 pues tiene una sección transversal de menor tamaño y por ello es más económico. 2.5.4 Selección de rodamientos Para la selección de rodamientos se seguirá el procedimiento descrito en sección rodamientos de la guía del curso Elementos de Máquinas 125. Para ello se considerarán las cargas ya determinadas anteriormente en cada apoyo que para este diseño tienen únicamente componente de fuerza en la dirección radial. En un primer paso se determinarán las cargas sobre el rodamiento para poder determinar la carga dinámica equivalente sobre el rodamiento utilizando las ecuaciones 2.56 y 2.57. 𝑃 = 𝐹𝑟 𝑠𝑖 𝐹𝑎 𝐹𝑟 < 𝑒 (2.56) 𝑃 = 𝑋𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎 𝑠𝑖 𝐹𝑎 𝐹𝑟 > 𝑒 (2.57) Donde: Fr: fuerza radial sobre el rodamiento en N. Fa: fuerza axial sobre el rodamiento en N. X, Y, e: factores que dependen del tipo de rodamiento escogido y se obtienen de la tabla del anexo 2.13. Luego de determinar la carga dinámica se procede a seleccionar el tipo y tamaño del rodamiento. El diámetro del eje es de76.4 mm y eso es lo que determinará el tamaño del rodamiento, el cual será rígido de bolas de una hilera pues las solicitaciones de carga no son muy exigentes (solo existe carga en la dirección radial). Una vez elegido el rodamiento se procede a revisar el catálogo y obtener los valores de: capacidad de carga dinámica C, capacidad de carga estática C0, carga límite de fatiga Pu y algún factor adicional que sea necesario. Un siguiente paso es determinar el factor de confiabilidad a1 y el factor de contaminación nc que se obtienen de las tablas de los anexos 2.14 y 2.15, respectivamente. 80 Después se debe determinar el valor de la viscosidad requerida (v1) que se obtiene del anexo 2.16 con el diámetro medio del rodamiento y la velocidad de giro del eje. Con este valor se selecciona el aceite ISO adecuado considerando la temperatura de trabajo, para esto se utiliza el anexo 2.17 obteniéndose la viscosidad de funcionamiento. Finalmente con todos los valores determinados se utiliza el diagrama del anexo 2.17 para determinar el coeficiente askf utilizando como parámetros de entrada k = v/v1 y nc(Pu/P). Con todos los coeficientes conocidos se puede utilizar la ecuación 2.58 para determinar la vida del rodamiento en millones de revolución para luego convertirla a horas de funcionamiento y verificar que este valor se encuentre en el rango recomendado que para este caso es de 60 000 a 100 000 horas de funcionamiento. 𝐿𝑛𝑚 = 𝑎1 ∗ 𝑎𝑠𝑘𝑓 ∗ (𝐶/𝑃) 3 (2.58) Los resultados de la selección de los rodamientos se muestran en la tabla 2.15siendo los rodamientos elegidos el 6016 y el 61916 con un diámetro interno de 80 mm y diámetros externos de 125 mm y 110 mm, respectivamente. Tabla 2.14. Selección de rodamientos. (Elaboración propia) Datos rodamiento Factores Carga a1 (95%) 0.62 Fuerza radial (N) 9810 Modelo 6016 nc (gran limpieza) 0.9 Fuerza axial (N) 0 C (N) 49400 v1 (mm 2/s) 105 P (N) 9810 C0 (N) 40000 n (rpm) 100 Pu (N) 1660 v (mm 2/s) 100 Cálculo vida d (mm) 76.4 K 0.952 Lnm (millones de rev) 396 D(mm) 125 nc*Pu/P 0.152 Lnmh (horas) 65976 askf 5 81 Datos rodamiento Factores Carga a1 (95%) 0.62 Fuerza radial (N) 4905 Modelo 61916 nc (gran limpieza) 0.9 Fuerza axial (N) 0 C (N) 25100 v1 (mm 2/s) 95 P (N) 4905 C0 (N) 20400 n (rpm) 100 Pu (N) 1020 v (mm 2/s) 100 Cálculo vida d (mm) 76.4 K 1.053 Lnm (millones de rev) 374 D(mm) 110 nc*Pu/P 0.187 Lnmh (horas) 62310 askf 4.5 2.5.5 Verificación cordón de soldadura del horno Para realizar la verificación del cordón de soldadura se seguirán los procesos descritos en la sección uniones soldadas del libro Elementos de Máquinas 1 25. Se realizará el análisis siguiendo el procedimiento para cálculo de uniones soldadas en elementos estructurales. Para comenzar con el análisis primero se debe definir el espesor del cordón de soldadura, este depende del espesor de las planchas que se están soldando que en este caso es de 5 mm. El valor máximo se obtiene utilizando la ecuación 2.59 y el valor mínimo se saca de la tabla 2.16. 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 0.7𝑡 (2.59) Donde a: espesor en la garganta del cordón de soldadura en mm. t: espesor mínimo de la plancha a soldar en mm. Tabla 2.15. Espesor de cordón de soldadura. (Ref. 25) t (mm) amin (mm) 4 a 7 2.5 7.1 a 8.4 3 8.5 a 9.9 3.5 10 a 12 4 12.1 a 13.4 4.5 13.5 a 15.5 5 15.6 a 18.3 5.5 82 Como el espesor de las planchas es de 5 mm el espesor máximo en la garganta es de 3.5 mm y el mínimo es de 2.5 mm. Con el rango establecido el espesor en la garganta queda definido en 3 mm. Después de definir el espesor se procede a realizar la verificación considerando la presión ejercida por la presión interna en el horno y la debida al aumento en la temperatura que han sido definidas anteriormente. El cálculo se realizará siguiendo el Eurocódigo 3; el cual define los esfuerzos en el plano del cateto n, tn y ta; y los relaciona con los esfuerzos en el plano de la garganta. Esta relación se muestra en las ecuaciones 2.60, 2.61 y 2.62. 𝜎𝑛 = 𝑛+𝑡𝑛 √2 (2.60) 𝜏𝑛 = 𝑛−𝑡𝑛 √2 (2.61) 𝜏𝑎 = 𝑡𝑎 (2.62) Donde 𝜎𝑛: Esfuerzo normal en el plano de la garganta en MPa. 𝜏𝑛: Esfuerzo cortante transversal en el plano de la garganta en MPa. 𝜏𝑎: Esfuerzo cortante axial en el plano de la garganta en MPa. n: esfuerzo normal en el plano del cateto en MPa. tn: esfuerzo cortante transversal en el plano del cateto en MPa. ta: esfuerzo cortante axial en el plano del cateto en MPa. Con los esfuerzos presentes en el plano de la garganta se puede determinar el esfuerzo equivalente utilizando la ecuación 2.63 para después verificar que se cumplan dos condiciones mostradas en las ecuaciones 2.64 y 2.65. 𝜎𝑒𝑞 = √𝜎𝑛2 + 3 ∗ (𝜏𝑛2 + 𝜏𝑎2) (2.63) Condiciones: 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝜎𝐵 𝛽𝑤∗𝛾𝑀𝑊 (2.64) 𝜎𝑛 ≤ 0.9 𝜎𝐵 𝛾𝑀𝑊 (2.65) 83 Donde 𝜎𝐵:esfuerzo máximo del material del cordón de soldadura en MPa. 𝛽𝑤: factor que depende del material. (en este caso 0.9) 𝛾𝑀𝑊: Factor de seguridad de la unión. (en este caso 1.25) Después de reemplazar los valores del presente diseño se obtienen los resultados mostrados en la tabla 2.17 donde se realiza la verificación del cordón de soldadura . Tabla2.16: Verificación esfuerzos en la garganta del cordón de soldadura. (Elaboración propia) n (MPa) 222.5 tn (MPa) 16.75 ta (MPa) 0 σn (MPa) 169.18 ζn (MPa) 145.49 ζa (MPa) 0 σeq (MPa) 303.51 FS 1.25 βw 0.9 σB (MPa) 355 Material S355 Condicion 1 315.6 Condicion 2 255.6 Verificación OK 2.5.7 Selección del cilindro hidráulico El cilindro hidráulico tiene como función generar el movimiento rotatorio del horno, para ello debe tener una presión que produzca la fuerza necesaria para girar el horno. Por ello un primer cálculo es determinar esa presión considerando la fuerza previamente calculada y el área del cilindro relacionándolos mediante la ecuación 2.66. 84 𝑃 = 𝐹 𝐴 (2.66) Dónde: P: presión en el interior del cilindro durante la expansión en MPa. F: fuerza necesaria para girar el horno en N. A: área del pistón, determinada con la ecuación 2.67, en mm2. 𝐴 = 𝜋𝐷2 4 (2.67) Dónde: D: diámetro del cilindro en mm. Una vez determinada la presión del cilindro hidráulico es necesario verificar que el vástago no falle por pandeo. Para esta verificación se utilizará el método europeo siguiendo los pasos de la guía del curso Resistencia de materiales 2. Un primer paso, al igual que en la verificación por pandeo de la estructura, es determinar el radio de giro y el grado de esbeltez del vástago utilizando las ecuaciones 2.50 y 2.51. Luego dependiendo del valor del grado de esbeltez se procede a determinar el esfuerzo límite utilizando la ecuación 2.68. 𝜎𝐿𝑖𝑚 = { 𝜎𝐹 𝑠𝑖 𝜆 ≤ 60 𝑎1 − 𝑎2𝜆 𝑠𝑖 60 ≤ 𝜆 ≤ 100 𝜋2𝐸 𝜆2 𝑠𝑖 𝜆 ≥ 100 …………………… (2.68) 𝑎1 = 2.5𝜎𝐹 − 1.5 ∗ 10 −4𝜋2𝐸 ………………………….. (2.69) 𝑎2 = 0.025𝜎𝐹 − 2.5 ∗ 10 −6𝜋2𝐸 …………………..…….. (2.70) Una vez determinado el esfuerzo límite se procede a realizar la verificación del vástago por pandeo mediante la ecuación 2.71 considerando un factor de seguridad de 3. 𝐹 𝐴𝑣 ≤ 𝜎𝐿𝑖𝑚 𝐹𝑆 ………………………………………… (2.71) 85 Donde: F: fuerza sobre el cilindro en N. Av: área de la sección del vástago en mm2, se determina mediante la ecuación 38 utilizando el diámetro del vástago. FS: factor de seguridad. Los resultados de la selección del cilindro se muestran en la tabla 2.18 de donde se puede concluir que el cilindro hidráulico tiene un diámetro de pistón de 40 mm, un diámetro de vástago de 25 mm una carrera de 1000 mm y soporta una presión de trabajo de hasta 100 bar. Este cilindro es de la marca Roemheld modelo B12811. Tabla 2.17. Selección cilindro hidráulico. (Elaboración propia) Presión trabajo F (N) 9810 D (mm) 40 A (mm2) 1256.64 P (MPa) 7.81 P (bar) 78.07 Vástago L (mm) 1000 d (mm) 25 A (mm2) 490.87 I (mm4) 19174.8 i (mm) 6.25 λ 160 σLim (MPa) 80.96 σ (MPa) 19.98 FS 3 σadm (MPa) 26.99 Verificación OK 86 CAPÍTULO 3 PRESUPUESTO DEL PROYECTO 3.1 Elementos a considerar en el cálculo de costos Los elementos fundamentales, que componen el equipo para la fundición de aluminio, se pueden agrupar en cuatro grandes grupos: Sistema de combustión, Materiales constructivos para la cámara de combustión, Elementos estructurales y Equipo de control y seguridad. La razón por la cual se ha subdividido de esta manera a los elementos constituyentes del horno basculante es debido a la función que realizan. El primer grupo de elementos está encargado de suministrar el combustible (gas natural) y el comburente (aire); por ende son los que aportan el flujo de calor necesario (energía) para fundir el aluminio. El segundo grupo se encarga de la recepción y retención de dicho calor dentro de un espacio confinado; así mismo, se ocupan de aislar las elevadas temperaturas que intervienen en este proceso evitando las posibles daños en la salud de los operarios de la fundición y mejorando sus condiciones de trabajo. Por último, el tercer grupo de materiales son aquellos que sirven de soporte a todos los elementos antes mencionados y permiten el giro de la cámara de combustión (basculación) para verter el metal derretido una vez que haya alcanzado la temperatura de colada. Además, existe un equipo auxiliar que se encarga del control de todos los parámetros de funcionamiento (tiempo, temperatura, inicio de la ignición, apagado del sistema, etc) este equipo auxiliar es el tablero electrónico. 87 A continuación se hace un recuento de dichos elementos: - Sistema de combustión: Quemador de gas de alta velocidad con una potencia de operación: [85 kW – 590 kW] Sistema piloto para iniciar la combustión Válvulas reguladoras de presión y de seguridad Válvulas reguladoras de ratio Soplador de aire de combustión (aire frío) con una capacidad de 600 m3/hr y una presión máxima de 6kPa Tubería de Acero ASTM A36 de 4” de diámetro nominal para transporte de aire Tubería de Acero ASTM A36 de 2” de diámetro nominal para transporte de gas Junta rotativa de Aire Junta rotativa de gas - Materiales Constructivos de la cámara de combustión Ladrillo refractario aislante K-23: 9”x 41/2”x 21/2” Manta cerámica de 96 kg/m3 de densidad Crisol de SiC (carburo de silicio) para 600kg Pico de SiC Base de SiC - Elementos estructurales Plancha de acero estructural ASTM A36 de 1520mm x 2400mm x 6.4mm Vigas estructurales tipo C 40 x 20 Rodamientos Ejes de 75mm de diámetro Pistones Hidráulicos Bomba Hidráulica - Tablero Eléctrico 88 3.2 Cálculo de costos relativos al diseño del equipo Se desea realizar el cálculo de los costos totales para el diseño del equipo por ende será necesario estimar las cantidades necesarias de cada elemento. Estas cantidades serán multiplicadas por su valor unitario obtenido en la cotización que se puede apreciar en el anexo 3.1. Finalmente, será necesario el cálculo del costo de combustible (gas natural) a partir de la cantidad necesaria para realizar la primera fundición del día; es decir, el encendido del horno desde una temperatura fría. Por otra parte, la provisión de gas natural se encuentra garantizada de la red de distribución de Lima Metropolitana y por ello solo será necesario el cálculo del consumo mensual de combustible considerando que se realiza una fundición por día. Tabla 3.1: Costos de Elementos Constructivos para cámara de combustión. Elaboración Propia Elementos Constructivos de la cámara de combustión Descripción Cantidad Precio Unitario ($) Importe ($) LADRILLO AISLANTE K-23 80 3.50 280.00 LADRILLO DIVIDIDO 1 ¼” 80 2.52 201.60 PLÁSTICO REFRACTARIO 12 22.00 264.00 MANTA KAOWOOL HP 1260 10 100.00 1000.00 CRISOL TP 587 DE 600KG 1 1937.50 1937.50 PICO DE SiC 1 662.50 662.50 BASE DE SiC 1 162.50 162.50 Precio Total ($) 4508.10 Las siguientes tablas son las referentes al sistema de combustión. Se ha subdividido este grupo entre equipos, válvulas, reguladores, accesorios y tuberías 89 Tabla 3.2: Equipos del sistema de combustión. Elaboración Propia Tabla 3.3: Válvulas del sistema de combustión. Elaboración Propia Válvulas del Sistema de combustión Descripción Cantidad Valor Unitario ($) Importe ($) Válvula de bola 1 120.00 120.00 Válvula aguja 2 60.00 120.00 Válvula alivio presión 1 1,104.00 1104.00 Válvulas Seguridad 2 1,402.00 2804.00 Válvula bola 1 120.00 120.00 Válvula limitadora 1 558.00 558.00 Válvula mariposa 1 1,314.00 1314.00 Precio Total ($) 6140.00 Tabla 3.4: Reguladores del sistema de combustión. Elaboración Propia Reguladores del sistema de combustión Descripción Cantidad Valor Unitario ($) Importe ($) Regulador presión/gas 1 1750.00 1750.00 Regulador ratio 1 1173.00 1173.00 Motor de control 1 2925.00 2925.00 Precio Total ($) 5848.00 Equipos del Sistema de combustión Descripción Modelo Precio Unitario ($) Quemador de alta velocidad TEMPEST 4442 - 2 3494.40 Ventilador centrífugo SERIES 2300 2316 – 26/1 8160.00 Precio total ($) 11654.40 90 Tabla 3.5: Tuberías del sistema de combustión. Elaboración Propia Por último, se mostrará una tabla que resume los precios para los elementos estructurares: Tabla 3.6: Costos de Elementos Estructurales Resumen de Elementos Estructurales Descripción Cantidad Precio Unitario ($) Importe ($) PLANCHA A36 1520 x 2400 x 6.4 2 1950.00 3900.00 VIGAS TIPO C A36 40 x 20 4 75.00 300.00 RODAMIENTOS 4 135.00 540.00 EJES Ø 3” 2 450.00 900.00 PISTÓN HIDRÁULICOS 2 2275.00 4550.00 BOMBA HIDRÁULICA 1 2850.00 2850.00 Precio Total ($) 13036.00 El costo aproximado para la fabricación del equipo diseñado es el resultado de la suma de todos los montos calculados líneas arriba; es decir: $41278.00. Ha este monto todavía hay que incluirle el costo de algunos servicios y de la mano de obra para la fabricación, montaje y acabado. Tuberías par a suministro de aire y gas Descripción Cantidad Valor Unitario ($) Importe ($) Tubería de Acero A36 de 4” de diámetro y 2m de longitud 2 1300.00 2600.00 Tubería de Acero A36 de 2” de diámetro y 1.5m de longitud 4 500.00 2000.00 Precio Total ($) 4600.00 91 A continuación se agregará una tabla resumen en donde se aprecian cada uno de los costos mencionados tomando como referencia la experiencia dentro de una empresa especializada en sistemas de combustión (los montos se encuentran expresados en dólares americanos): Tabla 3.7: Gastos de Fabricación, Montaje y Acabado. Elaboración Propia Finalmente, luego de incluir todos los costos involucrados para la realización del proyecto, el monto para la fabricación total del horno asciende al valor de $57,712.93. En el anexo 3.1 se muestra un presupuesto elaborado por una empresa especialista en sistemas de combustión. Fabricación Montaje Total 1 PERSONAL 10,854.18 1,386.95 12,241.13 2 CONSUMIBLES 2,063.90 - 2,063.90 3 EQUIPOS DE PROTECCIÓN PERSONAL (EPP) 302.16 - 302.16 4 DEPRECIACIÓN DE HERRAMIENTAS 216.71 72.24 288.95 5 SERVICIOS 610.79 928.00 1,538.79 Alquiler de Grua Pluma 3T (Lima) - 224.00 224.00 Pruebas NDT 610.79 - 610.79 Prueba de Hermeticidad - 200.00 200.00 Homologación de Soldadores (2) - 504.00 504.00 92 3.3 Cálculo del costo de energía (gas natural) En el anexo 3.2 se puede ver el pliego tarifario del servicio de distribución de gas natural. Para este ejemplo, se ha asumido que la empresa que posea el equipo está dentro de la categoría B. A continuación se resumen las tarifas: Tabla 3.8: Pliego Tarifario del gas Natural para categoría B. Fuente: Calidda a) Cálculo aproximado del consumo mensual En el capítulo anterior se vio que el consumo de gas era de mc = 0.015 m 3/s o lo que es igual a 54 m3/hr. Si se considera un tiempo de 2 horas para realizar el proceso desde que se prende el horno a temperatura ambiente se obtiene un consumo total de 108 m3. Consumo mensual = 108 x 20 = 2160 m3 b) Facturación de Gas Natural Asumimos un tipo de cambio de S/. 3.30 / US$ por lo que nuestro precio del gas es: PG = 3.1627 x 3.30 = S/. 10.437 / GJ Si se multiplica por la cantidad de GJ consumido: Cantidad de GJ = 39.9258 MJ/m3 x 2160 m3 = 86.24 GJ PGfinal = 10.437 x 86.24 = S/.900.05 c) Tarifa de transporte de la red privada Nuevamente calculamos el valor de esta tarifa en la moneda nacional y obtenemos TT.RP = 37.6692 x 3.30 = S/. 124.31 / 1000 m3 TT.RPfinal = 124.31 x 2160 / 1000 = S/. 268.51 Tarifas únicas de distribución Margen fijo S/. x Cliente mes 77.0807 Margen Variable S/. / 1000sm3 199.0582 Gas y Transporte Precio del gas (BP) S/. / GJ 3.1627 x TC Tarif. De Trans S/. / 1000sm3 37.6692 x TC 93 d) Otras Redes Aquí se le agrega el cargo fijo y la facturación de distribución de otras redes FD.OR = (199.0582 x 2160 / 1000) + 77.0807 = S/. 507.05 Sumando todos estos valores se obtiene un total de S/. 1675.64 por un consumo de 2160 m3 durante un mes. Si queremos sacar el valor por proceso de fundición, simplemente se deberá realizar una regla de tres (para 108 m3) y se obtiene: Costo Gas x Proceso = S/. 83.78 Este valor representa un ahorro de alrededor del 27% si se considera que para realizar el proceso utilizando GLP se necesitarán alrededor de 45 kg de dicho combustible cuyo valor en el mercado está en S/. 115.00 en promedio. 94 CONCLUSIONES 1. El presente diseño cumple con el objetivo principal de fundir 600kg de aluminio reciclado en el periodo de 1 hora. Esto se garantiza haciendo el cálculo de la potencia térmica necesaria que debe poseer todo el sistema de combustión para contrarrestar las pérdidas de calor que se presentan durante el proceso. Además, se utilizó como referencia el uso de gas natural como combustible para realizar los cálculos de la reacción; y, de esa manera, poder conocer el consumo de todo el sistema. 2. La estructura que sirve de apoyo al horno tiene las siguientes dimensiones: 2200mm de ancho x 1600mm de largo x 1170mm de altura. Se utilizaron perfiles C de acero estructural A36 para su fabricación; también se verificó que el espesor necesario (mínimo) de todos los cordones de soldadura es de 5mm. De esta manera, la estructura podrá soportar el peso crítico del equipo (esto ocurre cuando el horno se encuentra completamente cargado) el cual es 2000kg. 3. Como se ha mencionado en el último capítulo, todos los elementos del equipo diseñado se pueden reunir en 4 grandes grupos. El primero, el sistema de combustión (quemador de gas, válvulas reguladoras –presión, caudal y seguridad-, soplador de aire y tuberías de suministro de aire y gas); en segundo lugar se encuentra la cámara de combustión (plancha de acero, material aislante, crisol y accesorios de SiC y ladrillo refractario); el tercer grupo son los elementos estructurales (vigas tipo C, rodamientos, ejes y pistones) y por último el equipo de control y seguridad (tablero eléctrico). 4. El componente principal es un quemador con cabezal refractario y de alta velocidad con una capacidad de 85 kW – 590 kW dicho rango de potencias será regulado por la cantidad de aire que ingresa a la válvula de ratio y que controlará el paso de combustible hacia el quemador. Este amplio rango de potencias se debe a que una vez que el horno haya alcanzado su temperatura de trabajo, la cantidad de energía necesaria se ve reducida considerablemente pudiendo adecuarse a diversos requerimientos de fundición tanto como para temperaturas inferiores a los 760°C como también algo superiores (hasta los 850°C). 95 5. Para el caso del aislamiento instalado dentro de la cámara de combustión se requiere un espesor de 127 mm (5”) a fin de evitar que la temperatura de la cara fría del horno llegue o supere los 100°C (caso más crítico). Los cálculos han demostrado que para el tiempo que demora el proceso el flujo de calor que atraviesa las paredes no permitirá llegar siquiera a esa temperatura y lo más probable es que esta se encuentre alrededor de los 50°C que otorga unas mejores condiciones de trabajo para los operarios de fundición. 6. La eficiencia de este equipo está alrededor del 40% (considerando: cantidad de energía útil / cantidad de energía que ingresa). A pesar de lo que se pueda pensar, este valor de eficiencia es positivo si tomamos como referencia los hornos que existen en el mercado nacional para fundición cuyos procesos de diseño y fabricación no siguen los principios de ingeniería y están basados en conocimientos empíricos. 7. Debido a que los gases de combustión que salen por la chimenea todavía poseen una cantidad considerable de calor es lógico pensar que es posible reducir el consumo de combustible (y por ende aumentar la eficiencia del equipo) si algo de ese calor es recuperado ya sea para realizar el mismo proceso o para realizar tantos otros. Por ello, se abre la posibilidad de realizar proyectos para recuperar dicho calor mediante tres diferentes clases de métodos: precalentamiento de la carga, generación de vapor o precalentamiento del aire de combustión. 8. El presupuesto total del sistema (que incluye: diseño de ingeniería, fabricación y montaje) asciende a US$ 57,712.93. Lo cual representa un 50% aproximadamente del costo de comprar un horno de fundición disponible en el mercado (y que provienen del extranjero). De esta manera, se demuestra que el presente diseño no tiene un costo elevado y simboliza un ahorro sustancial para pequeñas empresas que piensen dedicarse al reciclaje de aluminio. Más aún, el uso de Gas Natural representa también un ahorro del 27% frente al uso de GLP lo que supone ser otra ventaja competitiva. 96 BIBLIOGRAFÍA 1.- International Aluminium Institute 2015, Production Reporting Guidelines. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Página web: < http://www.world- aluminium.org/publications/> 2.- Chang 2014 Fundamentos de Química, McGrawHill. 3.- COMEX Nosis 2013 Comercio Exterior de Perú de NCE aluminio y sus manufacturas. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Página web: < http://trade.nosis.com/es/Comex/Importacion- Exportacion/Peru/aluminio-y-sus-manufacturas/PE/76> 4.- Ministerio de la Producción 2010 3.4.4 Productos Importados. Fecha de consulta: 26 de agosto del 2015. Página web:< http://www2.produce.gob.pe/RepositorioAPS/2/jer/SECTPER F MAN/2720.pdf> 5.- Ref. 3 6.- Proexpansión 2008 La producción de la basura en Perú crece más rápido que su economía. Fecha de consulta: 30 de Agosto del 2015. Página web: 7.- Hufnagel, W 1992 Manual del Aluminio. Reverté 8.- Real Academia Española 2014 Diccionario de la Lengua Española. Fecha de consulta: 15 de Septiembre del 2015. Página web: 9.- Rosero, B 2006 Diseño de un horno de crisol basculante para el laboratorio de fundición del departamento de materiales de la escuela politécnica nacional. Proyecto previo a la obtención del título de ingeniero mecánico. Quito: Escuela Politécnica Nacional. Escuela de Ingeniería 97 10.- Nabertherm 2014 Melting and Holding Furnaces. Fecha de consulta: 20 de Septiembre del 2015. Páqina web < http://www.nabertherm.com/produkte/details/en/giesserei_sch melz-und-warmhalteoefen> 11.- Flores, E 2014 Diseño y construcción de un horno de crisol para aleaciones no ferrosas. Tesis de licenciatura en Ciencias e Ingeniería con mención en Ingeniería Mecánica. El Salvador: Universidad de El Salvador. Facultad de Arquitectura e Ingeniería 12.- Seco-warwick 2007 Heat Treating Data Book 13.- North American 1996 North American Combustion Handbook. Vol. I 14.- North American 2003 North American Combustion Handbook. Vol. II 15.- Barriga, B 1985 Métodos de diseño en Ingeniería Mecánica. PUCP, Facultad de Ciencias e Ingeniería 16.- Minería Online 2008 Fundiciones y Refinerías más importantes del Perú. Fecha de consulta: 20 de Septiembre del 2015. Página web 17.- Trinks 1975 Hornos Industriales. Bilbao: Urmo 18.- Cengel, Y 2012 Transferencia de Calor y Masa. McGrawHill 19.- Cruz, R 2014 Transferencia de Calor: Guía para la exposición en Aula. PUCP, Facultad de Ciencias e Ingeniería 20.- Moran, M 2011 Fundamentals of Engineering thermodynamics. 7th Editon. Willey 98 21 – Mataix, C 1982 Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Segunda Edición. Alfaomega 22.- Barrantes, A 2015 Diseño energético de un incinerador para 700kg de residuos sólidos hospitalarios usando GLP. Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico. Lima: PUCP, Facultad de Ciencias e Ingeniería 23.- Timoteo, J 2006 Diseño de un horno tipo batch para secar madera. Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico. Lima: Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Mecánica 24.- Hibbeler, R. C 2011 Mecanica de Materiales. Prentice Hall. 25.- Paulsen, K 2015 Elementos de máquinas 1. PUCP 26.- Rodriguez, J 2013 Resistencia de Materiales 2. PUCP. 27.- Facultad de Ciencias e Ingenieria 2015 Soportes de tuberías [diapositivas]. Lima: PUCP. 28.- Ministerio de Energía y Minas 2015 Certificado de Entrega, reporte mensual de city gate de Lurín. Coga PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ Facultad de Ciencias e Ingeniería DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL PARA LA FUNDICIÓN DE 600 kg. DE ALUMINIO RECICLADO UTILIZANDO GAS NATURAL Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico, que presenta el bachiller: RICARDO PILLACA BURGA ASESOR: Enrique Barrantes Peña Lima, Mayo del 2016 1 ANEXOS Anexo 1.1: Propiedades de gas natural de camisea. Anexo 1.2: Porcentaje de almacenamiento de calor como indicador de un horno Anexo 2.1: Contenido de calor de los constituyentes de productos de combustión Anexo 2.2: Selección de crisol y cálculo del peso Anexo 2.3: Contenido de calor del aluminio a diferentes temperaturas Anexo 2.4: Ingreso bruto de calor necesario para balancear la pérdida de calor a través de las paredes del horno. Anexo 2.5: Coeficientes de radiación (emisividades) Anexo 2.6: Área efectiva de aberturas en hornos Anexo 2.7: Factor de corrección debido a temperaturas Anexo 2.8: Factor de corrección debido a presión Anexo 2.9: Diagrama de Moody Anexo 2.10: Pérdidas de presión en tuberías de acero Anexo 2.11: Pérdidas de presión en tuberías para transporte de gas a altas presiones Anexo 2.12: Coeficientes de pandeo Omega para aceros estructurales Anexo 2.13: Factores X, Y, e para rodamientos Anexo 2.14: Factores de confiabilidad Anexo 2.15: Factor de contaminación Anexo 2.16: Viscosidad requerida y real de funcionamiento Anexo 2.18: Cilindro Hidráulico Marca ROEMHELD. Anexo 2.19: Catálogo Plancha de Acero ASTM A36 Anexo 2.20: Catálogo y Propiedades de Manta Aislante Anexo 2.21: Catálogo de Quemador Marca Fives North American Anexo 3.1: Presupuesto solicitado a la empresa INSERCOMGAS S.A.C Anexo 3.2: Pliego tarifário de Gas Natural em Lima Metropolitana 2 Anexo 1.1: Propiedades del gas natural de camisea Fuente: Dirección General de Hidrocarburos – Minem 3 Anexo 1.2: Porcentaje de almacenamiento de calor como indicador de un horno Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 4 Anexo 2.1: Contenido de calor de los constituyentes de productos de combustión Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 5 Anexo 2.2: Selección de crisol y cálculo del peso  Selección del Crisol La mayoría de fabricantes de crisoles establecen una numeración para sus productos dependiendo de la capacidad de metal -en estado líquido- que puede caber en su interior. De esta manera, solo es necesario buscar dentro del catálogo el crisol que posea una capacidad igual o superior a la capacidad que necesitamos (600 kg.) En el catálogo de la compañía Mammut - wetro buscaremos un crisol con estas características: Fig. A.1. Selección de Crisol. Fuente: Mammut – Wetro Sin embargo, este tipo de crisol no cuenta con una piqueta que ayude a verter el metal una vez que haya llegado a su estado líquido. Es por eso, que dentro del mismo catálogo se selecciona un crisol nuevo que posea las mismas medidas que el anterior pero con el adicional de la piqueta. 6 En cuanto al material del crisol, este se seleccionará en base a las recomendaciones que proporciona el fabricante. En general, existen solo dos alternativas en cuanto al material que constituye el crisol: Grafito y Carburo de Silicio Se selecciona un crisol tipo TP hecho de carburo de silicio debido a que este material es el recomendado para trabajar en hornos que funcionan con gases de combustión y; además, de la calidad XO debido a que son los recomendados para la fundición de chatarra de aluminio 7  Cálculo del Peso del crisol Lastimosamente, el peso del crisol con el que se va a trabajar no es proporcionado en el catálogo del fabricante. Sin embargo, se puede realizar un cálculo aproximado. 8 Anexo 2.3: Contenido de calor del aluminio a diferentes temperaturas Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 9 Anexo 2.4: Ingreso bruto de calor necesario para balancear la pérdida de calor a través de las paredes del horno. Fuente: Trinks, W (1961). Industrial Furnaces. Vol 1 10 Anexo 2.5: Coeficientes de radiación (emisividades) Fuente: Çengel, Y. 1986. Heat Transfer. Mc Graw Hill 11 Anexo 2.6: Área efectiva de aberturas en hornos Fuente: Trinks, W (1961). Industrial Furnaces. Vol 1 Anexo 2.7: Factor de corrección debido a temperaturas Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 12 Anexo 2.8: Factor de corrección debido a presión Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 13 Anexo 2.9: Diagrama de Moody Fuente: Mataix, C. 1980. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas 14 Anexo 2.10: Pérdidas de presión en tuberías de acero Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 15 Anexo 2.11: Pérdidas de presión en tuberías para transporte de gas a altas presiones Fuente: North American Combustion Handbook Vol. 1 Anexo 2.12: Coeficientes de pandeo Omega para aceros estructurales Λ λ+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1.04 1.04 1.04 1.05 1.05 1.06 1.06 1.07 1.07 1.08 30 1.08 1.09 1.09 1.1 1.1 1.11 1.11 1.12 1.13 1.13 40 1.14 1.14 1.15 1.16 1.16 1.17 1.18 1.19 1.19 1.2 50 1.21 1.22 0.23 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 60 1.3 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.39 1.4 70 1.41 1.41 1.44 1.45 1.46 1.48 1.49 1.5 1.52 1.53 80 1.55 1.56 1.58 1.59 1.61 1.62 1.64 1.66 1.68 1.69 90 1.71 1.73 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.84 1.86 1.88 100 1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.05 2.07 2.09 110 2.11 2.14 2.15 2.18 2.21 2.23 2.27 2.31 2.35 2.39 120 2.43 2.47 2.51 2.55 2.6 2.64 2.68 2.72 2.77 2.81 130 2.85 2.9 2.94 2.99 3.03 3.08 3.12 3.17 3.22 3.26 140 3.31 3.36 3.41 3.45 3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 150 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.06 4.11 4.16 4.22 4.27 160 4.32 4.38 4.43 4.49 4.54 4.6 4.65 4.71 4.77 4.82 16 170 4.88 4.94 5 5.05 5.11 5.17 5.23 5.29 5.35 5.41 180 5.47 5.53 5.59 5.66 5.72 5.78 5.84 5.91 5.97 6.03 190 6.1 6.16 6.23 6.29 6.36 6.42 6.49 6.55 6.62 6.69 200 6.75 6.82 6.89 6.96 7.03 7.1 7.17 7.24 7.31 7.39 210 7.45 7.52 7.59 7.66 7.73 7.81 7.88 7.95 8.03 8.1 220 8.17 8.25 8.32 8.4 8.47 8.5 8.63 8.7 8.78 8.86 230 8.93 9.01 9.09 9.17 9.25 9.33 9.41 9.49 9.57 9.65 240 9.73 9.81 9.89 9.97 10.05 10.14 10.22 10.3 10.39 10.47 Λ λ+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 1.06 1.06 1.07 1.07 1.08 1.08 1.09 1.09 1.1 1.11 30 1.11 1.12 1.12 1.13 1.14 1.15 1.15 1.16 1.17 1.18 40 1.19 1.19 1.2 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 50 1.28 1.3 1.31 1.32 1.33 1.35 1.36 1.37 1.39 1.4 60 1.41 1.43 1.44 1.46 1.48 1.48 1.51 1.53 1.54 1.56 70 1.58 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 1.72 1.74 1.77 80 1.76 1.81 1.83 1.86 1.88 1.91 1.93 1.95 1.98 2.01 90 2.05 2.1 2.14 2.19 2.24 2.29 2.33 2.38 2.43 2.48 100 2.53 2.58 2.64 2.68 2.74 2.79 2.85 2.9 2.85 3.01 110 3.06 3.12 3.18 3.23 3.29 3.35 3.41 3.47 3.53 3.59 120 3.65 3.71 3.77 3.83 3.89 3.96 4.02 4.09 4.15 4.22 130 4.28 4.35 4.41 4.48 4.55 4.62 4.69 4.75 4.82 4.89 140 4.96 5.04 5.11 5.18 5.25 5.33 5.4 5.47 5.55 5.62 150 5.7 5.78 5.85 5.93 6.01 6.09 6.166 6.24 6.32 6.4 160 6.48 6.57 6.65 6.73 6.81 6.9 6.98 7.06 7.15 7.23 170 7.32 7.41 7.49 7.58 7.67 7.76 7.85 7.94 8.03 8.12 180 8.21 8.3 8.39 8.48 8.58 8.57 8.76 8.86 8.95 9.05 190 9.14 9.24 9.34 9.44 9.53 9.63 9.73 9.83 9.93 10.03 200 10.13 10.23 10.34 10.44 10.54 10.65 10.75 10.85 10.96 11.06 210 11.17 11.28 11.38 11.49 11.6 11.71 11.82 11.93 12.04 12.15 220 12.26 12.37 12.48 12.6 12.71 12.82 12.94 13.05 13.17 13.28 230 13.4 13.52 13.63 13.75 13.87 13.99 14.11 14.23 14.35 14.47 240 14.59 14.71 14.83 14.95 15.08 15.2 15.33 15.45 15.58 15.71 17 Fuente: Rodriguez, J (2014). Resistencia de Materiales 2. PUCP Anexo 2.13: Factores X, Y, e para rodamientos f0*Fa/C0 Juego normal CN Juego C3 Juego C4 e X Y e X Y e X Y 0.172 0.19 0.56 2.3 0.29 0.46 1.88 0.38 0.44 1.47 0.345 0.22 0.56 1.99 0.32 0.46 1.71 0.4 0.44 1.4 0.689 0.26 0.56 1.71 0.36 0.46 1.52 0.43 0.44 1.3 1.03 0.28 0.56 1.55 0.38 0.46 1.41 0.46 0.44 1.23 1.38 0.3 0.56 1.45 0.4 0.46 1.34 0.47 0.44 1.19 2.07 0.34 0.56 1.31 0.44 0.46 1.23 0.5 0.44 1.12 3.45 0.38 0.56 1.15 0.49 0.46 1.1 0.55 0.44 1.02 5.17 0.42 0.56 1.04 0.54 0.46 1.01 0.56 0.44 1 6.89 0.44 0.56 1 0.54 0.46 1 0.56 0.44 1 Fuente: Paulsen, K (2015). Elementos de Máquinas. PUCP Anexo 2.14: Factores de confiabilidad Fiabilidad % Probabilidad de fallo % Factor a1 90 10 1 95 5 0.62 96 4 0.53 97 3 0.44 98 2 0.33 99 1 0.21 Fuente: Paulsen, K (2015). Elementos de Máquinas. PUCP 18 Anexo 2.15: Factor de contaminación Fuente: Paulsen, K (2015). Elementos de Máquinas. PUCP 19 Anexo 2.16: Viscosidad requerida y real de funcionamiento Viscosidad requerida Viscosidad Real Fuente: Paulsen, K (2015). Elementos de Máquinas. PUCP 20 Anexo 2.17: Coeficiente askf Fuente: Paulsen, K (2015). Elementos de Máquinas. PUCP 21 Anexo 2.18: Cilindro Hidráulico Marca ROEMHELD 22 Anexo 2.19: Catálogo Plancha de Acero ASTM A36 23 Anexo 2.20: Catálogo y Propiedades de Manta Aislante 24 Anexo 2.21: Catálogo de Quemador Marca Fives North American 25 Anexo 2.22: Catálogo de Ventilador Marca Fives North American 26 Anexo 3.1: Presupuesto solicitado a la empresa INSERCOMGAS S.A.C 27 28 Anexo 3.2: Pliego tarifário de Gas Natural em Lima Metropolitana Fuente: Calidda 2203 12 34 Ø1339 2204 17 80 2386 710,81675,2 18 00 3486 22 01 3 2 1 60 8 45 39 37 40 36 35 26 25 27 1342434413 1617 1418 11 19 20 28 21 45 41 10 8 24 12 29 32 15 23 12 10 8 5 5352 5251 5146 56 56 58 57 50 49 4 54 55 1 56 38 59 34 10 48 2312 769 22 33 30 31 29 32 33 45 15 A-A ( 1:1 ) A-A 61 62 63 64 A A A-A ( 1:10 ) Ø1072 Ø615 Ø355 Ø440 5" 12 03 49 ,7 17 1,9 13 31 ,9 38 B B ( 1 : 5 ) 140 15 3 2 5 1/ 4" Ø48 Ø60 25 70 Ø684,5 Ø481 740 26 0, 7 12 24 69 012 6, 7 32 4 30 0 36 2, 7 11 6, 2 52 9 750 467 Ø1339 10 8 85 3, 5 395,4 23 2, 7 750 919,6 C C ( 1 : 5 ) 19 6 27 R12,5 11 2, 7 60,4 25 10 0 30,6 52 1 203 203 303 Ø862,7 34 8, 36 42 1,8 1211,5 70 15 5 Ø100 330 191 140 68 2, 6 38 13 2 25 8, 6 72 4, 9 D D ( 1 : 5 )16 13 9, 7 41 38 3 12 7 127 3816 E E ( 1 : 5 ) 52 ,5 22 11 0 768 ,5 Ø20 Ø18 ∅50 148,5 848,4 80 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 BJ ( 1:5 ) A A A-A ( 1:5 ) 550,5 475,6 601,7 1780 500 475,6 60834 2, 9 33 3, 3 30 9 10 09 ,5 19 0, 5 600 90 ,3 30° 11 68 33 3, 3 12 52 7, 8 35 0 44 7, 6 35 0 22 03 217 171 217 52 7, 8 32 B B ( 1 : 2 ) 13 9 139 20 3 203 55 0 41 0 26 7 430 16 9, 3 679 449 211 8,5 1024,4 192,4 ∅18x4 2203 15 8, 5 6 C C ( 1 : 2 ) 35 0 ∅1 8x 4 10 09 ,5 ∅25 32 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 333 PERFIL W 6 x 15 o1 12 x 1 12 x 18 PERFIL C 6 x 8,2 81 0, 8 537,5341274,3136,3200 2201,2 318,3 1569,1 13 3, 3 93 ,1 93 ,5 13 3, 3 32 2, 6 71 0, 8 40 0 260,4 81 0, 8 710,8 400 84 5, 1 845,1130 1931,2 1931,2 50 ,8 600 500407 11 75 12 38 ,5 57 4, 4 434 738 537,5113,3 113,3 133,3 105 180 56 2, 5 o1 12 "x 1 12" x 18 " 22 8, 6 35 7, 7 355 L 1 12"x 1 12" x 14" 91 6 1 23 8, 5 506 428,5 33 3 3 3 3 3 3 3 3 450 10 07 -Para Brida Slip-On el tubo entra 15mm 3 3 3 3 3 3 3 3 3 1579 240191143 165 Ø 2" 143 156190,4148,5 60 0 42 0 1383 148,5190,4 442 322 111 190,4148,5 1116,8205,6 204,4 414,2 8010880 79,4 75 9, 1 104,1299,6 80 776 650 42 0 200 11 62 ,2 10 0 25 5 1572 18 0, 6 14 2, 6 12 20 21 4 12 34 1773,0 148,5 1507,2 60 0 42 0 93 0, 4o1 12 "x 1 12" x 18 " 61 ,5 "L" 1 12" x 1 12" x 316" 40 40 420 A A ( 1:2 ) 200 15 2085 40 -Para Brida Slip-On el tubo entra 15mm -Para accesorio roscado (codo,reduccion) entra 20mm 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 33 3 33 3 3 3 3 3