Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniera y Arquitectura Escuela de Ingeniera Mecnica Tema de investigacin: MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN HORNO CILNDRICO PARA FUNDICIN DE METALES NO FERROSOS CON BAJO PUNTO DE FUSIN Presentan: Meja Chvez, Alfredo Leonel Alfaro Baos, Leif Emerson Pino Escobar, Jorge Gustavo Transferencia de calor, ciclo I 2015 Docente: Ing. Gustavo Salomn Torres Ros Lazo Ciudad Universitaria, 19 de junio de 2015 NDICE DE CONTENIDOS Introduccin i Justificacinii Objetivosii Presentacin y desarrollo de los temas 1.Generalidades1 1.1.Tipos de hornos para fundicin de metales5 1.1.1.Calentamiento por combustin6 1.1.2.Calentamiento elctrico10 1.2.Mecanismos de transferencia de calor implicados en un horno para fundicin 1.2.1.Conduccin 12 1.2.2.Conveccin 13 1.2.3.Radiacin14 1.3.Cambio de fase dentro de las fronteras del sistema25 2.Diseo de un horno elctrico para fundicin de metales no ferrosos con bajo punto de fusin29 2.1.Geometra y dimensiones30 2.2.Aislamiento trmico44 2.3.Instalacin elctrica y controles46 2.4.Crisol y moldes para vertido50 Conclusiones55 Bibliografa56 Listado de archivos adjuntos 57 i INTRODUCCIN Losmetaleshanformadopartedelahistoriaevolutivadelhombre,ysehan utilizadocontodaclasedefines,desdelafabricacindearmasparalacazaola guerra,hastaparaadornarloscuerposdelosmsprestigiosomiembrosdela sociedad.Enlaactualidadselesiguedandoesosusosalosmetales,peroen menor medida, ya la mayora de aplicaciones son del tipo industrial y aeroespacial. Los metales con bajo punto de fusin como el aluminio, cobre, plomo, estao y sus aleacionessonimportantespuestoquesonmaterialesqueseusanenIngeniera para lograr determinados propsitos: el aluminio y susaleaciones en los aviones, cuyo fuselaje debe ser ligero y a la vez resistente; el cobre de alta pureza usado enloscircuitoselctricoscomoconductorfundamental;laaleacinplomo-estao que se usa en soldadura blanda en los campos de la electricidad y la electrnica, y as podran citarse muchos ejemplos de materiales cuyo punto de fusin es menor, o ronda, los 1000C. Laobtencindemetalenbruto esunprocesolargo ytortuoso,seextraendela tierramuestrasdematerialesimpuros,esdecir,elmetalquesedeseaobtener estasociadoenformadexido,sulfuro,silicatoocualquierotrocompuesto conteniendounacantidadmuchasvecesmuypequeaencomparacinconel volumen de material extrado.Es por tanto muy importante que en lugar de extraer nuevas menas y someterlas a eselargoproceso,losmaterialesquepuedanserrecicladossereciclen, fundindolos de nuevo para luego darles una forma til. Recordemos que cuando unhornofuncionadebeconsumiralgnrecurso,seacombustible,electricidado incluso aprovechar la energa que la naturaleza misma brinda; anas, es mucho ms barato fundir un metal y volverlo a conformar que la extraccin de minerales de la tierra. ii JUSTIFICACIN Sedesarrollunainvestigacinconelfindeampliarnuestrosconocimientosen varias reas especficas de la formacin que un ingeniero mecnico requiere, entre ellassepuedenmencionaralatransferenciadecalorylafundicindemetales como principales temas abarcados.Se justifica adems dicha investigacin en el hecho de que la cultura del reciclaje debeextendersemsalldecrearobjetosdecorativosapartirdecomponentes viejosyqueyanoseusan,debencrearseverdaderosmaterialesnuevosy disponerlosparafabricarconellosdiversoscomponentes,parasatisfacerla demanda del mercado. OBJETIVOS Esta investigacin pretende cubrir los siguientes objetivos: -Comprender qu mecanismos de transferencia de calor hay presentes en un hornoparafundicindemetales,yelegirunmecanismoprincipaldeT.Q. para una aplicacin en particular. -Diseary,enbasealdiseo,predecirdemaneracuantitativael comportamiento de un horno para fundicin de metales cuya geometra es cilndrica,suformaprincipaldecalorsedaporradiacinyaprovechela electricidad para lograr su fin. -Estimarlasprdidasqueunhornodeestetipopuedatener,conelfinde optimizar al mximo los recursos de los que se disponga y la productividad del mismo, todo acarrea costos econmicos y por tanto prdidas, las cuales no pueden evitarse pero si reducir hasta niveles tolerables. 1 1. GENERALIDADES Elprocesodefundicinconsisteenhacerpasarlosmetalesdelestadoslidoal estadolquido,paraloqueserequieredeterminadacantidaddecalor,bien definida y caracterstica para cada metal o aleacin. Este calor es proporcionado en unhorno,quepodemosdefinirlocomounacmaraaisladaaaltatemperatura donde el calor se transfiere desde una fuente hasta un receptor o sumidero que se encuentra en su interior, en este caso el metal. La metalurgia es la cienciaque se ocupa de la obtencin, procesos de produccin y tratamiento de los metales y sus aleaciones, de una manera eficiente, econmica y con resguardo del ambiente, afindeadaptardichosrecursosenbeneficiodeldesarrolloybienestardela humanidad. El cobre fue uno de los primeros minerales trabajados por el hombre, ya que se le encuentra en estado casi puro en la naturaleza. Junto al oro y la plata fue utilizado desde finales del Neoltico, golpendolo, al principio, hasta dejarlo plano como una lmina.Despus,comoconsecuenciadelperfeccionamientodelastcnicas cermicas, se aprendi a fundirlo en hornos y vaciarlo en moldes, lo que permiti fabricarmejoresherramientasyenmayorcantidad.Posteriormentese experimentcondiversas aleaciones,comoladel arsnico,queprodujo cobre arsenicado, o la del estao, que dio lugar al bronce. Se muestra en la figura 1 un grabado que describe la fundicin del cobre en el antiguo Egipto. Figura 1: Grabado en un mural funerario egipcio, mostrando el proceso que se segua para fundir el cobre, el cual fue de los primeros metales cuya tcnica domin el hombre. 2 Elprocesodeadquisicindelosconocimientosmetalrgicosfuediferenteenlas distintaspartesdelmundo,siendolasevidenciasmsantiguas de fundicin del plomo yelcobredelVIImilenioa. C.,en Anatolia y el Kurdistn. En Amrica no hay constanciahasta el I milenio a. C. y en frica el primer metal que se consigui fundir fue el hierro, durante el II milenio a. C.ElhierrocomenzasertrabajadoenAnatoliahaciael tercermilenioa.C..Este mineral requiere altas temperaturas para su fundicin y moldeado, para ser as es msmaleableyresistente.Algunastcnicasusadasenlaantigedadfueronel moldeoalaceraperdida,la soldadura oel templadodelacero.Las primeras fundiciones conocidasempezaronenChinaenel sigloI a. C.,perono llegaronaEuropahastaelsigloXIII,cuandoaparecieronlosprimeros altos hornos. A medida avanzaban las eras, la tecnologa y conocimientos disponibles se aplicaba a la fundicin de metales, mostrando una evolucin significativa en ese campo del saber. En la figura 2 se muestra una comparacin entre dos etapas distintas de la era de los metales. Figura 2: Avances en la metalurgia de la antigedad, las tcnicas de fundicin mejoraron permitiendo fundir nuevos metales y crear con ellos utensilios ms durables. 3 Elempleodelosmetalessedebi,inicialmente,alanecesidadquesecreel hombre de utilizar objetos de prestigio y ostentacin, para, posteriormente, pasar asustituirsusherramientasdepiedra,huesoymaderaporotrasmuchoms resistentes al calor y al fro (hechas en bronce y, sobre todo, hierro). Los utensilios elaboradosconmetalesfueronmuyvariados:armas,herramientas,vasijas, adornospersonales,domsticosyreligiosos.Elusodelosmetalesrepercuti,a partir de la generalizacin del hierro, de diversas formas en la conformacin de la civilizacin humana: -Se intensific la produccin agropecuaria. -El trabajo se especializ y diversific. -Aumentaron los intercambios. -Se institucionaliz la guerra. LosejrcitosdelaAntigedadusaronarmasdediversosmateriales,yeraun factordecisivodesarrollaralmximolascualidadesdelasmismas,paraqueno fueranquebradizas,tuvieranunalongitudmayor,soportaranlosimpactosyno perdieransufilo.La cienciametalrgicase convirtidurantealgunossiglosenla ciencia de las armas y la guerra, como se muestra en la figura 3. Figura3:EnlaAntigedad,elejrcitoeraunaprioridaddelasnacionesylaguerraera vista como una manera noble de vivir. 4 Losmetalespuedendividirseendosgrandesgrupos:ferrososynoferrosos,los ferrosostienencomoelementoprincipalelhierro,losnoferrososposeenun elemento diferente del hierro como componente principal, Aqu podemos encontraraleaciones de cobre, aluminio, magnesio, plomo, estao, zinc, etctera. CLASIFICACIN DE LOS METALES NO FERROSOS PESADOS: Su densidad es igual o mayor de 5 g/cm.Se pueden citar: Estao, plomo, cinc, cobre, cromo, nquel, wolframio y cobalto. Figura 4: Ejemplos de metales pesados,si bien el cuerpo requiere de algunos de ellosparafuncionarcorrectamente,unaconcentracinelevadapuedeocasionar daos a la salud. LIGEROS: Su densidad comprendida entre 2 y 5 g/cm. Ej: Aluminio y titanio. Figura5:Seestdesarrollandounaplacacompuestaporlosdosmetalesligeros mencionados,cuyaspropiedadeslahacenidneaparafabricarcascosdebarco, reduciendo sustancialmente el peso de los mismos. 5 ULTRALIGEROS: Su densidad es menor de 2 g/cm. Ej: Magnesio y berilio. Figura6: En la industriadelautomvilsehaestudiadoyrecientementedifundidoeluso de metales ultraligeros para los componentes de los carros, como los rines y la carrocera. La reduccin de peso se traduce en un mejor aprovechamiento del combustible. Los metalesnoferrosos sonblandosytienenpocaresistenciamecnica,poreso se alean con otros metales para mejorar sus propiedades. De mayor amenor utilizacin son el cobre, aluminio, estao, plomo, cinc,nquel, cromo, titanio y magnesio 1.1. TIPOS DE HORNOS PARA FUNDICION DE METALES Loshornosqueseusanparafundirmetalesysusaleacionesvaranmuchoen capacidad y diseo, pueden variar desde pequeos hornos de crisol que contienen unospocoskilogramosdemetalhastahornosdevarioscentenaresdetoneladas de capacidad del horno. Lasaltastemperaturasrequeridasseconsiguenquemandocombustiblesyasea lquidos,gaseosososlidos,obienmedianteresistenciaselctricasqueirradian energa por medio del mecanismo de transferencia de calor por radiacin. Entoncesdependiendodelacalidadqueseexijaalamasafundida,la productividadylaeficienciaenergtica,sepuedenusardistintostiposde calentamiento,pudindoseusarsehornosconcalentamientoelctricoopor combustiblescomoelgas.Enestecontextoydesdeelpuntodevistadelos costes,losniveleslocalesdepreciossondeterminantesparaeltipodeenerga elegido. 6 1.1.1. HORNOS DE CALENTAMIENTO POR COMBUSTIN En este tipode hornos calor se provee porla combustiny por el calor sensibledelairedecombustinsiesqueestehasidoprecalentado.Lacombustinesunareaccinqumicadeoxidacin,enlacualseemiteunagrancantidadde energaenformadecaloryluz,manifestndosegeneralmenteunallama.Los combustiblesgaseososgeneralmentegeneranllamasnoluminosas,los combustiblesdepetrleopuedenquemarsedemaneraquegenerenllamasde luminosidadvariable,dependiendodeldiseodelquemador,gradode atomizacin,yporcentajedeaireenexceso.Losqueusancarbnpulverizado producenunaflamaquecontienepartculasincandescentesyunaltogradode luminosidad.Enunareaccincompletadecombustintodosloselementosque forman el combustible se oxidan y los productos que se forman son el dixido de carbono yaguay el nitrgeno que se considera que se mantiene invariable. Combustible + aire = agua + dixido de carbono + nitrgeno La combustin se realiza con aire como fuente de oxgeno, y se puede asegurar la combustin completa del combustible se suele utilizar aire en exceso: -Para combustibles gaseosos se usa un 10% -Para combustibles lquidos un 15% a 205 de aire en exceso -Para combustibles slidos20%o ms de exceso de aire HORNO DE CRISOL Un horno de este tipo consiste en una recamara rectangular o cilndrica construido depiezasdematerialrefractariounidasapiezasdeunarmazndeaceroo carcasa en la que se coloca en su interior un recipiente conductor de calor llamado crisol enlaquesedepositaelmetal afundir,demaneraqueexisteunacavidadentreelrecipienteylasparedesdelhornoporlacualcirculanlosgasesde combustin impulsados mediante un soplador, el calor generado por los gases se transfiere luego al material que se desea fundir mediante la conveccin y radiacindirectadelosgasescalientesyporlareflexindelasparedescalientesdel materialrefractariodelhorno,ylosgasesdeescapeseevacuanmedianteuna chimenea de la que est provista el horno. Se muestra un esquema de este tipo de hornos en la figura 7. 7 Figura 7: Horno de crisol con calentamiento mediante combustin, mediante un quemador y un soplador para hacer que los gases calientes y la llama describan una trayectoria como la mostrada en la figura de la izquierda. COMPONENTES Solera Eslapartedelhornosobrelaquesedisponeelmaterialafundir,comosoporta carga del material debeser solidamuy resistente y qumicamente estable Paredes Rodean la zona de trabajo y deben de proteger la zona de la perdida de calor, no permitirelescapedelosgasesdecombustinopermitirqueentrenaire atmosfrico hacia el interior. Bveda Es la parte ms crtica del horno yaque soporta altas temperaturas, para reducir las prdidas de calor necesita una capa de material aislante generalmente ladrillos o cemento refractario. Armazn metlico Eslaestructurametlicaquesoportatodaslaspartesdelhornoyabsorbelos esfuerzosqueseoriginandurantesufuncionamiento,ademssobreellase colocan los dems accesorios tales como la tapa del horno, chimenea, quemador, etc. 8 Crisol Es el recipiente que se coloca en el interior del horno donde se deposita el metal paraserfundido,generalmenteestahechodegrafitoconciertocontenidode arcillas resistentes a altas temperaturas. La capacidad de este puede variar desde unascuantasonzasparafundicionesdelaboratoriohastaunos1400kgvarios. Pueden distinguirse dos tipos dehornos de crisol muy utilizados: -De crisol estacionario: Elcrisolpuederemoversedelinteriordelhornoparaverterelmetalsobrelos moldes, o se extrae mediante cucharones. -Basculantes Sonhornosmoviblesapoyadossobreunsoportemvilquepermiteverterel metallquidodirectamentesobrelosmoldesprecalentadossinnecesidadde extraerelcrisol,seutilizaencasos enquerequiere producir grancantidadde material fundido. Estosdostiposdeconfiguracinpuedenserdeltipodecalentamientopor combustino bien elctricos. Figura 8: Tipos de horno de crisol. a) Crisol basculante b) Crisol estacionario HORNO DE REVERBERO El horno de reverbero es un tipo de horno generalmente rectangular, cubierto por unabvedadeladrillorefractario,querefleja(o reverbera)elcalorproducido en unsitioindependientedelhogardondesehacelalumbre.Tienesiempre chimenea. El combustible no est en contacto directo con el contenido, sino que lo calienta por medio de una llama insuflada sobre l desde otra cmara siendo por tanto el calentamiento indirecto. 9 Esutilizadopararealizar lafusindelconcentradodecobrey separarlaescoria, ascomoparalafundicindemineralyelrefinadoolafusindemetalesTales hornosseusanenlaproduccindecobre,estaoynquel,enlaproduccinde ciertoshormigonesycementosyenelrecicladodelaluminio.Loshornosde reverberoseutilizanparalafundicintantodemetalesfrreoscomode metales no frreos, como cobre latn, bronce y aluminio. Durante el proceso, se remueve desde una ventana el mineral fundido para que el caloractelomsuniformementeposiblesobretodalamasa.Consta esencialmentedeunhogar,unasolerainclinadaquepermitequeescurrael metalfundidohaciaunacanalporlaquesalealexteriordondesevierteenlos moldes.Sobreestasolerasedisponeelmaterialatratar,extendidoyconpoca altura. Los hornos de reverbero son de poca altura y gran longitud. En uno de los extremos se encuentra el hogar donde se quema el combustible, y en el extremo opuesto la chimenea. Las llamas y productos de la combustin atraviesan el horno y son dirigidos, por la bveda de forma adecuada hacia la solera del horno, donde est situada la carga del metal que se desea fundir. Esta carga se calienta, no solo porsucontactoconlasllamasygasescalientessinotambinporelcalorde radiacindelabvedadelhornodereverbero.Semuestrandosesquemasde horno de reverberacin en la figura 9. Figura9:Alaizquierdaunhornodereverberoindustrial.Aladerechaunaseccin transversaldeunhornodereverberacin,mostrandocmoincidelaradiacintrmica sobre el metal a fundir y la direccin del escape de gases. Aproximadamente, la superficie de la solera es unas tres veces mayor que la de la parrilla y sus dimensiones oscilan entre un ancho de150 a 300 cm y una longitud de 450a 1500cm.Lacapacidaddeloshornosdereverberoesmuyvariabley oscilaentrelos 45kg alos 1000kg quetienenlosempleadosparalafusinde 10 metalesnofrreos,hasta las 80toneladasmtricasquetienenlosmayores empleados para la fusin de la fundicin de hierro. El tipo ms sencillo quema hulla en una parrilla y la llama, con los productos de la combustinserefleja(reverbera)enlabvedaotechodelhorno,atraviesanel espacio que hay sobre la solera (donde se sita la carga metlica) y son evacuados por la chimenea, colocada en el extremo opuesto a la parrilla. En la actualidad se emplean ms los combustibles gaseosos, Lquidos y el carbn pulverizado,loscualesseinsuflanenelhorno,mezcladosconaireprecalentado, por medio de un quemador situado en un extremo. 1.1.2. CALENTAMIENTO ELCTRICO Siloprincipaleslacalidaddelamasafundidaylaeficienciaenergtica,es recomendable usar hornos de fusin con calentamiento elctrico. La regulacin del calentamientoespausadayprecisa.Lamasafundidanosecontaminaconlas emisionesdelcalentamientoporcombustible.Loshornosdefusincon calentamiento elctrico pueden alcanzar hasta el 85 % de la potencia de fusin de loshornosdefusinconcalentamientoporcombustibleconsalidalateralde gases.Siloshornosseusanexclusivamenteparamantenerelcalordelamasa fundida, es recomendable emplear los modelosque, debido a su buen aislamiento y a la reducida potencia de conexin, funcionan con especial eficiencia energtica. En este tipo de hornos el calentamiento se logra mediante resistencias elctricas, endondepredominaelmecanismodetransferenciadecalorpor radiacin.ElcalentamientodeestasresistenciasesregidoporlaleydeOhm I=V/R,ylaleydeJoule,P=VI;dondeIeslacorrienteenAmperios,Vesla tensin en Voltios, R la resistencia en ohms y P la potenciaen watts. La razn a laquelaenergaelctricaseconvierteencalorestdadapor

Renwatts(osu equivalente en BTU por hora), La cantidad total de energaesel Kilowatt-hora o watt-hora; o bien BTU sin unidad de tiempo. Elcalentamientoporresistenciaelctricapresentaciertasventajasenalgunos casosconrespectoquelosdeltipoqueutilizancombustible,comoporejemplo queestossonmscompactos,loqueesdemuchautilidadencasosde produccinapequeaescala(noasenlosgrandesproduccionesindustriales), ademsgeneranconfacilidadaltastemperaturas,seeliminanlosriesgosque implicalacombustinyelmanejodecombustibles,sufcilmanejoyaplicacin, adaptacin y control. 11 La temperatura ms alta alcanzada por estas resistencias es aquella que causa que la energa en forma de calor se disipea la misma velocidad que se produce. Para evitar que el elemento se queme, el fluido o solido frio debe ser capaz de recibir calora una velocidad tal que mantenga a la envoltura metlica por debajo de la mximatemperaturapermisible,esdecirqueeldiseodeestoselementos elctricos est condicionado por el flujo trmico que pueda disiparse en el material frio. Este flujo trmico es la energa cedida en BTU por hora por piecuadrado de superficie, en unidades elctricas se expresa en Watts por pulgada cuadrada se la superficie del elemento o watts por pulgada linealdel elemento correspondiente a wattsporpulgadacuadradaparaelementosdesuperficieuniformeporpulgada de longitud Figura 10: Elementos calefactores en los hornos elctricos: A la izquierda hilo flexible de resistencia, conformado hasta lograr una espiral. A la derecha, resistencias rgidas. En este tipo de hornos el calor es originado por la corriente que recorre los hilos de los electrodos de aleaciones mltiples especiales o de grafito envuelto en espiral o bien doblados, esto con el fin de que puedan desarrollar la mxima longitud en el mnimo espacio. La temperatura mxima de trabajo que pueden resistir para un trabajo continuo se encuentra entre los 1000 y 1300 C. Los hornos son de construccin distinta segn elempleoqueselevayaadar,porlogeneralseutilizanactualmenteen fundicionesquetrabajanconaleacionesligerasporqueenelmismosepuede regular automticamente la temperatura necesaria de trabajo. 12 1.2.MECANISMOSDETRANSFERENCIADECALORIMPLICADOSENUN HORNO PARA FUNDICIN 1.2.1. CONDUCCIONEs la transferencia de energa de las partculasque constituyenun material como resultadodelainteraccinentreellasdebidoalavibracindelasmolculas, desdelas ms energticas hacia las adyacentes de menos actividad energtica. En losmetalessedebealdesplazamientodeloselectroneslibresyalavibracin cristalina, como se muestra en la figura 11. En gasesla conduccin depende de la presin y la temperatura, condiciones que intervienenenelincrementodecolisionesmoleculares,mientrasqueenlos lquidos se debe a la combinacin del movimiento electrnico y las colisiones de las molculasyladifusindelasmismasatravsdelmaterial,aqulaconduccin depende de la temperatura y no de la presin. LatransferenciadecalorporconduccinserigeporlaleydeFourier,laque establecequeelflujodecalordependedelproductodelaconductividadtrmica del material k, el rea normal al flujo A, y el gradiente de temperatura a travs del material dT/dx q =

(W) Laconduccindelcalorimplicanicamentetransferenciadeenerga,lacuales manifestadaporelmovimientodelaspartculasquecomponenalmaterial,que puede ser cualquier slido, y para que la conduccin se manifieste en los fluidos, estos deben permanecer estrictamente en reposo. Figura11:Calentamientodeunextremodeunabarrametlica,enelque sepuedever comolavibracindelaspartculassehacemsnotoriaconlaaplicacindelallama,y permanecen relativamente estticas en el extremo ms frio de la barra. 13 1.1.2. CONVECCIN Eslatransferenciadecalorentreunasuperficie(solidaono)yunfluido,porlo queesunamodalidadcombinada,yaqueenlainterfasesuperficie-fluidola transferenciasedaporconduccinmediantechoquesentrelasmolculasdela superficie y las del fluido. Como resultado se produce un cambio de temperatura, y en consecuencia una variacin de densidad, de lo cual resulta un movimiento del fluido,enelprocesoocurreunamezcladelasdiversasporcionesdealtaybaja temperaturaenelfluido,ysetransfierelaenergatrmicaportransportede masas, por lo que es un mecanismo muy complejo que nos involucra varias reasdecienciasfsicas,requiriendohaceranlisisdeconservacincantidadde movimiento,deconservacindelamasayconservacindelaenergapara obtenerlasrespectivasecuacionesparaanalizarunproblemaenparticular,(ya que no hay en si una ley para la conveccin) llamadas ecuaciones empricas. Existen dos tipos de conveccin: -Conveccinforzada;quenecesitade undispositivo externomecnicopara el movimiento del fluido.

-Conveccinlibreonatural;loscambiosenladensidaddebidosala temperatura originan el movimiento de masas del fluido. Figura12:Modosdeconveccinsobreunaplacacaliente.Alaizquierda,el movimiento del fluido se da por el cambo en la densidad del aire, el ms caliente sube yelmsfrescodesciende.Aladerecha,elfluidosemueveporlaaccindeun elemento externo, en este caso un ventilador. Hay que notar que en ambos casos, las velocidades del fluido son distintas, siendo mucho mayor la del aire en la conveccin forzada. 14 Existeunarelacingeneralquedescribelatransferenciadecalorpor conveccin llamada ley de enfriamiento de Newton, consistente en:q = hA(

-

)(W) que expresa que el flujo de calor convectivo es igual al producto del coeficiente de conveccintrmica h, el rea superficial A,y la diferencia de temperaturas de la superficie y el medio circundante. 1.1.3. RADIACIN Eselflujodeenergaenformadeondaselectromagnticasdeciertafrecuencia entre dos cuerpos situados a una distancia determinada, las ondas calorficas son funcindelatemperaturadelasuperficiedelcuerpoytransfierenelcaloren formaderadiacin.Adiferenciadelosotrosmecanismosdetransferenciade calor,laradiacinnonecesitadeningnmedioparatransmitirseyporlotanto puede propagarse en el vaco absoluto. Laenergaradianteesdelamismanaturalezaquelaluzvisibleordinaria,porlo quedeacuerdoconlateoraelectromagnticadeMaxwellestasondasconsisten enuncampoelctricooscilanteacompaadodeuncampomagnticotambin oscilante en fase con el tambin. Estos campos se sostienen el uno al otro formando una onda que se propagapor elespacio,Cuandoloscampostantoelctricoscomomagnticosvaranconel tiempo dejan de ser independientes entre s, dado que la ley de FaradayPlanteaqueuncampomagnticovariableeneltiempoactacomofuentede campo elctrico o viceversa cuando cambien con el tiempo cualquiera de estos se inducir otro campo del otro tipo en las regiones adyacentes del espacio crendose una perturbacin electromagntica que tiene las propiedades de una onda. Existen varios tipos de ondas electromagnticascomo las ondas de radio, la luz visible, las microondas, los rayos X, csmicos, etc. Pero estas solo difieren en su longitud de ondaysufrecuencia,deallqueestosparmetroscaractericenaunaondaen particular. Entonces la variacin de la intensidad de un campo elctrico pasando por un punto dadopuedeserrepresentadaporunaondasenoidalquetienelongitudfinitade cresta a cresta, que es la longitud de onda. El nmero de ondas que pasan por un punto dado enla unidad de tiempo, es la frecuencia f de la radiacin (en Hertz, 1 Hz: 1 ciclo / segundo, y el producto de la frecuenciapor la longitud de onda es la velocidad de la onda. 15 Para el trnsito en el vaco esta velocidad esc =299,792,458 m/s, as en el vaco para cualquier tipo de onda, aunque difieren tanto en f y , siempre se cumple la relacin c=f . Cuando atraviesa algn medio la velocidad es un poco menor que esta, sin embargo esta desviacin puede despreciarse en muchos casos.Entonces auncuandotodaslasondaselectromagnticastienenlasmismascaractersticas generales,lasondasdedistintalongituddifierendemanerasignificativaensu comportamiento.Laradiacinelectromagnticaqueseencuentraenlaprctica abarcaunaampliagamadelongitudesdeonda,quevarandesdemenosde

m,paralosrayoscsmicos,hastamsde

m,paralasondasde energaelctrica.Elespectroelectromagnticotambinincluye,comoyase mencionolos rayos gamma, los rayos X, la radiacin ultravioleta, la luz visible, la radiacininfrarroja,laradiacintrmica,lasmicroondasylasondasderadio, como se podr ver en la figura 13. Figura 13: Espectro de radiacin, con nfasis en la radiacin visible, que es una estrecha franja que va de los 40 a los 76 micrmetros. Eltipoderadiacinelectromagnticaqueresultapertinenteparalatransferencia decaloreslaradiacintrmicaemitidacomoresultadodelastransiciones energticasdelasmolculas,lostomosyloselectronesdeunasustancia.La temperaturaesunamedidadelaintensidaddeestasactividadesenelnivel microscpicoylarapidezdelaemisinderadiacintrmicaseincrementaal aumentarlatemperatura.Laradiacintrmicaesemitidaenformacontinuapor todalamateriacuyatemperaturaestporarribadelceroabsoluto.Laradiacin trmicatambinsedefinecomolapartedelespectroelectromagnticoquese extiendedesdealrededorde0.1hasta100m,dadoquelaemitidaporlos cuerposdebidaasutemperaturacaecasiporcompletoenesterangode longitudes de onda. Por tanto, la radiacin trmica incluye toda la radiacin visible ylainfrarroja(IR),ascomopartedelaradiacinultravioleta(UV).Loque llamamos luz es sencillamente la parte visible del espectro electromagntico que se 16 encuentra entre 0.40 y 0.76 m. Desde el punto de vista de sus caractersticas, la luz no es diferente a la dems radiacin electromagntica, excepto en que dispara la sensacin de visin en el ojo humano. Secreequelaenergaradianteseoriginadentrodelasmolculasdelcuerpo radiante, los tomos de las molculas vibran en un movimiento armnico simple comoosciladoreslineales.Lateoradeloscuantospostulaqueparacada frecuencia de radiacin hay una pulsacinmnimade energa que debe emitirse. Este es el cuanto, no pudiendo emitirse una cantidad ms pequea aun cuando si puede emitir un mltiplo de esa cantidad mnima. Estas cantidades de energa enpaquetes discretos son llamados fotones o cuantos donde cada una de ellosque tienen una frecuencia particular ftienen una energa: e = hf =

h = 6.6256 _x

J s es la constante de Planck Planckdemostrquelaenergaasociadaconuncuantoesproporcionalalafrecuenciadevibracino,silavelocidaddetodalaradiacinseconsidera constante, inversamente proporcional a la longitud de onda. As la energa radiante deunafrecuenciadadasepuederepresentarcomosucesivaspulsacionesde energa radiante, teniendo cada pulsacin elvalor del cuanto para una frecuencia dada. Puestoquelatemperaturaesunaesunamedidadelpromediodelaenerga cinticadelasmolculas,amayortemperaturamayorenergacinticapromedio tantodevibracincomoderotacin,puedeesperarsequeamayortemperatura mayoreslacantidaddeenergaradianteemitidaporelcuerpo.Comoel movimiento molecular cesa solo en el cero absoluto puede concluirse que todas las sustancias absorbern o emitirn energa radiante siempre que la temperatura de estos se encuentre por encima del cero absoluto. Uncuerpoaunatemperaturadadaemitirradiacinenunrangocompletode longitudes de onda y no en una longitud de onda simple, esto debido a la infinita variedad de oscilaciones que existenParaunatemperaturaenparticular,cadacurvaposeeunalongituddeondaala cual la cantidad de energa espectral emitida es un mximo. Para el mismo cuerpo, peroaunamenortemperatura,laintensidadmximaderadiacintambines menor,sinembargolalongituddeondaalaqueocurreelmximoahoraes mayor. Como la curva para una sola temperatura describe la cantidad deenerga emitida por una longitud de onda, entonces el rea bajo la curva debe ser igual a 17 la suma de toda la energa radiada por el cuerpoa todas sus longitudes de onda, La mxima intensidad est por debajo de y 400 micrones La cantidad total de energa radiante de todas las longitudes de onda emitida por uncuerpoporunidaddereaytiempo,EslapotenciaemisivatotalE,sila intensidaddeenergaradianteesI,lapotenciaemisivatotaleselreabajola curva, entonces: E =

d Planckdesarrollolaexpresinparalacurvadeenergaespectralacualquier temperatura:

=

(W/

) I = intensidad de emisin monocromtica =Longitud de onda T = Temperatura absoluta del cuerpo C1 y C2 = constantes con valor cada una de Donde: Que son las constantes de Planck, la velocidad de la luz en el vaco, y la constante de Boltzmann respectivamente WillyWiendesarrolllaleyconocidacomodedesplazamientodeWein,que establecequeelproductodelalongitudesdeondadelmximovalordela intensidad monocromtica de emisin a temperatura absoluta es una constante; A medida que la temperatura aumenta, el pico de la curva se desplaza hacia las longitudes de onda ms cortas. La longitud de onda a la cual se presenta el pico para una temperatura especfica se expresa por: Tmx = 2897.8 m K 18 Figura14:Grficoquecorrelacionaalalongituddeondaconlamximaemisinde energa. Todas las grficas tienen un mximo, y si se unen dichos mximos se obtiene una lnea recta cuya funcin es conocida, y se le llama Ley de Wien. El cuerpo negro Cuandolaenergaradianteincidesobreuncuerpo,estaenergapuede transmitirse, reflejarse o absorberse, pueden definirse entonces una transmisividad t, una reflexividad , y una absorbencia o; respectivamente. Entonces se tienequeo + + t = 1 Lagran mayora de los materiales de ingeniera tienen transmisividad cero, pero no hay ninguna que absorba o refleje completamente la energa radiante, entonces 19 siuncuerpoemiteradiacinaotropartedelaenergaemitidaesretornadaal cuerpoporreflexin.Deaqupuedehacerseunaidealizacinydecirsequeun cuerpoquetengaunatransmisividadcerotieneunareflexividadcero,loque corresponde al concepto de un cuerpo negro perfecto para el cual o = 0. Un cuerpo negroentonces absorbe toda laenerga toda la radiacin trmica que incide sobre l, teniendo una absorbencia de o = 1, un cuerpo negro es tambin un radiador optimo o perfecto. Sin embargo a una temperatura particular los cuerpos realesradianmenoscalorqueuncuerponegroyrecibenelnombredecuerpos grises. El cocientede la radiacin de un cuerpo realy la radiacin de un cuerpo negroa la misma temperatura se le llama emitancia o emisividad, la emitancia noesunapropiedadconstanteygeneralmenteaumentaconlatemperaturadel cuerpo radiador. Entonces,sedefinecomo= ,convalorescomprendidos entre 0 y 1 Larelacin entre la emisividad y la absorbencia y nos lleva a plantearnos la ley de Kirchoff que se puede resumir como: la absorbencia y la emisividad de un cuerpo son iguales cuando se encuentra en equilibrio trmico con sus alrededores. = Uncuerpodeformacualquieraencerradodentrodeunaesferahuecaa temperaturaconstanteyelairehasidoevacuado,Despusquesealcanzael equilibrio trmico la temperatura del cuerpo y de la esfera ser la misma, entoncesel cuerpo est absorbiendo y radiando calor a la misma velocidad LEY DE STEFAN-BOLTZMANN La ley que gobierna la transferencia de calor por radiacin fue descubierta por dos investigadores: J. Stefan, que la determino de forma experimental;y L. Boltzmann quienladedujodesdeelpuntodevistaterico,conbaseaunanlisisdela mecnica estadstica. Si un cuerpo negro perfecto radia energa, la radiacin total puede determinarse con la ecuacin del cuerpo monocromtico:

=

20 Laenergatotalcorrespondealreabajolacurvadelagraficadelaecuacin anterior, es decir:

Sea x =

;entonces despejando=

,luego diferenciando:d = -(

) , por lo que resulta, al cambiar variable:

,desarrollandoeltrminoentreparntesis:

Tomando solo los primero cuatro trminoscomo significativos, e integrando cada uno:

,

Y resulta ser la ecuacin de Stefan-Boltzmann, donde la constante

se le cono ce como constante de Stefan-Boltzmann con unidades de BTU/h.

.

y sedenotapor,enelsistemainternacionaltieneelvalorde=

( W/

) Como se la ecuacin se obtuvo del anlisis de un cuerpo negro puede escribirse

Pero si un cuerpo no es negro el problema se soluciona al introducir la emisividad a la ecuacin:

, con 1 0 De otra forma:

, dondeA es el rea superficial y Q elflujo de calor Ahora podemos regresar al anlisis deley de Kirchoff y plantear: La radiacin emitida por el cuerpo en el interior de la esfera es: Eemit =

Considerando que el cuerpo que se encuentra en el interior esta equilibrio trmico con el recinto como se dijo anteriormente, la tasa neta de la transferencia de calor hacia dicho cuerpo debe ser cero. Por lo tanto, la radiacin emitida por el cuerpo debe ser igual a la absorbida por l: Asco

= Asoo

Por tanto, concluimos que:c(T) = o(T) 21 INTENSIDAD DE RADIACIN Laradiacinesemitidaportodaslaspartesdeunasuperficieplanaentodas direcciones hacia el hemisferio que est arriba de sta, y la distribucin direccional delaradiacinemitida(oincidente)suelenoseruniforme.Porlotanto, necesitamos una cantidad que describa la magnitud de la radiacin emitida. Figura15:Definicindelaradiacinemitidaylaradiosidad,queeslasumadela radiacin emitida y reflejada por una superficie. Radiosidad,representadaporJ,eslaenergaradiantetotalqueemanadeuna unidad de rea superficial por unidad de tiempo, incluyendo las energas reflejadas y emitida Irradiacion; Simbolizada por G, es la energa totalque incidesobre una unidad de rea superficial por unidad de tiempo. Poder emisivo Total w, es la radiacin trmica total emitidapor unidad de readelasuperficiedeuncuerponegroyporunidaddetiempo,noseincluyela energa reflejada. Estas variablespueden com J = w+(1-)G J = w +(1-)G La intensidad de radiacin I, es el flujo de radiacin trmica desde una superficie, incluido en ngulo solido unitario, por unidad de rea proyectada normalmente a lalnea que une al rea y el punto de observacin. La relacin entre la radiosidad y la intensidad es J = I. 22 INTERCAMBIO DE ENERGIAENTRE CUERPOS Intercambio entre dos planos extensos paralelos Si dos placasradiantes soninfinitamente grandes de manera que la cantidad de radiacinqueseescapaporlasaristasesdelafuenteydelreceptores insignificante y los dos placas son cuerpos negros se tiene: La energadel primero es

=y del segundo

, entonces:

= (

) Si las placas no son cuerpos negros y tienen distintas emisividades, el intercambio deenergaserdiferenteporquealgodelaenergaemitidaporelprimerplanoser absorbida, y el resto se radia hacia la fuente. Si laprimera pared emite una cantidad

y una emisividad

, la segunda pared absorber

y reflejara

de ella. La primera entonces radiara de nuevo pero una cantidad

y se tendra: Para la placa caliente: Radiado:

,Regresado:

,Radiado:

,Regresado:

Placafra:Radiado:

,Radiado:

, Regresado:

(

Entonces:

-[

(

)-

] Como

y

,la ecuacinanterior es una serie cuya solucin es:

Radiacin interceptada por una pantalla Elcambionetoentredosplacasestdadaporlaecuacinanterior,siahorase coloca otra placa adicional de modo que una queda entre ellas y se tiene el caso quelasemisividades

pero

noesiguala

,elintercambioentrela placa 1 y 3 es: 23

Y

= (

) Entonces:

Cuando

, Q = 1/2(Q) y deforma general cuando se tengan n pantallas , cada una de ellas con las mismas emisividades de las placas iniciales

Esferas o cilindros con forrosesfricoso cilndricos La radiacin entre una esferay un forro esfrico de radios r1 y r2 se tiene que: Inicialmente la esfera interiores

, toda la cual incide en A1 , pero de este total se refleja una cantidad (

)

, de la cual

(

)

, incide en A1y[ 1-

]

)

incide en A2, entonces se tiene: Q =

=

Esta misma relacin se puede usar para cilindros concntricos de longitud infinita, excepto

que es

en lugar de

Intercambio entre cualquierfuentey cualquier receptor El caso de los cuerpos infinitamente grandes se aplica a casos muy limitados, pues se suponeque toda la radiacin de la fuente incide en el receptor, pero esto es muyraroquesucedaenlarealidadenloscasosdeingenieracomoloesenel casodeloshornosyaquelaconfiguracingeomtricadelasparedes,tuberas, etc. puede variar y la forma en que la energa se refleja en las paredes puede ser muydifcildeevaluar,porlocualesnecesariobuscarunformamsfcilde 24 evaluarlaradiacin,paraloquesedefinirelllamadofactordeformaofactor geomtrico de configuracin

Dos placas radiantesa temperaturas T1 y T2, las placas no estn una frente la otra y por lo tanto tiene una vista oblicua una de la otra, la placa inferior radia en todaslasdireccioneshaciaarribayalexterior,algodelaradiacindelaplaca calientedA1caeenlasegundaplaca,peronoenformaperpendicularaella.La segunda placa dA2 reflejara algo de esta energa incidente, pero solo una parte de esta regresara a la primera placa. Siambossoncuerposnegros,laradiacindelaplaca1alaplaca2es proporcionalalasuperficienormalexpuestadecadaunaesinversamente proporcional a ellas. d

=

Donde

eslaconstantedeproporcionalidaddimensionalmenteigualala intensidad de radiacin, entonces: d

=

Sea d

el Angulo solido que es por definicinel rea interceptada en una esferadividida por

, es una pequea placaen el centro del planoisomtricode la base: d

=

=

E =

,

, sustituyendo

dQ=

Altermino

selellamafactorgeomtricodeconfiguracin,yla ecuacin de transferencia de calor puedeescribirse de la forma. Q=

25 Peroporlogeneralesmuydifcildederivarporloqueexistenvariedaddegraficasque permiten calcularlo de manera sencilla de acuerdo a la configuracin geomtrica de los cuerpos en anlisis. Figura16:Unaherramientapotenteparadeterminarlosfactoresdeformaeselusode grficosparadeterminadaconfiguracindeplanosfinitosoinfinitos,querelacionasus variables geomtricas con el factor de forma o visin. 1.3. CAMBIO DE FASE DENTRO DE LAS FRONTERAS DEL HORNO Comoelttuloindica,sedauncambiodefaseenelinteriordelhorno,ydicho fenmeno es el que se pretende conseguir con un horno para fundicin: llevar al estadolquidounmetalparapoderloverterenunmoldequeledunaforma definida. Lafusindeunmaterialaotrovaraenfuncindelanaturalezadelmismo, principalmentesedistingueentremetalespurosyaleaciones,presentandolos primeros un comportamiento caracterstico, a diferencia de las aleaciones que son analizadas como porciones de metales puros disueltos en diferentes proporciones. 26 Para estudiar el cambio de fase de una sustancia slida debe definirse previamente una serie de trminos, los cuales son: Calorsensible:Estodacontribucinenergtica(desdeohaciaelcuerpo)que impulsa un cambio de temperatura en el material; cuando se calienta aumenta la amplitud de las vibraciones de cada partcula que compone a la pieza, y cuando se enfra sucede lo contrario. Calorlatente:Eslaenergaqueelcuerporechazaoabsorbeparareacomodar lasmolculasquelocomponen.Nohaycambiosdetemperaturaendichaetapa del proceso. Para un material slido semanifiesta dicha energa como uncambio de estructura cristalina, o la transicin de slido a lquido y viceversa. Para un metal puro las curvas de enfriamiento (o de calentamiento si se recorre de derecha a izquierda) son similares a la de la figura 17: Figura17:Curvadeenfriamientodeun metalpuro,enestecasosemuestran3puntos especficos: 1) inicio de la nucleacin, 2) fin de la nucleacin y 3) solidificacin total. Para el caso del calentamiento, la energa suministrada al metal provoca que 3) los lmites de granosedisuelvan,2)losgranossehagancadavezmspequeosydispersosy1)se termine de fundir hasta el ltimo remanente slido del material, una vez este proceso ha terminado, se tiene lquido en su totalidad. De la figura 17 podemos observar una cualidad caracterstica de los metales puros: durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante. Esto se cumple no solo para los metales, es vlido tambin para cualquier sustancia pura. 27 Elcalorsensible,comofuedefinidopreviamente,esresponsabledelaumentode temperatura en el material. El calor latente se manifiesta solo durante el cambio de fase.Eldiagramasereproducefielmenteparalasituacindecalentamientoode enfriamiento,ydelconocimientopreviodelaprimeraleydelaTermodinmica, podemos determinar el signo del calor dependiendo si se solidifica o si se funde el metal. Como se puede suponer, para el enfriamiento el calor es rechazado hacia el ambiente y cuando se calienta, el calor est entrando al metal. Dadoquelosmetalesyengenerallosslidospuedensuponerseconcalor especfico constante, independiente de la presin o la temperatura, la transferencia de calor desde o hacia el metal, para lograr que se enfre o se derrita, viene dada por: LapropiedadC,queeselcalorespecfico,varadematerialamaterialypuede encontrarseentablasbajootronombremstcnico;estambinconocidocomo entalpadefusinhfg ysusignoesnegativocuandoelmetalseenfra,y positivo cuando se calienta. Sucedealgodiferenteparalasaleaciones,siendoobjetodeestudiosololas aleacionesbinarias,esdecir,quetenganexactamentedosconstituyentes. Dependiendodelaconcentracinenlaqueestndisueltosloselementosenla aleacin, se tendrn valores distintos de temperatura a la que ocurra el cambio de fase.Estoesalgunasveceshechopremeditadamente,comoenelcasodela aleacindeestaoparasoldadurausadaenElectrnica,quees60%estaoy 40%plomo;latemperaturadefusindecadamaterialpuroes232Cy327C, respectivamente.Paradichaaleacin,lafusinocurrea200C,lacuales considerablementemenor,facilitandolalabordesoldaduradecomponentes electrnicos.Paraotrasaleaciones,sebuscaquealgunaolamayoradelas propiedades mejoren, sacrificando temperatura de fusin, conductividad elctrica y dems propiedades. Semuestraenlafigura18undiagramadefasedeunaaleacinquepresenta solubilidad completa en lquido y en slido, haciendo nfasis en la construccin del diagramamismopuedeversequelo formanlospuntosdondeelcambiodefase comienza y donde termina, unindolos se logra la conocida forma de ojo de gato que caracteriza a dichos diagramas. 28 Figura 18: Diagrama de fase con solubilidad completa en slido y en lquido. En el grfico de la izquierda se pueden ver que las curvas de enfriamiento ms exteriores corresponden almetalpuroAyB,respectivamente,ylascurvasqueestnentreestassonobtenidas experimentalmentevariandolacomposicindelosconstituyentes.Uniendotodoslos puntos de solidificacin y de fluidizacin de la aleacin se forma el diagrama de fase. Se realiza un procedimiento similar para todos los tipos de diagrama. Para estudiar la fusin de una aleacin deben recurrirse a tcnicas que estn fuera del alcance de este curso y los correspondientes a la Ciencia de los Materiales, por loqueseanalizarsolamentelafundicindemetalespurosusandolaprimera ley de la Termodinmica en conjunto con las modalidades de transferencia de calor involucradasdependiendoelmododecalentamientoempleado:combustino elctrico. Paracadametalpurosedisponededatosdecalorlatenteysensibleentablas especializadas,yparalasaleacionescomercialessepuededeterminarla temperatura aproximada de fusin a partir de un diagrama de fases en equilibrio. 29 2.DISEODEUNHORNOELCTRICOPARAFUNDICIONDE METALES NO FERROSOS CON BAJO PUNTO DE FUSIN Antesdecomenzaradisearunhorno,antesdetomarcualquierdecisinen cuantoamateriales,dimensionesydemsdetallesconstructivos,esnecesario definir el rango de temperaturas en el que dicho horno trabajar.La aplicacin que en esta oportunidad se plantea es un horno para fundir metales noferrososcuyopuntodefusinsearelativamentebajo,peroququieredecir para nosotros un bajo punto de fusin? Setomarcomobajopuntodefusinalatemperaturaque,comosunombrelo indica,seacapazdefundir lamayorademetalesnoferrososquese encuentran comnmente,pudiendomencionarseentreellosalestao,plomo,zinc,aluminio, plata, oro y cobre, y sus aleaciones. Semuestranenlasiguientetablalosmetalescitadosanteriormenteysus respectivos puntos de fusin, ordenados de menor a mayor: ElementoPunto de fusin, C Estao (Sn) Plomo (Pb)327 Zinc (Zn) Aluminio (Al) Plata (Ag) Oro (Au) Cobre (Cu) Tabla1:Elementosmetlicosnoferrososseleccionadosysusrespectivospuntosde fusin. Unatemperaturadeoperacinmximade1100Cessuficienteparapoder trabajarcondichoselementosyaleacionescomunes,comoellatnyelbronce. Comosevermsadelante,dichatemperaturanoesunautopa,existen elementos calefactores capaces de brindar temperaturas incluso mayores. Ahoraqueyaestdefinidalatemperaturamxima,debencalcularseo determinarselasdemscaractersticasconstructivasdelhorno,conelfindeque todo funcione como se ha planeado no debe elegirse nada al azar. Uno de los principales objetivos que deben fijarse a partir de este punto es funcin estrictamente de los materiales que se van a fundir, as como la disponibilidad de los mismos. Los materiales que se encuentran con mayor facilidad tienen la calidad dedesperdicio,suvidadeservicioterminosimplementenopuedenreutilizarse 30 en su actual forma. Dos de esos metales son el cobre y el aluminio, encontrados confacilidadenviejasinstalacionesomquinaselctricasycomoenvasepara alimentosybebidas,partesdemaquinariaquehanfallado,entreotros, respectivamente.Entoncespuededecirsequelamateriaprimaparalafundicin sern materiales reciclables. 2.1. GEOMETRA Y DIMENSIONES La fabricacin del horno debe estar orientado a cumplir ciertos objetivos en cuanto asuusofinal:experimentacin,fabricacincaseradecomponentesmecnicos, produccin a escala comercial, reciclaje, en fin, debe ser dimensionado de manera apropiada. Elhornoquesedisearenestaoportunidadtendrlacapacidaddefundirde manera ocasional material que, por ejemplo, puede ser utilizado para la fabricacin de una polea. Laprimeradimensinimportanteadefiniresladelacmaradefundicin,que contendrensuinterioralcrisol(adetallarenlaseccin2.4),alacualsele asignar un volumen inicial de 6 litros, el cual puede variar. Dicho valor no ha sido elegido de forma arbitraria, ha sido seleccionado previendo el tamao del crisol a utilizar. Los crisoles son por lo general cilndricos,y para tener una transferencia de calor uniformehaciaelmaterialafundir,convienequelacmaradefundicin,que contendr en su interior a las resistencias calefactoras, sea tambin cilndrica. De las resistencias se hablar en el apartado 2.3 Debe anticiparse el material que vaa utilizarse en la construccin de las paredes del horno, una propiedad que debe tener dicho material es una resistencia trmica elevada(minimizarlatransferenciadecalorhaciaelexterior)ycapacidadde soportarlasaltastemperaturasqueseproducirnenelinteriordelhorno,alos materialesdeingenieraquecumplencondichascualidadesselesconocecomo refractarios, son bsicamente cermicos y se comercializan en forma de ladrillos ycementoespecial.Ennuestropasseencuentranladrillosrefractariosconlas siguientesdimensiones:9x4x2pulgadas.Alcolocarlosparados, consu ladomsdelgadoorientadohaciaelinteriordelhorno,puedeconstruirseuna especiedepareddeformaaproximadamentecilndrica,comoseverenlas imgenes19y20.Durantelainvestigacinyetapadediseosedibujarconel software de diseo Solidworks, versin 2012. 31 Figura 19: Ladrillo refractario. Dimensiones: 9 x 4 X 2 pulgadas. Disponible en Vidr. Figura20:a)Vistaisomtricaencortedelaparedfabricadaconladrillospartidosala mitad. b) Vista superior, mostrando la casi perfecta circunferencia que se forma con este arreglo. El color del ladrillo de la imagen superior y el del diseo no son significativos. Comopudoverseenlasfigurasanteriores,losladrillosnohansidocolocados enteros, fueron cortados a la mitad por su cara ms grande y el corte fue dirigido alolargodesulongitudmayor.Estoserealizaprincipalmenteporqueel aislamiento que proveen 2 pulgadas de ladrillo (6.35cm) puede ser suficiente, y seconsiderarashastaquelocontrariosedemuestreenlaseccin3deeste documento. Otra de las razones es que, el espacio entre ladrillo y ladrillo que estn adyacentessehacemayorentremslargosseanestos,yrellenareseespacio puede requerir mucho material, que probablemente sea innecesario debido a que enunaconfiguracincilndricapuededarseelcasodequeagregarcapas adicionales de aislamiento no produzca ningn efecto significativo. 32 Se dispone entonces de una cota de altura mxima para calcular el volumen de la cmara de fundicin, pero para evitar que se pierda calor hacia el ambiente deben aislarsetambinlabasedelhornoycolocarseunatapaderaremovibleparael mismo.Labasedeberirfijadaconcementorefractario,pero latapadera,como se dijo anteriormente, debe ser retirada cada vez que sea necesario. Para evitar que la tapadera se mueva de su sitio, es decir, no resbale, es necesario limitarsumovimientosoloaladireccinverticalaadiendotopesenlacara inferior de la tapadera, los cuales deben servir para que quede acoplada al horno y su movimiento en la direccin horizontal quede imposibilitado. Para no levantar la tapadera,lacualseestimaserpesada,debedotarsealamismadeunamirilla para poder observar el estado de la fundicin, la cual debe ser removible. Teniendo en cuenta todas las estimaciones realizadas hasta el momento (volumen interior,alturadelacelda,tapaderaybase,etc)puedeahoraconocerseel dimetrointernorequeridoparaquesecumplaelrequisitoanteriormente establecido de volumen, que era 6 litros.1 litro = 1x10-3m Figura 21: Problemtica inicial, determinar el dimetro interno de la cmara de fundicin. 33 El volumen de un cilindro viene dado por la expresin siguiente: Y dado que se conocen el volumen y la altura, resolviendo para d se obtiene que el dimetro debe ser: d = 20.7 cm. Serealizarondibujosdepruebatratandodecolocarlosladrillosdeformaquese ajustaranaldimetrocalculado,ynoselogrdichocometidoporquesiempre resultabaunacantidadfraccionariadeladrillos.Seoptporponerunnmero discreto de ladrillos y ajustar el volumen. La eleccin fueron 12 lados, y como los ladrilloshansidopartidospreviamentealamitadresultaronnadams6ladrillos paraconstruirelcilindro.Seajustabamsprecisamentelamedidacon11 segmentos, pero es inviable desde el punto de vista econmico porque se siguen partiendo 6 ladrillos y se desperdicia una mitad. La figura 22 muestra el resultado de usar 12 segmentos de ladrillo. Figura22:Cilindroqueconstituirlacmaradecombustin.Elintersahoraqueest definidounnmerodeladrillosesdeterminarelnuevovolumendelacmarade fundicin. 2.4V d ht= 34 Comose viopreviamente,en elinteriorno seformaunacircunferenciaperfecta, pero no est muy alejado de serlo. Se buscar el dimetro del crculo ms grande que pueda ser inscrito en el dodecgono (figura geomtrica plana de 12 lados), y seusarlaherramientainformticaSolidworksparadeterminarlo,comose muestra en la figura 23: Figura23:Circunferenciamsgrandequepuedeserinscritaalinteriordelarreglode ladrillos. Las unidades son milmetros (mm). Se aprovech a determinar la circunferencia ms pequea que pueda contener al arreglo de ladrillos. El resultado es una circunferencia de 21.3 cm de dimetro, siendo el incremento endichamagnitudcorrespondientea2.9%,bsicamentedespreciable.Elnuevo volumen, usando dicha magnitud se calcula usando la ecuacin para el volumen de un cilindro, y su resultado es: V = 6.3 litros. Lacircunferenciamspequeaquelogracontenerensuinterioralarreglode ladrillostieneundimetrode34.5cm,siendoelespesordelapared6.6cm.El espacio entre ladrillo y ladrillo deber llenarse con arcilla refractaria. 35 Se construye la base del horno en arcilla refractaria, debiendo dejar fija dicha base a una estructura metlica que le d una altura considerable y le de firmeza, en la base se armar un enrejado con varilla lisa de de pulgada para que la mezcla se adhiera a dicha estructura, como se muestra en la figura 24. Figura24:Estructuraqueservircomobaseparaelhorno.Semuestraunenrejadode varilladedepulgada,elcualhacelasvecesderefuerzoparalamezcla.Laspatas tienen una altura de 20cm y se us tubera de 1 pulgadas.Un detalle importante es que no se llenar la totalidad del volumen que se forma enlacavidad,sinoquesedejarpulgadamsabajodelbordedelalmina metlica,siempreycuandosuespesorlepermitarolarlaysoldarlasinquese abolle. Una vez que se ha construido la base, se sigue el mismo procedimiento de rolado para forrar la pared de ladrillos que constituir la cmara de fundicin. Servir de ayuda un molde cortado en madera que tenga la forma aproximadamente circular de la base. 36 El resultado deber ser como el que se muestra en la figura siguiente, aunque no es etapa todava de pegar los ladrillos que formarn a la cmara de fundicin. Figura25:Semuestracmodeberaquedarlacmaradefundicindelhorno ensamblandolabase,elcilindroformadoconladrillosylaenvolventedelminapara protegertodalaestructura.Noesmomentodepegarlosladrillosalaestructura,alos ladrillos hace falta someterlos a un proceso de cortes, que llamaremos acanalado. Como se coment en la descripcin de la imagen, al horno hace falta trabajarlo en laetapadelosladrillos,loscualesdebendarcabidaalaresistenciaelctrica, elementocalefactorycorazndelsistema.Puedenserdispuestasdemuchas formas,teniendoencuentaqueamayorlongitudderesistenciautilizada,mayor calor se est transfiriendo al material fundente, pero as es tambin el consumo de energaelctricayelpreciofinaldelhornodependerprincipalmentededicho factor. 37 Una de las mltiples maneras es hacer mltiples pasos en espiral de la resistencia en el interior del horno, siendo el eje de la espiral el mismo del cilindro. Bastarn 4 pasosdelaresistenciaporlosladrillos,debiendoentonceshaceruncanalenel que puedan colocarse y asegurarse que no se caigan. En el anexo 1 se muestra un documentorelacionadoalasresistenciaselctricas,ysedetallarmsacercade su funcionamiento en el apartado 2.3. Conviene ahora enumerar cada ladrillo del 1 al 12, puesto que cada uno llevar su correspondienteseriedecortesynopodrnserintercambiablesentres.Todo comienza con la resistencia, que por lo general cuando se arrolla tiene un dimetro final de 10mm. Las resistencias calentarn mucho, por lo que los canales no deben tenerexactamentedichotamao,cuandosedilatenlasresistenciaspuede provocar que las mismas se daen, porque como se ver en la seccin 2.3 tienen unadisminucinensumdulodeelasticidadamedidalatemperaturaaumenta. Unesfuerzoocasionadoporlarestriccinquelaparedleofreceasulibre dilatacin puede reducir su vida til y provocar su falla prematura. Otro aspecto que debe considerarse antes de empezar a realizar los canales sobre losladrilloseslatapadera,elemento requeridoparaevitarqueelcalorse pierda hacia los alrededores, como se haba descrito previamente en esta misma seccin. Paraquelatapaderanointerfieraconlasresistencias,seubicsobreelladrillo nmero 1 el origen de la resistencia misma, y dicho punto de inicio est 30mm por debajodelbordesuperiordelladrillo.Elanchodelcanalporelquepasarel ladrilloesde12mmydichocanalestorientadoa3.5pordebajodela horizontal.Para evitar medir cada ladrillo individualmente es recomendable imprimir un patrn atamaoreal,luegoseubicantodoslosladrillosenordenyserealizancortes continuos con una herramienta angular. Nose requiere precisin milimtrica para dicha labor, pero si una continuidad a lo largo de cada canal. Recordar que cuando se disponga a colocarlos en su posicin definitiva formarn una hlice y esa serie de canales individuales formarn un solo camino para las resistencias. Semuestraundetalledelladrillo1enlafigura26,enlafigura27todoslos ladrillospuestosalaparparaverlaevolucindelcanalyenelCDadjuntoun documento en PDF a tamao real de los cortes que se realizarn a cada ladrillo. 38 Figura 26:a) Puede notarse que el canal no es horizontal, tiene una inclinacin de 3.5 respecto a la horizontal.Enelprimeryelltimocanaldeesteladrillo(eselnicoquetendr5)se observanunosagujeros,paraquesalganlosextremosdelhilocalefactor,que previamentehasidoenrolladosobresmismoalcanzandoundimetrode10mm aproximadamente. b)Detalleentresdimensionesdelladrillo#1,alpartirlosladrillosalamitadcomose explicanteriormente,sedebetenercuidadodehacerloscanalessobreelladoms delgado. 39 Figura27:Disposicinfinaldelosladrilloscortadosycomodebenversecuandosehan realizadoapropiadamentetodosloscortes.Seharepetidoelladrillo12aliniciodel esquema para as garantizar que los canales son todos continuos, es decir, al colocarlos de manera cilndrica se vea un solo inicio y un solo fin. El resultado final se muestra en la figura 28: Figura 28: Vista en corte del horno con sus acanalados, en ellos estar la resistencia. 40 Antesdelasiguienteetapadelprocesodeconstruccindelhornoesnecesario dotaralacmaradefundicindeunasorejasparapoderlevantarlayhacer limpiezaenelhorno.Esporestaraznquelabaseylacmarasonpartes independientes, cualquier accidente podra suceder: derrame o volteo de un crisol, rotura de las resistencias, alojamiento de objetos extraos en el fondo, etc. Una sugerencia adicional es colocar clavos de acero en los espacios libres que han entrelminayladrillosdelacmaradefundicin,estofuncionarsimilaral enrejadoqueseconstruyenlabase:paraquelamezclaseadhieraaambas piezas.Paralabasepudoinclusoomitirseestepaso,peroparalacmarade fundicinesimportante,puestoquepodraresbalarelarreglodeladrillosy quedarnos solamente sosteniendo la envolvente metlica. Porelladoexteriordelladrillo 1esimportanterealizarunagujeroadicionalpara colocarunatermocuplaountermopar,parapodercuantificarlatemperatura aproximadaenelinteriordelhorno,estoconelfinderegularlademanera apropiada para no exigir mucha potencia a la red (en el caso que se quiera fundir estao no es necesario que se caliente a 1000C el horno, por ejemplo) y a la vez para extender su vida til, dado que esta es funcin de las temperaturas a las que trabaja.Sinoselimitalapotenciasuministradaalasresistencias,estas consumirntodalaqueencuentrendisponible.Sedetallarmsestaparteenla seccin 2.3. Si ya se ha realizado todo esto, pueden rellenarse los espacios vacos que hay en elexteriordelosladrillosrefractariosconcemento,delmismoconelquese construy la base. Nosquedanadamsdisearlatapaderadelhorno,lacualconstruiremoscon arcillarefractariayhierro,similaralabaseporqueesuncomponentemvily estarsujetaagolpescuandosecoloqueoseretirelamisma,ysinotuvierael enrejado podra deslizarse la mezcla de arcilla, o resquebrajarse. Comosevioenlafigura23,lacircunferenciamsgrandeenelinterioryms pequeaenelexteriortienenundimetroaproximadode213mmy345mm, respectivamente,yenbaseadichasmedidassetrabajar.Paraqueeltopeque llevar la tapadera no haga contacto con las resistencias elctricas, la profundidad mxima a la que llegar dentro de la cmara de fundicin es de 1 pulgada. Paraelcuerpodelatapaderaserequierequeyaestlistasuparteexterna fabricada de lmina de hierro negro, en la cual se har un enrejado. En el diseo 41 se le instalaron orejas exactamente iguales a las que tiene la cmara de fundicin. La tapadera ya terminada se muestra en la figura 29: Figura 29: a) Vista completa de la tapadera, se puede ver el agujero requerido en el diseo. b) Vista en corte de la tapadera mostrando el excedente que se dej por el lado de adentro en la cmara de fundicin. La ltima pieza en ser considerada para el diseo del horno es el tapn pequeo, que servir nada ms como visor.Se fabricar con ladrillo refractario y lminade acero,lamismaquesehausadoentodoelprocesodefabricacin.Sedotara dicho tapn de unaargolla para poder agarrarlo, si la temperatura es muy alta y se ha calentado puede usarse cualquier herramienta metlica. Se muestra el tapn enlafigura30.Nohacefaltadecirqueeldimetrodelvisordebeser aproximadamente el del tapn, por lo que la placa metlica ser ligeramente ms grande para evitar que caiga al interior de la cmara de fundicin. Figura30:a)Vistaenisomtricob)Vistalateralmostrandolaargollayeltamao relativamente mayor de la lmina a comparacin del refractario. 42 Todo el diseo mecnico del horno ha sido finalizado, y su ensamble se muestra en las figuras 31 y 32. Figura 31: Corte de seccin del horno totalmente ensamblado y sellado. 43 Figura 32: A la izquierda el horno ensamblado y destapado, a la derecha vista seccin de la misma posicin del horno. 44 2.2. AISLAMIENTO TRMICO Sirecibelasuficienteenergaenformadecalor,unmetalpuedefundirsesin necesidad de que el recipiente en el que se est llevando a cabo el cambio de fase del material est aislado de sus alrededores. Una fuente de calor como la usada en elhornoqueestdisendosepuedeproveerdichaenerga,peromuchadeella sera desperdiciada. Para focalizar la concentracin de dicha energa en el metal a fundir y en el crisol quelocontieneesnecesarioaislarlacmaradefundicinparaquelaradiacin trmicasequedeatrapadaensuinterior.Recordandoquelaradiacinpara algunosmaterialesesconsideradacomounfenmenosuperficial,muypoca energa radiante atravesar las fronteras del sistema, entonces la transferencia de calor se realizar desde los elementos calefactores hacia el crisol y hacia el metal fundente,pueslasparedesdeladrillorefractarioactancomounespejoparala radiacin, funcionando en principio igual a un horno de reverberacin. Ademsdeatraparlaradiacintrmicaenelinterior,lasparedesdematerial refractario son usadas para proteger al operario del horno de quemaduras severas debido al contacto de sus manos o cualquier parte del cuerpo a las temperaturas que en el interior se encuentran, cercanas a los 1000C. La conductividad trmica delosladrillosesmuybaja,porloqueunoscuantoscentmetrosdeespesor pueden reducir significativamente la temperatura en el exterior del horno debida a laconduccindelcalordesdelaparedinterior,enlaqueseencuentranlas resistencias. Radio crtico de aislamiento Para configuraciones planas de paredes aislantes, entre ms grande sea el espesor dedichaparedlatransferenciadecalorsevedisminuida,noaspara configuracionescilndricasoesfricas,enlasqueexisteunparmetrollamado radio crtico, que depende de la razn entre la conductividad trmica del material y el coeficiente convectivo exterior. Para un cilindro:

Para una esfera:

Se calcularn para diversas situaciones los valores del radio crtico de aislamiento, para determinar si el espesor seleccionado es el apropiado. 45 Recordandoqueelradiocrticodeaislamientodeterminaparaquespesorde aislantelatransferenciadecalorsermxima,sielradiodelaparedcurvaes mayoralradiocrticolatransferenciadecalorsereduce,sucediendotodolo contrariocuandoelradioesmenoralcrtico:laadicindematerialaislanteen realidad aumenta la transferencia de calor en comparacin con el cilindro o esfera desnudos; dichos efectos se muestran en la figura 33. Figura33:Radiocrticodeaislamientoparaunaparedcilndrica.Notardelgrficoque para valores de r2 menores al radio crtico, la transferencia de calor aumenta en lugar de disminuir;yparavaloresder2mayoresqueelcrtico,dichatransferenciadecalorse reduce.Existirnaplicacionesenlasquesedeseequelatransferenciadecalorsea mxima, como en los conductores elctricos y los condensadores de flujo, pero en el caso de las tuberas de transporte de vapor o gases refrigerantes y hornos, se pretende que la transferencia de calor sea lo ms pequea posible.Teniendoencuentaquepormedidadeseguridadelhornodebeutilizarseenun rea bien ventilada, se tomar el coeficiente de conveccin externo como:h = 15 W/mK y de la tabla A-8 (Cengel, 4 edicin) se tomarn los siguientes valores para k: k = 1.0 W/m.K a 478 K k = 1.5 W/m.K a 922 K k = 1.8 W/m.K a 1478K 46 Paralacondicinmssevera,quees1478K,secalcularelradiocrticode aislamiento:

Delafigura23,elradioexternodelapareddeladrilloses17.25cm,ycomoel radiocrtico obtenidofuede12cm,sepuedeconcluirquer>rcrtyportantose minimizalatransferenciadecalor.Paratemperaturasmenores,laconductividad trmicadelladrillodisminuyeyportantoelradiocrticoparadichascondiciones ser menor. 2.3. INSTALACIN ELCTRICA Y CONTROLES Comopreviamentesehabadefinido,elhornoproducircalormedianteuna resistenciaelctricaconectadaaunafuentedetensindeAC.Enelmercado existenmuchassolucionescuandosetratadecalentamientoelctrico,siendola mejoralternativaelhilodekanthal,unaaleacindiseadaespecialmentepara serdurableaaltastemperaturas,llegandohastalos1300Ccomolmite mximo permitido. Sus constituyentes son principalmente hierro, cromo y aluminio. En la figura 34 se muestran algunos ejemplos de resistencia de hilo o alambre. Figura34:Tiposderesistenciaelctricaparasuusoenelcalentamiento,principalmente de hornos para fundicin. 47 Existenotroscomponentesresistivosquepuedenserusadoscomocalefactores, entre ellos las resistencias rgidas, que son barras de la misma aleacin pero como su nombre lo dice, no pueden ser conformadas. Tambin, para fundicin de otros metales con un punto de fusin elevado se utilizan electrodos fusibles de grafito, barras de carburo de silicio (SiC), entre otros.Algunasresistenciasrgidaspuedenserdotadasdesuperficiesextendidaspara aumentarelreaqueestintercambiandocalor.Semuestranejemplosenel siguiente figura: Figura35:Diversoselementosusadosparacalefaccinenlaindustria:elementos aletados, sumergibles en diversos medios o incluso electrodos para fundicin en horno de arco elctrico. 48 Resistencia calefactora Volviendo al tema principal de esta seccin, la resistencia que se utilizar debe ser flexible para poderla alojar dentro de las ranuras cortadas en los ladrillos, que una vez fueron juntados forman una espiral. Dado que el ngulo de avance de dicha espiral es muy pequeo, la longitud total de dicha ranura es 108 pulgadas, lo que esigualamultiplicarpor48lalongituddelcorterealizadoencadaladrillo,que tiene2depulgadadelargo.Teniendoencuentaquedebenrealizarselas conexioneselctricaspertinentes,laresistenciadebellevarunosterminalesfros paraconexindeporlomenos4pulgadas,dadoquedebenatravesarpor completoelanchodelladrilloqueson2pulgadasydebenhacersenudos, soldadurasoapretesparaconectarelcablequellevarlaenergahastala resistencia. Enlafigura36semuestraunaresistenciaysussegmentosdecalentamientoy conexiones. Figura36:Sepuedeapreciarconfacilidadquelos terminales de conexin elctrica estn aislados y lejos delcalordelacarcasametlica,paraevitarquelos conductores se derritan. Para los requerimientos de seguridad que debe cumplir un equipo de este tipo se debenrealizarlasconexioneselctricasusandouncalibreapropiadoparalos cables.LasresistenciasdeKanthaltrabajanporlogenerala220Vyconsumen 4400Wdepotenciaelctrica,deladefinicindepotenciaelctricapuede despejarse la corriente I para buscar el cable apropiado en tablas especializadas. Lacorrientequecircularporlosconductoresserde20A,porloquelos conductores se deben seleccionar con calibre AWG #10 THHN, para soportar una temperatura en los conductores de hasta 90C y 30A en operacin estable. Control de temperatura Para lograr que el metal se derrita podra utilizarse la mayor potencia pero eso no esdeltodoconveniente,puestoquepodraacortarlavidadelaresistenciayse produciraunconsumoinnecesariodeenergaelctrica.Conunatemperatura ligeramente mayor a la de fusin para cualquier metal basta para fundirlo, y para controlar la temperatura se debe disponer de un sistema electrnico para dicho fin. 49 Secomercializanvariosmodelosenelmercado,condiferentesprestacionesy configuraciones. El que ms puede ajustarse a la aplicacin debe tener alarmas de lmite inferior y lmite superior de temperatura, esto para evitar que la resistencia permanezca encendida todo el tiempo.Mientras la resistencia consuma energa elctrica, se estar suministrando calor al sistema, teniendo como consecuencia un aumento en la temperatura de la cmara defundicin.Serequiereunflujocontroladodecalorparaqueelprocesode fundicin pueda considerarse en equilibrio, por lo que si se apaga la resistencia y sevuelveaencendercuandolatemperaturahadescendidoligeramente(mso menos5gradosCelsius)segarantizaqueelflujodecalorseaconstante,yal mismotiemposereduceelconsumoelctrico.Semuestrauncontrolde temperatura de la marca OMRON, modelo E5CN, en la figura 37. Figura 37: Control de temperatura programable, con alarmas de lmite inferior y superior detemperatura,paraconectarydesconectarlaresistenciacalefactorayasasegurarun flujo de calor relativamente uniforme. Interruptor termomagntico Paracualquierinstalacinelctricaserequierequedispongaundispositivode seguridadparaprotegeratodoelcircuitodeunasobrecargaelctrica,cuyo sntomaprincipalsemanifiestamedianteuncalentamientoexcesivodelos conductores. Dadoqueyaseconocequefuncionara220Vycircularn20Aenelcircuito,el interruptortermomagntico,comnmenteconocidocomotrmicodebeserde 30Aparaquenoseactiveconcualquiersobrecarganormal,puestoqueal 50 conectar el circuito el pico de corriente es elevado, pero de corta duracin. Luego de superada la etapa transitoria, el consumo se estabiliza. Se muestra un trmico doble, para interrumpir de manera simultnea ambas fases en la figura 38. Figura38:Interruptortermomagnticoparaapagardosfasesdeunasolavez.Su amperaje nominal es de 30A. 2.4. CRISOLES Y MOLDES PARA VERTIDO Crisol: El crisol es una parte fundamental de un horno para fundicin, puesto que en l se contiene elmetalfundido,elcualluegoservertido enunmoldeparadarleuna forma til. Los crisoles son construidos con materiales refractarios, por lo general de grafito y otras arcillas como el carburo de silicio. Se muestran diversos tipos de crisol en la figura 39. Figura39:Crisolesfabricadoscongrafitoalaizquierda,yaladerechafabricadoscon carburo de silicio. 51 El volumen que es capaz de contener un crisol depende mucho del horno. Puede fabricarse a partir de las arcillas refractarias ms comunes, aunque se encuentran comercialmentemuchosmodelosquetienenunacalidadexcepcionalyestn normalizados para volumen de material a fundir, tipo de metal y temperaturas de operacin. Se puede generalizar una clasificacin de los tipos de crisol, como la mostrada en la figura 40.Moldes: Losmoldessonaquellosdispositivosdefabricacinartesanaloindustrialque contendrnalmetalfundido,yensuinteriorsesolidificarhastaadquiriruna formadefinida,ademsdeciertoniveldeagujasoelementosnodeseados,las cualesdebensereliminadasenunprocesoderefinamientoposteriorala solidificacin de la pieza. Puedenclasificarseenfuncindelautilizacinqueseledaralmismocomo molde permanente o molde de arena, los cuales tienen un carcter temporal. Elprocesodefundicinenarenasedescribeenlafigura41,yrequierela existencia de una pieza, la cual se pretende reproducir. Una vez se ha desmoldado la pieza, si no se ha daado el molde puede volver a utilizarse, de lo contrario lo mejoresdescartarlo.Serecomiendasloencasosenlosquesedeseefabricar una sola pieza. Parafabricarmuchaspiezasigualesseusanlosmoldespermanentes,cuyas tcnicas son muy variadas, empleando la ayuda de sistemas mecnicos, hidrulicos y neumticos para el conformado de las piezas. Son por lo general aleaciones con altos puntos de fusin, usndose tambin arcillas refractarias. Para el molde en arena, la tolerancia geomtrica depende mucho de la calidad del molde, cuanto ms compactada est la arena mejor ser la calidad del molde. En cuantoalosmoldespermanentes,latoleranciaesmejorpueselenfriamiento puede ser controlado usando refrigeracin externa y puede compactarse el metal fundido tanto como sea posible para evitar la formacin de burbujas en el interior delapiezafabricada.Semuestranejemplosdepiezasfabricadasconmoldeo permanente en la figura 42. 52 Figura 40: Clasificacin de los crisoles en funcin del material con el que se han fabricado, su aplicacin y el rango de temperaturas para el que ha sido diseado. 53 Figura 41: Proceso de fundicin en arena verde, la cual es una mezcla de slice, bentonita yunapequeacantidaddeagua.Notarqueelmoldedebellevarunaovariasentradas paramaterialfundido,dependiendodelacomplejidaddelapiezaparaquenofalte material y la pieza al enfriarse pierda tolerancia. 54 Figura42:Ejemplosdepiezasquehansidofabricadasenmoldespermanentes.A diferencia de la colada en moldes de arena, las piezas fabricadas pueden tener una mayor complejidad,manteniendounatoleranciageomtricamuyajustadaalasexigencias requeridas. 55 CONCLUSIONES De la investigacin realizada se puede concluir lo siguiente: La radiacin es un fenmeno fsico que tiene un comportamiento similar al delasondaselectromagnticas,yentrelatotalidaddelespectrode radiacin se encuentra una franja correspondiente a la radiacin trmica, que a su vez incluye a la radiacin visible. Existendostiposdehornoparafundicindemetalescuandoson comparadosenbasealmododecalentamientoqueproducen:hornosa base de combustibles y hornos elctricos. Lasventajasdeunhornoelctricofrenteaunhornoquequema combustibles para producir calor son: oMayor rendimiento econmico, con la misma cantidad de dinero invertido se puede obtener ms calor de una fuente elctrica que de la combustin de un gas. oParaequiposdeigualcapacidad,loshornoselctricossonms compactos y portables que sus contrapartes de combustin. La combustin produce gases que pueden depositarse en el material afundir,locualreducelacalidadylaspropiedadesmecnicasdel mismo.Loshornoselctricosnoproducengasesresiduales,porlo que la fundicin se realiza de una manera ms limpia. Losmecanismosdetransferenciadecalorpresentesenunhornoque funcionaquemandocombustiblesson:conduccin,conveccinforzaday radiacin,siendolaconveccinelprincipalagenteactuando.Encambio, paraloshornosquefuncionanconelectricidad,elprincipalmodode transferencia de calor es la radiacin trmica. 56 BIBLIOGRAFA Yunus Cengel / Afshin Ghajar oTransferencia de calor: Fundamentos y aplicaciones Cuarta edicin, editorial McGraw Hill Donald Kern oProcesos de transferencia de calor Dcima edicin, editorial CECSA Frank P. Incropera / David P. DeWitt oFundamentos de transferencia de calor y masa Cuarta edicin, editorial Prentice Hall Virgil Faires / Clifford Simmang oTermodinmica Sexta edicin, editorial UTEHA Sydney Avner oIntroduccin a la Metalurgia fsica Segunda edicin, editorial McGraw Hill http://foro.metalaficion.com/index.php?topic=77.0 oTema: Construccin de un horno elctrico Usuario creador del tema: Carpin ConocimientosadquiridosduranteelcursodeTransferenciade Calor 57 LISTADO DE ARCHIVOS ADJUNTOS Sehancreado4carpetas,unaconelnombredecadaestudianteyotraque contiene libros de termodinmica y de transferencia de calor en PDF citados en la bibliografa.Encadaunadeellasestelaportequecadaintegrantedelgrupo realiz para dar cobertura al tema.Contenido de la carpeta Leif Presentacin del tema: Radiacin trmica y tipos de horno para fundicin de metales: UNIVERSIDAD-DE-EL-SALVADOR.pptx Modelizacindelcambiodefasesolidolquido.Aplicacinasistemasde acumulacin de energa trmica; tesis doctoral de la Universidad Politcnica de Catalunya: MoDELIZ_cambiodefase.pdf Diseo de equipos e instalaciones FIRED HEATERS: Hornos y calderas.pdf Diseo de hornos (de combustin): Diseo-de-hornos.pdf Contribuciones para elaboracin de este informe Contenido de la carpeta Alfredo Carpetadiseohornosolidworks,queasuvezcontienelascarpetas ladrillos enumerados y capturas de pantalla: Contiene, como su nombre lodice,todaslaspiezasquefuerondiseadasapartirdelosclculos mostradosenestedocumentoysusrespectivosensambles.LosCAD requieren la versin 2012 o posteriores de Solidworks para poder abrirse. Presentacindeltema:Diseodehornoelctrico:Diseodehorno elctrico.pptx Hoja de datos del hilo de Kanthal (resistencia calefactora): Kanthal A-1.pdf Manual de usuario control de temperatura OMRON E5CN: Manual E5CN.pdf TesisdegradodelaUniversidadSanFranciscodeQuito:Diseoy construccindeunhornodecrisolparafundicinutilizandogasnatural: Horno gas.pdf Contenido de la carpeta Jorge Contribucin para elaboracin de presentacin del tema Se incluyen tambin este documento en formato .docx y en formato .pdf, adems deundibujoaescalarealdondese muestraelcortequedeberealizarse acada ladrillo.