análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión
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Escuela de Diseño
Tesis
Análisis térmico para diseño de horno por
convección forzada para vitrofusión.
Que para obtener el título de la:
Licenciatura en Diseño Industrial
Presenta:
Ma. Eugenia González Gollaz
Acuerdo: 2002192 León, Gto. 2015
i
UNIVERSIDAD DE LA SALLE BAJÍO
ABSTRACT
ANÁLISIS TÉRMICO PARA DISEÑO DE HORNO POR CONVECCIÓN FORZADA PARA MANEJO DE LA TÉCNICA DE
VITROFUSIÓN.
Por: Ma. Eugenia González Gollaz
Lo que a continuación se presenta, trata de una investigación
realizada para impulsar la técnica de manejo de vidrio a alta
temperatura denominada como vitrofusión, a través del análisis
térmico de un horno en distintas situaciones en el que se pondrá a
prueba la convección forzada para realizar la propuesta de mejora
de un horno.
El siguiente trabajo habla sobre las razones las cuales me
impulsaron a realizar esta investigación, se plantea la problemática
que se percibe al trabajar con un horno de resistencias, el cual
consiste en la mala distribución de calor dentro de la cámara de
cocción que tiene como consecuencia desperfectos en las piezas y
desperdicio de calor.
Las premisas obtenidas del análisis del manejo de un horno de
resistencias eléctricas que fueron cuestiones de ergonomía,
proceso y resultado en piezas centraron la problemática para
después obtener vertientes las cuáles, permitieron tener un criterio
para realizar un estudio de referentes que fueron dos fabricantes
líderes en hornos de resistencias para la técnica de vitrofusión y
cerámica; Skutt y Olympic Kilns. Posteriormente se generó una
hipótesis sobre aspectos que mejorarán la repartición de calor
dentro del horno, cuestiones de uso, ergonomía y transferencia de
ii
calor. Al generar está hipótesis se plantea el uso de una
metodología adoptada para llegar a la validación bajo un esquema
concluyente.
De igual manera, se invita al lector a introducirse a esta técnica de
manejo del vidrio, pues se presentan datos referentes al marco
histórico sobre el uso de esta materia prima, aspectos sociales y
culturales, además de fundamentos del uso de esta materia prima
para despertar interés a los que no están familiarizados con el
tema, así como una referencia para los practicantes de esta
técnica.
iii
Índice
Capítulo 1: Estado de problemática 1 1.1. Motivación. 3 1.2. Definición de las áreas de investigación. 3 1.3. Establecimiento de la problemática. 4 1.4. Análisis de la problemática 5 1.5. Definición de objeto de estudio. 11 1.6. Justificación. 12 1.7. Referentes. 14 1.8. Hipótesis. 21 1.9. Postura de la investigación. 25 1.10. Objetivos de la investigación. 25 1.11. Estrategia de Investigación. 26
Capítulo 2: Antecedentes del vidrio e introducción a la técnica de vitrofusión. 29
2.1. Marco histórico y social del vidrio. 29 2.2. Naturaleza del vidrio. 29 2.3. Tipos de vidrio. 29 2.4. Características y comportamiento del vidrio. 29 2.5. Procesos de las técnicas de la vitrofusión. 29 2.6 . Tipos de hornos y características. 29 2.7 . Ciclos de horneado. 29
Capítulo 3: Aspectos sobre termodinámica y transferencia de calor. 49
3.1. Importancia de la termodinámica y transferencia de calor en la industria. 52 3.2. Introducción a la termodinámica. 52 3.3. Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico. 52 3.4. Principios de la termodinámica. 54 3.5. Transferencia de calor. 56 3.6. Conducción. 56 56
Capítulo 4: Estudio comparativo entre hornos para vitrofusión modelos: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC 209GFE 58
4.1. Objetivo del estudio de comparación. 60 4.2. Método y estrategia de experimentación para el estudio de comparación. 60 4.3. Muestras para realizar experimentación. 61 4.4. Variables dependientes estudiadas. 63 4.5. Muestras en el interior de los hornos. 63 4.6. Estrategia de aplicación y recolección de datos. 64 4.7. Conclusión sobre comparación entre dos hornos para vitrofusión. 75
iv
CAPÍTULO 5: Desarrollo de la propuesta 78 5.1. Requerimientos de la problemática para ser solucionada 80 5.2. Requerimientos de la propuesta de solución para su ejecución 81 5.3. Documentación de la propuesta de diseño 93 5.4. Tablas técnicas complementarias y diagramas de flujo. 115 5.5. Memoria descriptiva 121 5.6. Análisis térmico para validación de hipótesis. 123 5.7. Tabla comparativa entre modelos existentes y propuesta de diseño. 151 5.8. Cumplimiento de la hipótesis 154 5.9. Conclusiones finales 159 5.10. Prospectivas 164
Bibliografía 1
Glosario 2
Anexos 6
v
Agradecimientos
A mi familia por su apoyo incondicional y ejemplo.
A Carlos Sánchez Vega, por introducirme al mundo del vidrio.
A mis maestros por enseñarme a superarme.
Al Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) en especial al
Ing. Luis Manuel Arredondo Vega, por su tiempo, conocimiento y
asesoría.
A los Talleres de Diseño de la Universidad de La Salle Bajío, por su
confianza y tiempo.
A DIFAM por su asesoría.
vi
1
Figura1. Fotografía del interior de horno skutt modelo km-1227, fotografía tomada por Joyce Barba Ontiveros
Capítulo 1: Estado de problemática 1 1.1Motivación. 1.2Definición de las áreas de investigación. 1.3Establecimiento de la problemática. 1.4Análisis de la problemática. 1.5Definición del objeto de estudio. 1.6Justificación. 1.7Referentes. 1.8Hipótesis. 1.9Postura de la investigación. 1.10 Objetivos de la investigación 1.11 Estrategia de investigación.
2
3
1.1. Motivación
Mi mayor motivación para realizar esta investigación, es favorecer la actividad de
manipulación del vidrio como materia prima a través de la técnica conocida como
vitrofusión.
Con el paso del tiempo los trabajadores y conocedores de distintas técnicas de
manejo de vidrio a alta temperatura, parten de un aprendizaje del material y de su
transformación; por lo que se convierte en un reto conocer la manera en que
posiblemente reaccionará. Es por esto que, me propongo exponer un caso de
estudio en particular que beneficiará a próximos trabajos usando la técnica de
vitrofusión.
Debido a que este tipo de actividad abre oportunidades a PyMEs aprecio la
necesidad de crear una propuesta de mejora a un horno de resistencias que es la
herramienta básica para llevar a cabo esta técnica.
Siendo practicante de la técnica de vitrofusión, me permite generar una propuesta
de mejora a un horno a partir de una previa investigación, que suministra
información útil a otras disciplinas tales como la ingeniería en sus diversas ramas,
para explotar la idea y generar alternativas.
Al hablar del diseño de una máquina que mejora un proceso que está generando
capital económico dentro de nuestro país, es otro motivo el cual me motiva a
realizar esta investigación, porque así como la historia lo demuestra el diseño ha
contribuido en el crecimiento de la economía en diversos países.
1.2. Definición de las áreas de investigación.
Vitrofusión (palabras clave: fusionado, termoformado, diseño en vidrio)
Horno (palabras clave: cerámica, vidrio, eléctrico, producción)
Ergonomía (palabras clave: herramientas, trabajador, sistema)
Transferencia de calor (palabras clave: convección, conductividad, transmisión,
calor)
Termodinámica (palabras clave: calor, tiempo, transferencia, conducción, joule,
BTU)
4
1.3. Establecimiento de la problemática.
Lo ideal al trabajar una pieza de vidrio en un horno, es tener el mejor control sobre
la disipación de calor dentro de la zona de cocción.
El calor suministrado por las resistencias eléctricas es intervenido a través de un
controlador que puede variar de acuerdo al fabricante. El problema que se ha
identificado en diversas quemas efectuadas en hornos con características
similares, en cuanto a ser manipuladas por un controlador digital, poseer un
pirómetro y resistencias eléctricas, es que difícilmente se obtiene una repartición
de calor homogénea dentro de la cámara de cocción sin generar desperdicio de
calor, que repercute en el resultado final de producción. Antes del establecimiento
de un producto final se deben realizar previamente numerosas pruebas para
analizar el mejor acomodo de las piezas, retrasando el proceso.
El trabajo que implica desarrollar piezas usando la técnica de vitrofusión involucra
cuantiosa energía eléctrica, en cuanto a este problema se han creado alternativas
de generación de electricidad a partir de elementos naturales, pero existe otro
factor que se debe tomar en cuenta que es la generación de calor y su
desperdicio, se debe enfocar la solución a esta problemática, puesto que
beneficiaría tanto como a la producción en tiempo y número de piezas como al
medio ambiente.
Al referirnos al desperdicio de calor como una de las problemáticas planteadas,
se puede decir que gracias a las leyes planteadas por la termodinámica se conoce
que la fuente de calor más caliente por naturaleza va a tender a ceder su calor al
encontrar un cuerpo con menos calor. En el caso de los hornos para vitrofusión el
material aislante que se usa por mayoría es el ladrillo aislante, el cual por sus
características permite el resguardo del calor dentro de la cámara de cocción
teniendo una absorbancia baja, pero aun así se encuentra el desperdicio de calor,
ya que hasta por misma protección al usuario se recomienda no estar cerca del
horno en el momento en el que este es encendido por el riesgo a sufrir alguna
quemadura. El calor que es producido por las resistencias eléctricas, se transmite
a las piezas por el aire dentro del horno o por convección natural pero también
existe un porcentaje almacenado en los ladrillos.
5
Teniendo en cuenta que es costoso realizar una producción de piezas, se debe
encontrar la solución para que el calor se aproveche, se acelere el proceso sin
repercusiones en las piezas con la finalidad de economizar los recursos, optimizar
el suministro y reutilizar el calor que se desperdicia con fines de beneficio al medio
ambiente.
1.4. Análisis de la problemática
A continuación se hace referencia a los aspectos positivos y negativos que se
presentan al practicar la técnica de vitrofusión, estas premisas se obtuvieron a
partir de un análisis en el que se tomaron en cuenta: contacto ser humano-
máquina, aspectos técnicos del horno como herramienta y su importancia con el
vidrio, aspectos medio ambientales, eficiencia de trabajo y producción y por último
las características del vidrio.
ASPECTOS POSITIVOS
-Los hornos de resistencias son utilizados tanto para cerámicos como para vitrofusión, por lo tanto pueden llegar a alcanzar más de 1000°C.
-El diseño del horno favorece la eficiencia en cada quema.
-Se realizan piezas de aspecto único que se adquiere a partir de la temperatura que se maneje.
-Aprovechamiento de la energía.
-Generación de piezas únicas, por el diseño del horno.
ASPECTOS NEGATIVOS
-Se deben usar moldes completamente secos, de lo contrario provoca fallas o rupturas en las piezas, como consecuencia una quema deficiente.
-Existen factores por los cuales las piezas bajan su calidad, como tipo de vidrio, compatibilidad, coeficiente de dilatación, choque térmico, diferencia entre velocidad y temperatura y material con el que interactúa.
-En cada quema se invierte mínimo dos días, hasta que el vidrio enfríe y no se rompa, por lo tanto el proceso es lento.
6
-No es ergonómico el diseño de algunos hornos, pues implica malas posiciones para introducir piezas pesadas dentro del horno.
-La disipación de calor dentro del horno no es del todo controlable; es necesario experimentar hasta lograr una pieza definitiva.
Teniendo estas premisas lo siguiente es ponderar con un porcentaje la
importancia que se le considere a cada punto de acuerdo a la práctica y
conocimiento que se tiene de la técnica y su herramienta de trabajo. Se le asigna
un porcentaje para obtener un resultado total del 100%. Aquél aspecto que
obtenga un porcentaje mayor valdrá como guía para centrar la problemática a
estudiar.
En los aspectos positivos se le asignó el 60% a la importancia del diseño del horno
como variable dependiente que favorece la práctica de la técnica, puesto que la
transferencia de calor es a través de resistencias eléctricas el diseño del horno es
de suma importancia para la ubicación de algunas variables independientes que
pueden ser las resistencias eléctricas, termopares, pirómetro digital, vidrio, etc.
Por otro lado en los aspectos negativos la premisa que obtuvo mayor porcentaje
que fue el 55% menciona la importancia del control del calor dentro del horno. Al
tratarse de un horno eléctrico este control es a través de un pirómetro digital o
análogo.
7
Porcentaje Aspectos positivos Aspectos negativos Porcentaje
10%
Los hornos de resistencias
son utilizados para
cerámicos como para
vitrofusión, por lo tanto
pueden llegar a alcanzar
más de 1000°C.
Se deben usar moldes
completamente secos, de lo
contrario provoca fallas o
rupturas en las piezas,
como consecuencia una
quema deficiente.
15%
60%
El diseño del horno
favorece la eficiencia en
cada quema.
Existen factores por los
cuales las piezas bajan su
calidad, como tipo de vidrio,
compatibilidad y coeficiente
de dilatación, choque
térmico, diferencia entre
velocidad y temperatura y
material con el que
interactúa.
25%
10%
Se realizan piezas de
aspecto único que se
adquiere a partir de la
temperatura que se le
maneje.
En cada quema se invierte
mínimo dos días, hasta que
el vidrio enfríe y no se
rompa, por lo tanto el
proceso es lento.
5%
5% Aprovechamiento de la
energía.
No es ergonómico el diseño
de algunos hornos, pues
implica malas posiciones
para introducir piezas
pesadas dentro del horno.
10%
15%
Generación de piezas
únicas, por el diseño del
horno.
La disipación de calor
dentro del horno no es del
todo controlable; es
necesario experimentar
hasta lograr una pieza
definitiva.
55%
100% TOTAL 100%
Esquema 1: Evaluación de percentiles
Esquema 1: Ponderación de porcentaje de valor de importancia.
8
Posteriormente se le da un valor de cumplimiento a cada premisa. Teniendo como
valor más alto el 4 y el más bajo 1. De lo cual se concluye que en cuanto a los
aspectos positivos, un horno de resistencias eléctricas puede ser diseñado para
usarse en otras técnicas como la cerámica y tener mejores beneficios a
comparación de un horno de gas pues se tiene mayor precisión en el suministro
de calor dentro de la cámara de cocción, otra premisa de los aspectos positivos
con mayor cumplimiento fue el de aprovechamiento de energía ya que se debe
diseñar la quema para tener un mejor aprovechamiento de espacio y por ende una
optimización de uso de energía eléctrica.
En los aspectos negativos se concluye la importancia de los requisitos técnicos de
los materiales para trabajarlos así como la importancia del control del calor a partir
de un pirómetro como valor de cumplimiento.
9
Valor Aspectos positivos Aspectos negativos Valor
4
Los hornos de resistencias son
utilizados para cerámicos como
para vitrofusión, por lo tanto pueden
llegar a alcanzar más de 1000°C.
Se deben usar moldes completamente
secos, de lo contrario puede provocar
fallas o rupturas en las piezas, como
consecuencia una quema deficiente.
2
2 El diseño del horno favorece la
eficiencia en cada quema.
Existen factores por los cuales las
piezas bajan su calidad, como tipo de
vidrio, compatibilidad y coeficiente de
dilatación, choque térmico, diferencia
entre velocidad y temperatura y
material con el que interactúa.
4
3
Se realizan piezas de aspecto único
que se adquiere a partir de la
temperatura que se le maneje.
En cada quema se invierte mínimo dos
días, hasta que el vidrio enfríe y no se
rompa, por lo tanto el proceso es lento.
2
4 Aprovechamiento de la energía.
No es ergonómico el diseño de
algunos hornos, pues implica malas
posiciones para introducir piezas
pesadas dentro del horno.
3
2 Generación de piezas únicas, por el
diseño del horno.
La disipación de calor dentro del horno
no es del todo controlable; es
necesario experimentar hasta lograr
una pieza definitiva.
4
Esquema 2: Ponderación de valor de cumplimiento
10
A continuación se realiza el producto del porcentaje y la ponderación evaluada,
teniendo esto como referencia se demuestra la importancia del diseño del horno
para una quema con mayor eficiencia, información obtenida a partir del análisis de
las premisas planteadas por el usuario.
Aspectos positivos Resultados
Los hornos de resistencias son utilizados para cerámicos como para
vitrofusión, por lo tanto pueden llegar a alcanzar más de 1000°C .4
El diseño del horno favorece la eficiencia en cada quema. 1.2
Se realizan piezas de aspecto único que se adquiere a partir de la
temperatura que se le maneje. .3
Aprovechamiento de la energía. .2
Generación de piezas únicas, por el diseño del horno. .3
Total 2.4
Esquema3: Evaluación del producto del porcentaje por la ponderación
11
1.5. Definición de objeto de estudio.
Por conclusión de este análisis se obtiene que la problemática se ha centrado por
su importancia y ponderación de cumplimiento, en el diseño del horno para una
mejora en la transmisión de calor y su control, para obtener un óptimo resultado de
producción de piezas.
La disipación de calor dentro de la cámara de cocción de un horno es manejable,
más no del todo controlable, lo cual repercute en fallas dentro de la producción de
piezas de vidrio en base a la técnica de vitrofusión, al igual que el desperdicio de
calor que se representa en pérdidas de energía eléctrica y alteraciones en el
medio ambiente.
Aspectos negativos Resultados
Se deben usar moldes completamente secos, de lo contrario puede
provocar fallas o rupturas en las piezas, como consecuencia una
quema deficiente.
.3
Existen factores por los cuales las piezas bajan su calidad, como tipo
de vidrio, compatibilidad y coeficiente de dilatación, choque térmico,
diferencia entre velocidad y temperatura y material con el que
interactúa.
1
En cada quema se invierte mínimo dos días, hasta que el vidrio enfríe y
no se rompa, por lo tanto el proceso es lento. .1
No es ergonómico el diseño de algunos hornos, pues implica malas
posiciones para introducir piezas pesadas dentro del horno. .3
La disipación de calor dentro del horno no es del todo
controlable; es necesario experimentar hasta lograr una pieza
definitiva. 2.2
Total 3.9
Esquema 4: Evaluación del producto del porcentaje por ponderación
12
1.6. Justificación
La producción de vidrio nacional, se caracteriza por su diversidad en productos y
porque es un medio para ampliar la creatividad artística en la producción de
objetos para decoración, pero realmente a comparación de otros países en
México estamos atrasados tanto en innovación como en tecnología.
La principal producción vidriera en el país se rige por la manufactura de envases y
ampolletas (INEGI)1, el segundo grupo importante de producción es el de los
vidrios planos, lisos y labrados, en 1994 la industria manufacturera contribuyó con
el 1.48% del PIB y siguió registrando una tendencia baja, sólo de 1996 a 1998
registraron tasas positivas de crecimiento.
En el país el vidrio es competencia del PET y aluminio, ya que este material se
utiliza para envases de productos alimenticios, cerveza, vinos de alta calidad y
perfumes, en otros países se ha apostado en introducir lo más avanzado en
tecnología para producirlos con estrategias de calidad y diferenciación del
producto, que va de la mano con el éxito.
1 (INEGI) Anuario Estadístico de los Estados Unidos Mexicanos recuperado el 2 de Septiembre del 2014 de
http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/integracion/pais/histroicas/10/Tema11_sect
or%20Manufacturero.pdf
Figura 2: Vitro empresa líder de vidrio en México, imágenes obtenidas de la website de Vitro. http://www.vitro.com/
13
En México no se ha avanzado lo suficiente en la fabricación del vidrio con alto
contenido tecnológico en el proceso, como ejemplo la industria de computación y
fibra óptica que son segmentos de la industria del vidrio especializado en países
como Estados Unidos, la Unión Europea y Japón.
En cuanto a la generación de empleo, la industria del vidrio ha registrado un
estancamiento en la industria manufacturera, el valor de producción en 19942 fue
del 1.85% y en el 2008 fue de 2.03%, en 1994 se emplearon a 142, 217
trabajadores y en el 2008 incrementó a 163 123, esto es un crecimiento del 1.05%
por año. La producción de vidrio plano, liso y labrado es la segunda más
importante en la generación de empleo, la fibra de vidrio por otro lado registró las
tasas más altas de crecimiento anual con el 15.31%.
En México según las estadísticas del sistema de información empresarial nacional,
en el 2009 existen 28 empresas productoras de envases y ampolletas, le siguen
las empresas productoras de espejos, lunas y equivalentes con 29, con un total de
41 empresas productoras de vidrio plano, liso y labrado y por último 172
empresas de fabricación de fibra de vidrio.
Otro problema con el que se enfrenta la industria vidriera son los altos precios del
gas natural, junto con problemas de transporte y tiempo de espera en las
aduanas, esto se trata de compensar con salarios bajos, así como la elaboración
de productos con un valor agregado bajo que se comercializan en mercados fuera
de las fronteras nacionales.
Se han estudiado estrategias para mejorar la industria vidriera, entre ellas, la
modernización de infraestructura, certificación ISO-9000 para estar en una
posición competitiva de empresas mundiales, incrementar capacitación de
personal, establecer programas de investigación en procesos industriales del
sector vidriero. Es necesario desarrollar programas para preparar tanto profesores
como alumnos en diferentes procesos industriales del sector vidriero, así mismo
mejorar la herramienta con la que se trabaja, disminuir costos de producción
adquiriendo maquinaría que favorezcan tanto al producto, como al usuario.
2 (Macario, 2002). México: problemas sociales, políticos y económicos. México, Pearson Educación.
14
Como menciona Andrés Openheimer en su libro Crear o morir (Openheimer,
2014) camarón que se duerme se lo lleva la corriente, esto se refiere, a que como
se había debatido anteriormente en la segunda década del siglo XXI, la
exportación de materia prima significaba el beneficio para países latinoamericanos
pero esto ya no es tan favorable para la economía de nuestro país se debe
apostar por una innovación de proceso el cual implica crear nuevos productos de
cualquier tipo con mayor valor agregado, que se pueda vender globalmente y no
quedarse estáticos. Se debe apostar por el descubrimiento de nuevas formas de
producción eficiente.
Actualmente Latinoamérica sigue atrasado en el tema de la investigación, según
un estudio realizado por el Banco Mundial sobre la innovación, Latinoamérica y el
Caribe presentan apenas unas 1200 aplicaciones anuales de patentes esto
representa un 10% de las 12 400 patentes presentadas por Corea del Sur, y se
invierte el 2.4% a la innovación que se concentra en tres países Brasil, México
(12% del total de la región) y Argentina. Es necesario ser parte de la innovación
para estar involucrados en la economía mundial. Crear una cultura de innovación
y por ende desarrollar investigación. Hoy en día contamos con mayor acceso a
herramientas para poder generarla y formar cultura de compartir.
1.7. Referentes
Los hornos de resistencias son los que reciben alimentación eléctrica, están
compuestos por resistencias eléctricas óhmicas que por efecto joule se calientan
y ceden su calor.
Por sus características los hornos de resistencias se dividen de acuerdo a:
-Forma de funcionamiento, puede ser continúo o discontinúo.
-Ubicación de resistencias, estas pueden estar ubicadas en la parte superior,
inferior o laterales.
-Por su morfología, tales como rotativos, de túnel, de solera, de crisol, entre otros.
Los hornos también se clasifican de acuerdo a lo que se requiere trabajar o
transformar a la materia, se divide en:
-Hornos de fusión.
-Hornos de recalentamiento.
15
-Hornos de tratamiento térmico.
-Hornos especiales.
Los parámetros que se tomaron en cuenta para obtener los referentes para la
elaboración de esta investigación son: la arquitectura de un horno en cuanto a su
construcción, características técnicas en cuanto a tipo de material, datos técnicos
de electricidad y controlador.
OLYMPIC KILNS3
Comenzó en Seattle, a medida que la empresa fue ampliando la gama de
productos usando gas, hornos eléctricos y para vidrio, decidieron moverse a la
ciudad de Georgia en 1982.
Ofrecen el servicio de diseño de horno personalizado, de acuerdo a las
necesidades dimensionales, esto implica trabajo de diseño e ingeniería. Dentro del
servicio de diseño personalizado se encuentran los aditamentos que se pueden
agregar, como modelos con controles remotos, quemadores en los lados para
hornos de gas, ventilador para los quemadores en hornos de gas, corriente
ascendente, hornos de distintos colores, entre otros. Dentro de la gama de hornos
que se fabrican en „Olympic Kilns‟, tienen en existencia hornos con fibra cerámica
para que sea más ligero y guarde el calor dentro de la zona de cocción, el
inconveniente de que se use fibra cerámica es que ocasiona mal olor y humo.
3 Olymplic Kilns. Built better for over 40 years. http://www.greatkilns.com/
Figura 3: Logotipo de Olympic Kilns, imagen obtenida de: dhttp://www.greatkilns.com/e olympic
16
Otro aspecto interesante son los distintos sistemas de apertura que tienen los
hornos, existen desde hornos con puerta en la parte frontal o doble puerta para
que se introduzcan más piezas o piezas de gran tamaño, otro sistema de apertura
es el llamado „clamshell‟ por su parecido a una concha de almeja ya que se abre
como cofre, algunos hornos tienen una base que respalda a la puerta otros tienen
fijadores, el inconveniente de tener este tipo de puerta en el horno es, que con el
tiempo y mal uso se va desgastando, algunos hornos tienen las resistencias en la
parte superior, si no se abre y cierra con cuidado llegan a maltratarse.
Otro sistema de apertura es el de guillotina (Figura 4), este se abre a partir de un
mecanismo con eslabones, está diseñado de manera que protegen las
resistencias. Otro tipo de puerta es el del horno llamado „top hat‟ (Figura 6), este
se abre con un sistema elevador, con poleas y una manija, el inconveniente es el
gran tamaño que tiene pues cuenta con una
estructura como elemento fijo.
Diseñan hornos de acuerdo a la técnica a realizar,
por ejemplo el Crucible 18 (Figura 7), es un horno
para fusionar y fundir vidrio, las resistencias se
ubican en los laterales y la parte superior cuenta
con un orificio para introducir el crisol, el sistema
de apertura es de elevador. Otro ejemplo son los
hornos para mayor producción como el modelo
GF, que está construido con ladrillo, la parte
superior está recubierta con fibra cerámica, tiene
una salida de aire para enfriar al equipo eléctrico,
así como un switch para activar las resistencias,
es por esto que se considera eficiente con la
energía eléctrica.
Figura 4: Horno con apertura tipo guillotina, imagen obtenida del sitio de Olympic Kilns
17
Venden accesorios para hornos como plataformas y bases de distintas medidas
para colocar más piezas.
En cuanto a los precios, pueden variar dentro de los $11,416.00, hasta los
$120,501.00 considerando el precio del dólar que actualmente se maneja. (Precio
del dólar obtenido en la fecha de Septiembre del 2015 $17.20 pesos mexicanos).
Olympic Kilns cuenta con dos años de garantía y asistencia vía telefónica.
Sobre los controladores que maneja Olympic Kilns, el fabricante es Bartlett
Instruments Co.
Figura 6: Horno con sistema de apertura tipo elevador
Figura 5: Modelo Annealing.
Figura 7: Modelo Crucible 18, con aditamentos para fundir vidrio.
Figura 8: Modelo GF10E, con resistencias en la parte superior y laterales.
18
Se explicarán las funciones que se pueden lograr
mediante los tres tipos de controladores, el más
sencillo es el modelo 3k o PMC (Figura 11), este
controlador da la opción de trabajar con tres
velocidades, se pueden crear programas para rampas
como se había mencionado anteriormente, esto es la
relación de temperatura que ascenderá o descenderá
de acuerdo a un tiempo, tiene la capacidad de guardar
cuatro programas de ocho segmentos, es decir ocho
temperaturas en distintos tiempos, a diferencia de los
otros controladores, este no tiene los segmentos de
cono, sólo tiene tres botones, maneja el termopar tipo
K, que es el que alcanza temperaturas de hasta
1000°C. El que sigue es el controlador tipo RTC 1000
(Figura 10), este controlador se difiere del modelo más
complejo por no tener la opción de „RampHold‟, esta se
refiere a que cierta temperatura se mantenga por un
tiempo, maneja termopares tipo K,S o N. El controlador
tipoV6-CF (Figura 9) es el más completo, se puede
programar como los otros dos controladores, tiene la
opción de velocidad, de conos, „RampHold‟ y alarma.
Los tres controladores manejan ° Centígrados y °
Fahrenheit. Los dos controladores RTC1000 (Figura
10) y V6-CF (Figura 9) tienen la capacidad de seis
programas de ocho segmentos, pero el controlador V6-
CF tiene cuatro velocidades en cuestión de quema por
cono, el RTC1000 sólo tres.
Figura 9: Controlador tipo V6-CF
. Figura11: Controlador tipo 3k o PMC. imágenes obtenidas de barlett instrument c.o.
Figura10: Controlador tipo RTC1000.
19
SKUTT4
Otro referente son los hornos Skutt, desde 1953, padre e hijo comenzaron a
construir hornos para cerámica en Olympia Washington. Poco a poco fueron
creciendo hasta no sólo dedicarse a la fabricación de hornos para cerámica, si no
que ampliaron su gama de productos a hornos para vidrio y siguieron enfocados
con la cerámica pero con la visualización de poder tener un
horno sin tener que adaptar el espacio donde se utilizara, ya
fuera destinado a una casa o un lugar pequeño pues su
configuración es modular.
Otra aspecto que ha mejorado Skutt es el controlador, de
utilizar un pirómetro análogo pasó a uno digital, actualmente
se han modernizado a comparación de su competencia,
ahora al tener algún problema con el horno, puedes pedir
atención al cliente vía telefónica, proporcionas el número de
serie del controlador que al tener un sensor informa acerca
del amperaje y voltaje, información necesaria para poderlo
solucionar sin tener la necesidad de mandar a un
especialista o acudir a alguien externo.
4 http://skutt.com/
Figura 12: Logotipo de Skutt obtenido de http://skutt.com/
Figura 14: Pirómetro análogo, imágenes obtenidas del website de skutt
Figura13: Pirómetro digital.
20
Otra novedad que tiene Skutt, es su sistema de ventilación „Envirovent‟, el cual
consta de un orificio en la parte inferior del horno que mediante conductos todo el
humo y mal olor va saliendo. Los hornos cuentan con orificios en la parte superior
que auxilian con la ventilación y enfriamiento de elementos eléctricos.
Cuentan con controladores de 120 voltios para hornos de 15 amperes y de
208/240 voltios para hornos de menos de 50 amperes, así como también tienen
enchufes que necesitan más de 40 amperes. El controlador ofrece dos maneras
de realizar cada quema, por conos o por rampas. La diferencia es que en una
rampa el usuario programa a que temperatura va a ascender o descender y en
cuanto tiempo, o si es necesario que realice una parada y se mantenga en la
misma temperatura por cierto tiempo. A comparación de los controladores de
Olympic, los de Skutt son más fáciles de interactuar.
La arquitectura del horno, es muy similar a los hornos Olympic, los hornos Skutt
son completamente modulares lo que facilita el translado del horno de un lugar a
otro, este sistema de construcción también lo tienen los hornos Olympic, el detalle
que marca la diferencia entre uno y otro, es que los controladores de Skutt son
removibles y se pueden reparar de manera más sencilla al poderse desajustar sin
la necesidad de desarmar el horno.
Figura15: Variedad de hornos Skutt imagen obtenida del sitio web de skutt.
21
Acerca de „Link Board‟, es la opción
que ofrece Skutt para que el horno
se comunique con el exterior, esto a
través de una interfaz que por
medio de los nuevos aditamentos
que tienen los controladores se
puedan conectar a internet y a
través de „KilnLink‟, es capaz de
mantener informado al usuario de
los disparos de calor y el diagnóstico
que tiene la quema.
Así como también mensajes de texto
al celular para mantener informado
al usuario.
1.8. Hipótesis
Un horno de resistencias para vidrio es diseñado de acuerdo a la técnica que se
realizará, así como también las dimensiones de acuerdo a la producción de
piezas; estos dos puntos son los que se toman como índice para diseñar la parte
electrónica, la ubicación de resistencias y el dispositivo por el cual serán
controladas.
Retomando la problemática, el calor dentro de un horno es manejable más no del
todo controlable y repercute en la producción de piezas y gasto energético. A
continuación se presenta la propuesta a solucionar dicha problemática.
Figura 16: Sistema de ventilación Envirovent.
v Figura 17: Diagrama explicativo del sistema Envirovent imágenes obtenidas de la website de skutt.
22
A través de esta investigación se tiene como fin resolver la problemática que
permita tener un mejor control y manejo de disipación de calor, una mejora en la
calidad de piezas, beneficio de tiempo en la producción, contrarrestar gastos de
energía eléctrica y favorecer al medio ambiente teniendo un mejor control de
desperdicio de calor.
A continuación se presenta la propuesta de diseño del horno el cual sustenta la
hipótesis que propone mejora en cuanto:
Disipación de calor, se propone la ubicación de las resistencias eléctricas tanto en
la parte superior como en los laterales conectados en paralelo esto permitirá al
usuario escoger las resistencias que suministrarán el calor necesario a las piezas
de acuerdo a lo que se realizará, las resistencias serán ubicadas en cada nivel del
horno ya que así se permitirá un control por cada nivel (B).
Se propone implementar la transmisión de calor por convección forzada a través
de un ventilador el cual acelerará el proceso en tiempo y mejorará la transmisión
de calor en el área de la cámara de cocción. (E)
Por parte del material se propone ladrillo aislante para dar estructura y cuerpo (C)
al igual que fibra aislante en la parte superior para evitar la salida de calor y
concentrarlo para así evitar desperdicio de calor (A).
Para protección del usuario se propone usar material aislante en la manija (F).
En cuanto a ergonomía se propone una base que preste altura suficiente para
evitar lesiones al usuario al introducir y sacar piezas del horno. (D).
Para el mejor control de calor dentro del horno se propone el uso de termopares
en cada nivel conectados a un pirómetro digital que permita crear rampas y
elección de resistencias de la zona de trabajo (G).
23
El techo estará recubierto por fibra cerámica alrededor
de las resistencias eléctricas de la parte superior, esto para
favorecer el calentamiento, ya que por las
características de este material se conserva de mejor manera el calor.
A
A
POR PARTE DE LA ESTRUCTURA QUE
SOSTENDRÁ AL HORNO, SE PLANTEA UNA
MEDIDA CONSIDERABLE ERGONÓMICAMENTE, PARA EVITAR QUE EL
USUARIO TIENDA A LESIONARSE.
D
D
EN EL INTERIOR SE PRO-PONE INSTALAR LAS
RESISTENCIAS ELÉCTRI-CAS DE MANERA QUE
CADA LADRILLO TENGA CAVIDADES PARA SOS-TENER DOS HILERAS DE
RESISTENCIAS.
C
C
ASÍ MISMO LA PARTE SUPERIOR ESTARÁ CONFORMADA POR
LADRILLO CERÁMICO, EL CUAL DARÁ ESTRUCTURA Y
SUJECCIÓN A LAS RESISTENCIAS
UBICADAS EN LA PARTE SUPERIOR Y LATERALES.
B
B
24
SE PROYECTA UNA FORMA RECTANGULAR, PUESTO QUE SE PUEDE TENER MAYOR ACCESIBILIDAD A LAS PLATAFORMAS EN EL MERCADO. LAS ESQUINAS SON LIGERAMENTE REDONDEADAS PARA EVITAR LESIONES AL USUARIO.
SIGUIENDO LA TEORÍA DE TRANSMISIÓN DE
CALOR POR CONVECCIÓN SE IMPLEMENTA UN
VENTILADOR EN EL INTERIOR, EL CUAL SE
ENCIENDE AL ALCANZAR UNA
TEMPERATURA Y ASÍ PROPAGAR EL CALOR
DENTRO DE LA CÁMARA DE COCCIÓN.
F
F
G
G
IMPLEMENTACIÓN DE MATERIAL AISLANTE EN LAS
MANIJAS, ESTO COMO MEDIDA DE PREVENCIÓN.
E
EL DISEÑO DEL CONTROLADOR, PERMITIRÁ TENER CONTROL DE CADA RESISTENCIA DE ACUERDO A LA TÉCNICA EMPLEADA, CONTARÁ CON BOTONES
PARA AJUSTAR LA TEMPERATURA, ENCENDER, APAGAR Y CREAR RAMPAS.
E
25
1.9. Postura de la investigación
SOBRE EL OBJETO DE DISEÑO
La propuesta de mejora sobre el problema planteado al emplear un horno
eléctrico para vidrio, se basará en un análisis térmico que apruebe o desapruebe
la posibilidad de usar convección forzada para así generar una propuesta de
diseño.
Como investigador, se indagará acerca de hornos disponibles en el mercado,
innovación acerca del tema, materiales, su reacción en conjunto, nuevas
tecnologías aplicadas y manufactura del producto. Se aplicarán conocimientos de
otras ramas como lo son la electricidad, termodinámica, ergonomía, entre otras.
Después de generar dicha investigación se procederá a realizar un listado de
requerimientos para la propuesta de mejora, se propondrán diseños del horno
con el fin de obtener un mejor acomodo de piezas, se ubicarán los nuevos
elementos y mecanismos para posteriormente realizar el análisis térmico en el
cual se pondrá a prueba el uso de convección forzada en un horno ya existente
para realizar una comparación entre los resultados de las piezas obtenidas y
mejoras en cuanto al tiempo y temperatura.
Después de aprobar o desaprobar la hipótesis planteada le prosigue una
comparación a través de una matriz en la que se compararán ciertas
características con modelos existentes, para así determinar una conclusión y
generar prospectivas.
1.10. Objetivos de la investigación
OBJETIVO PRINCIPAL
Presentar resultados obtenidos del análisis térmico en el cuál se pondrá a prueba
la hipótesis.
26
OBJETIVOS SECUNDARIOS
Proponer el diseño con mejoras en cuanto a materiales y disposición de
componentes, generar un modelo de construcción y utilización al igual que las
mejoras que se tienen a comparación de hornos que actualmente se encuentran
en el mercado.
1.11. Estrategia de Investigación
El cliente del diseñador es la Industria, es quién propone el problema, pero no se
debe salir inmediatamente en busca de una idea general que lo resuelva, pues
esa sería la manera artístico-romántica de encontrar la solución, esto lo menciona
Munari en su libro “Como nacen los objetos” (Munari, 1981)
La estrategia de Investigación que se realizó, está basada en la metodología
proyectual de Bruno Murani, presentada en su libro ¿Cómo nacen los objetos?
(1981)
En el primer paso, se define el problema el cual se mencionó en el
apartado “Establecimiento de la problemática”. Si no se tiene control de la
disipación de calor dentro de la cámara de cocción de un horno de
resistencias eléctricas para vitrofusión repercutirá en el resultado obtenido
en una producción de piezas y en el medio ambiente.
Teniendo conocimiento de cuál es mi problemática se podrán establecer
límites para generar sub problemas, a partir de las características de los
materiales, ergonomía, características estructurales y formales. Los sub
problemas ordenados, pueden ser desde el tipo de material, que forma
tendrá, como funcionará, entre otros. Tener esta información antes de crear
la propuesta es esencial puesto que se tienen datos técnicos que se deben
tomar en cuenta como requerimientos para la propuesta de diseño.
El siguiente paso recopilación de datos, se consultan desde productos ya
existentes, fabricantes de piezas, materiales, etc. Esto para analizar el tipo
de solución que le han brindado a los sub problemas previamente vistos. A
este paso se le conoce como análisis de datos.
27
El paso que procede del análisis de datos es la creatividad, en este punto
se proponen todas las ideas que puedan dar solución, estas pueden ser
irrealizables por diferentes razones ya sea económico, razones técnicas
entre otras, siempre y cuando la creatividad se mantenga al régimen de los
límites previamente marcados. Como diseñador debo mantenerme real a
los materiales.
Se analizan los posibles materiales y tecnología, que se podría
implementar.
Se parte a la experimentación, en este segmento se estructura un método
de experimentación, puede ser lineal, paralelo, concatenado o mixto.
A partir de una experimentación se conduce a bocetos del modelo
preliminar, es decir que no es definitivo aún.
Para después partir al siguiente paso que es el de verificación, en el cual se
realizará el análisis térmico en el que se cuestiona la factibilidad de
realización de la propuesta.
A partir de este paso es necesaria la realización de dibujos constructivos
con medidas exactas e indicaciones necesarias.
28
29
Capítulo 2: Aspectos sobre el vidrio
Figura 18: Fibra fabricada a par-tir de 1 libra de vidrio. foto-grafía cortesía de American Glasblowers Scientific Society.
2 Capítulo 2: Antecedentes del vidrio e
introducción a la técnica de vitrofusión. 2.1 MARCO HISTÓRICO Y SOCIAL DEL VIDRIO. 2.2 NATURALEZA DEL VIDRIO. 2.3 TIPOS DE VIDRIO. 2.4 CARACTERÍSTICAS Y COMPORTAMIENTO DEL VIDRIO. 2.5 PROCESOS DE LAS TÉCNICAS DE LA VITROFUSIÓN. 2.6 TIPOS DE HORNOS Y CARACTERÍSTICAS. 2.7 CICLOS DE HORNEADO. 2.8 TIPO DE MOLDES PARA TRABAJAR EL TERMOFORMADO DEL VIDRIO.
30
31
2.1. Marco histórico y social del vidrio.
Históricamente el nacimiento del vidrio se le atribuye a dos civilizaciones, por un
lado a la egipcia alrededor del 3500 A.C. como referencia se tiene la elaboración
de cuentas de vidrio encontradas en tumbas. Así como también existen registros
hechos por el geógrafo romano Plinio el Viejo (23-79 d.C)5, en Historia Natural
redactó acerca de unos mercaderes de nitro que desembocaron en las costas del
Mediterráneo Oriental, al calentar sus alimentos sobre los trozos de nitro
aparecían correr pequeños ríos de un líquido extraño.
Al ser conquistado Egipto por los griegos (siglos IV-III a.C.) provocó que
alcanzaran una gran calidad en cuanto a su producción, en ese tiempo el vidrio
era utilizado para adorno personal, para almacenar alimentos, sólidos, medicinas,
ungüentos o perfumes
No fue hasta que en el siglo I a.C. que se desarrolló en las costas fenicias el vidrio
soplado, a partir de este descubrimiento se puede observar el giro que dio su
producción por el bajo costo que tenía a comparación de la cerámica y sobretodo
la amplitud para trabajar, se pudieron realizar figuras más complicadas y con más
decoración. Después de este acontecimiento la mayoría de los talleres se
movieron a la metrópolis, después de que el imperio Romano se desmembró el
trabajo de vidrio soplado pasó a manos de la cultura Islámica, ellos alcanzaron a
recuperar algunas técnicas de los romanos, la diferencia es el esmaltado dorado
que proporcionaban al vidrio, esto para lámparas y jarrones, la expansión de la
cultura musulmana logró la amplitud del vidrio a países como India y China, esto
hasta que fueron invadidos por Siria, así fue como Venecia entra a ser parte de la
historia del vidrio se tienen datos sobre la fabricación de vidrio en esta zona pues
en 1271 hubo un auge en la producción de vino tal que se redactaron leyes para el
gremio vidriero, en las que se pedía protección para las fórmulas desarrolladas. El
gremio vidriero fue instalado en Murano a consecuencia de incendios ocasionados
por talleres.
5 Beveridge Philippa, D. I. (2006). El vidrio Técnicas de trabajo de horno. Barcelona-España: Empresa del Grupo Editorial Norma de
América Latina.
32
En el siglo XVII se descubrió en Inglaterra el cristal de plomo por George
Ravenscroft, esto a partir de que el gobierno Inglés prohibió el uso de leña, porque
este iba a ser utilizado en la industria naval, se optó por usar carbón, pero
manchaba las piezas, Ravenscroft quien trabajaba la técnica de murano,
experimentó utilizando distintos fundentes hasta agregar aluminio y plomo, así fue
que nació el cristal, a partir de esta creación artistas centroeuropeos crearon una
nueva manera de trabajar con este material a partir de la talla.
Como se trataba de abaratar la producción de vidrio se crearon nuevas técnicas y
maquinaria que aceleraba el proceso, hasta que nació el movimiento Arts and
Crafts creado por William Morris, es considerada como una revolución estética,
tenían como inspiración la historia y la naturaleza, con este modelo nacieron
nuevas técnicas como el vidrio mosaico, se recuperó la técnica de pasta de vidrio
y como ejemplo por parte de América se tiene a Luis Comfort Tiffany.
A partir de 1925 nació un nuevo estilo denominado como Art Decó, con René
Lalique, que impulsó el uso del vidrio en objetos decorativos y frascos de perfume.
En 1919 se estableció la Bauhaus, etapa en la que el mayor auge del vidrio se vio
reflejado en la arquitectura, impulsado por Van der Rohe. Más adelante algunas
manufactureras francesas se acercaron a artistas como Picasso, Braque o Dalí.
Tiempo después se creó Studio Glass cuya finalidad era impulsar el trabajo
artesanal del vidrio a través del trabajo en conjunto con artistas, esto terminó
después de la Segunda Guerra Mundial.
A través de la historia se puede observar la necesidad de impulsar las técnicas del
vidrio ya sea para crear objetos de arte u objetos utilitarios, como se habló
anteriormente ha impulsado la economía de países y se ha restablecido y vuelto a
posicionar gracias a la investigación y experimentación con el material.
33
2.2. Naturaleza del vidrio
Por sus cualidades físicas y químicas el vidrio tiene ciertas características que lo
hacen denominarse como un material brillante, traslúcido, líquido, amorfo y sólido.
La estructura molecular del vidrio, tiene como factor clave el modelo de repetición
que tienen sus moléculas, a comparación del cristal el vidrio es desordenado
semejante a la de un líquido, la diferencia es que el vidrio no pasa por el estado de
cristalización, este es un punto importante para entender la reacción que tiene el
vidrio al descender de altas temperaturas, ya que va recuperando su estado
original (sólido) gradualmente durante un intervalo de temperaturas. Al
encontrarse en una temperatura de 1000°C es transparente y homogéneo, y es
cuando el material es apto para trabajar, para después controlar la temperatura de
enfriamiento y evitar la desvitrificación.
Figura 19: Molécula de cristal (a) Molécula de vidrio (b) imagen obtenida del blog glass art
34
Al vidrio, se le añaden otros materiales para brindarle características como dureza,
color, textura, entre otros se dividen en tres partes:
VITRIFICANTES Sílice (SiO2) que es el que se encuentra en un mayor porcentaje (60% u 80%)
que brinda la transparencia y viscosidad, pero si el vidrio sólo estuviera compuesto
por sílice este sería frágil, quebradizo y no se le podría dar alguna forma, es por
eso que necesita de los demás componentes.
FUNDENTES
Estos materiales le brindan al vidrio la cualidad para fundirse, esto con la finalidad
de facilitar la formación del material a temperaturas no tan altas. En la historia del
vidrio se han utilizado dos tipos de fundentes los sódicos o potásicos.
ESTABILIZANTES
Los estabilizantes son los que brindan la dureza al vidrio. Desde tiempos antiguos
se ha utilizado lo que actualmente conocemos como la cal.
Figura 20: Diagrama de fabricación de vidrio, imagen obtenida de la biblioteca digital ilce.
35
2.3. Tipos de vidrio
Comercialmente existen los siguientes tipos de vidrio que se enlistan:
VIDRIO SÓDICO-CÁLCICO
Este es el vidrio más comercial, por su facilidad al
fundirse y por su bajo precio. Está compuesto por óxido
de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y
carbonato de calcio (CaCO3), estos dos últimos óxidos
actúan como fundentes.
VIDRIO DE PLOMO O CRISTAL
En este caso el agente fundente que normalmente es
calcio se sustituye por plomo, es un vidrio más denso
por consecuente tiene una mayor refracción de la luz,
este tipo de vidrio es normalmente utilizado en la
óptica.
VIDRIO DE BORO SILICATO
La característica principal de este tipo de vidrio, es su
resistencia química que le permite aceptar cambios
bruscos de temperatura sin tener algún choque térmico
y soportar altas temperaturas, normalmente es utilizado
en los laboratorios y en la cocina. Está compuesto por
sílice (SiO2), ácido bórico (H3BO3) y en algunos casos
óxido de aluminio (Al2O3).
Figura 21: Ejemplo de vidrio sódico, obtenida del blog mh ambient.
Figura 22: Ejemplo de vidrio de plomo o cristal. Imagen obtenida del blog mh ambient
Figura 23: Ejemplo de Vidrio de boro silicato. Imagen obtenida de kitchenware direct.
36
2.4. Características y comportamiento del vidrio
Para hablar sobre el comportamiento del vidrio, lo explicaré tomando como
ejemplo el cambio de estado de un líquido a un sólido, el punto de transformación
entre el líquido a sólido se conoce como fusión al encontrarse en estado líquido
las moléculas se encuentran excitadas y en desorden. Volviendo al ejemplo
imaginemos cuando el agua se convierte en hielo, alcanza una temperatura baja
para después cristalizarse y convertirse en hielo, hasta que las moléculas se
encuentran ordenadas. Así mismo ocurre con el vidrio excepto por el estado de
cristalización, al encontrarse a una temperatura muy alta (1000°C-1400°C) sus
moléculas estarán en desorden hasta poco a poco ir bajando la temperatura y el
nivel de viscosidad, es el momento en el que el vidrio se adapta o se puede
trabajar hasta que baje la fuerza de atracción entre las moléculas y se inmovilicen.
La viscosidad es una característica que adopta el vidrio, parte de su
comportamiento al estar en una temperatura elevada. La viscosidad en el caso del
vidrio se presenta al ir bajando la temperatura, en el caso contrario a mayor
temperatura menor viscosidad y mayor fluidez.
Otra característica es la isotropía, que se refiere a la manera en que las moléculas
se encuentran ubicadas, que al igual que un líquido estas son transmitidas en
todos los sentidos.
El vidrio consta de propiedades mecánicas, estas se refieren a la deformación que
pueda tener al contacto con otros factores, como la temperatura. El vidrio llega a
fracturarse o romperse al estirarse de más, no tanto por la relación entre la
velocidad y temperatura, sino por un salto térmico o choque térmico; esto se
refiere a que la pieza se enfrenta a un cambio brusco de temperatura y por
consecuencia realiza un esfuerzo.
A esta propiedad se le denomina como resistencia térmica y depende de factores
como la resistencia de tracción, el coeficiente de dilatación y el espesor del vidrio.
Esta característica se debe tomar en cuenta para la realización de piezas que
lleven caída, así como también al realizar el molde de acuerdo al diseño, ya que la
altura del mismo molde puede provocar que se rasgue y por consecuente
romperse.
37
2.5. Procesos técnicos de la vitrofusión
A continuación mencionaré distintas técnicas que se trabajan con la vitrofusión,
hablaré acerca de las características que debe tener el vidrio, el material que se
utiliza y los aspectos importantes de curva de temperatura o ciclo de horneado.
FUNDIDO O ‘FUSING’
El fundido consiste en la unión de dos o más piezas de vidrio para formar una sola
pieza esto a través de la superposición de las piezas, pueden ser de distintos
colores y armar una composición mientras sean compatibles en su coeficiente
térmico. Existen tres tipos de fundido, el fundido parcial o „tack fusing‟ que es
cuando la pieza no queda completamente plana, sino que queda sobrepuesta. El
fundido total o „full fusing‟ es cuando queda una sola pieza y completamente
fundida, a comparación de un „tack fusing‟ los cantos de la pieza pueden quedar
un poco desbordados y las inclusiones son cuando entre dos piezas de vidrio se
introduce otro material que no sea vidrio, esto puede ser algún metal depende del
diseño de la pieza.
FUNDIDO PARCIAL O TACK FUSING
CICLO DE HORNEADO
La temperatura para lograr este tipo de pieza varía de acuerdo al grosor y cantidad
del vidrio; si se quiere lograr un fundido parcial se requiere entre 730 y 760 °C. El
tiempo requerido en una quema de este tipo varia en el tipo de vidrio, tipo de
horno, dimensiones de la pieza y grosor del vidrio ya sea que se use una, dos o
tres piezas superpuestas, existe un aproximado que se da en la siguiente tabla:
38
Fundido Parcial
Calentado Número de capas
1,5 2,5 3,5
Diá
metr
o p
ieza/v
idrio
10 cm 25 min 35 45
20 cm 45 65 75
30 cm 80 110 130
40 cm 130 150 180
50 cm 150 180 210
60 cm 180 210 240
Figura 24: Ejemplo de Tack Fusing, se observa la superposición de las piezas de vidrio, que conforman a una sola pieza. Fotografía obtenida del blog glass r us.
Esquema 5: Relación tiempo con diseño de pieza para generar rampa, obtenido de El vidrio, técnicas de trabajo de horno. Philippa Beveridge.
39
FUNDIDO TOTAL O ‘TOTAL FUSING’
En este proceso las características que obtiene la pieza a diferencia del fundido
parcial son que pierden la viscosidad por lo tanto es más fluido y por consecuencia
los cantos de la pieza tienden a desbordarse al menos que estén sometidas a un
molde, así como también se adelgaza el vidrio pues se funde completamente.
Debido a que disminuye su grado de viscosidad, se debe de procurar reducir las
dimensiones del vidrio que se encuentra en la parte superior, unos 2 cm por lado.
Ciclo de horneado
La temperatura que se alcanza es aproximadamente de 790 y los 835°C, como se
mencionó anteriormente esto puede variar de acuerdo a la cantidad de piezas
sobrepuestas, el horno, tipo de vidrio y las dimensiones de la pieza. En la
siguiente tabla se proporcionan los datos aproximados de tiempo y temperatura.
FundidoTotal
Diá
metr
o p
ieza/v
idrio
Calentado Número de capas
1 2 3 4 5
10 cm 0 min 20 25 35 45
20 cm 20 40 60 90 130
30 cm 35 60 90 110 180
40 cm 45 90 110 150 210
50 cm 55 110 150 180 240
60 cm 65 130 180 210 240
Figura 25: Ejemplo de fundido total, fotografía obtenida del blog de glass art by margot
Esquema 6: Relación tiempo con diseño de pieza para generar rampa, obtenido de El vidrio, técnicas de trabajo de horno. Philippa Beveridge.
40
INCLUSIONES
Esta técnica consiste en dos piezas de vidrio y entre ellas se introduce una pieza
externa al vidrio, ya sean elementos metálicos como hilos de cobre o de estaño, o
elementos orgánicos como hojas de plantas. El resultado puede ser interesante al
observar los efectos que se tienen con diferentes combinaciones, ya que tanto el
vidrio como el material ajeno tienen sus características y pueden llegar a
ocasionar burbujas de aire. La temperatura requerida en este tipo de trabajo es de
760 y 835°C.
El vidrio que se usa con mayor frecuencia para este tipo de trabajo es el vidrio
flotado o de ventana, se debe considerar que este tipo de vidrio tiene en una de
sus caras estaño que en combinación con otros metales puede dar un resultado
extraño o perjudicial a la pieza. Para esto se realizan pruebas para identificar qué
cara es la que contiene estaño, estas pruebas consisten en hacer una mezcla con
amarillo de plata y agua sobre una superficie que no sea porosa, se vierte en el
vidrio y se introduce al horno a 620°C como resultado se obtiene que la cara del
vidrio con estaño será más clara que la otra cara que no contiene estaño. Otra
prueba que no es tan eficiente como la del amarillo de plata es con una lámpara
de luz ultravioleta, la cara que tenga estaño debe mostrar fluorescencia.
TERMOFORMADO
El Termoformado o „Slumping‟, e refiere a cuando el vidrio es sometido a un molde
durante este proceso el vidrio va cayendo por su propio peso o por la acción de la
gravedad, es cuando el vidrio alcanza su punto de ablandamiento, es decir la
viscosidad y la tensión superficial disminuye y aumenta la fluidez.
Figura 26: Ejemplo de inclusión, se observa la inclusión de metal, entre dos placas de vidrio. Fotografía obtenida de Deviant art, foro de cultura y arte.
41
Para realizar un Termoformado se deben tomar en cuenta diferentes variables
como el tipo de vidrio que se va a utilizar, su grosor y dimensiones. De las
variables más importantes es el diseño de la pieza ya que este es punto clave
para la realización del molde se debe evitar que produzcan candados que hagan
que la pieza se rompa, un método que en particular considero eficiente es el de
imaginar el resultado de sobreponer una hoja de papel mojada sobre la superficie
que es el molde.
Otro tipo de Termoformado que se hablará con mayor profundidad en el siguiente
apartado es el de caída libre, en este caso el vidrio cae completamente por su
propio peso al bajar su nivel de viscosidad y aumentar su fluidez, en este caso se
debe tener cuidado con el grosor del vidrio ya que si es un vidrio muy delgado
sometido a una temperatura muy alta lo más probable es que se rasgue.
Figura27: Ejemplo de termoformado. En este ejemplo se aprecia como el vidrio se termo formo a través de un molde y tuvo cierta caída. Fotografía obtenida de la revista evolo.
42
CICLO DE HORNEADO
Para realizar un Termoformado la temperatura varía entre los 630 y 835°C.
Al llegar a los 560°C no se aprecia ningún cambio en la pieza, si no que hasta los
630°C el vidrio va adquiriendo la forma del molde si se realiza una caída libre el
vidrio empieza a curvearse, a los 720°C el curvado el vidrio en caída libre se logra
apreciar más y el grosor del vidrio sigue permaneciendo, al llegar a los 835°C si
está en caída libre es probable que el vidrio llegue a la base, se adelgazan sus
paredes y se ensancha la base o la parte inferior. Si el vidrio está sometido a un
molde, este adquiere el relieve y texturas del molde.
CAÍDA LIBRE
Como se mencionó en el apartado anterior, la caída libre es cuando el vidrio cae
por su propio peso, formando una burbuja o dependiendo del molde que se utilice,
es importante mencionar que el elemento clave para una pieza exitosa en este
caso es el horno, ya que la ubicación de sus resistencias son primordiales como
fuentes de calor, si están ubicadas en la parte superior el calor se concentrará en
la parte superior de la pieza, si el molde de este caso tiene un anillo que es un
orificio en el centro, el vidrio caerá por este orificio, poco a poco se adelgazará y si
no está controlada la temperatura de acuerdo a su ciclo de horneado está muy
posiblemente se romperá, caso contrario si es un horno con resistencias a los
costados el calor se repartirá por toda la pieza siendo más homogénea la
repartición de calor.
La temperatura que se utiliza en este caso varía entre los 650 y 790°C
43
Proceso de caída libre. Figura 28: Se introduce al horno sobre los moldes para realizar cuencos.
Figura 29: Caída libre del vidrio. Figura 30: Después de salir del horno.
Figura 31: Resultado final. Fotografías del proceso de Romero Gurman en su curso de cuencos de vidrio.
44
2.6. Tipos de Hornos y características.
El horno es la variable primordial de esta actividad, existen hornos desde los más
antiguos fabricados de adobe su fuente de calor son a través de leños estos
tienen cavidades y bóvedas que permiten la salida del calor, con este tipo de
horno el control de temperatura se deja al alcance de la experiencia del maestro
artesano y generalmente se utiliza para la elaboración de piezas de barro y
cerámica.
Otro tipo de horno es el de gas, su fuente de calor es proporcionada por gas el
cual se disipa a través de mangueras ubicadas en los costados de cada pared, el
control de temperatura en este tipo de hornos se hace a través de conos
pirométricos que son utilizados tanto para conocer el área del horno dónde se
encuentra la mayor o menor concentración de calor así como medidor de
temperatura, siendo que la morfología de estos conos es tronco piramidal con
base triangular, poseen en una de sus caras una numeración que indica la
temperatura a la que se tiene que doblar, estos conos son fabricados de material
cerámico calculados para que se doblen a cierta temperatura, existen tablas que
proporcionan la temperatura a la que se tienen que doblar. En Europa se utilizan
conos „Seger‟ y en América los conos „Orton‟.
Figura 32: Explicación de construcción de un horno de adobe, para cerámica.
45
La arquitectura de un horno de gas corresponde a cuatro paredes, un techo, piso
y puerta ubicada en la parte frontal o
superior, todas forradas de fibra
cerámica que es ideal para este tipo
de hornos ya que ayuda a que el
calor permanezca dentro de él.
El inconveniente de este tipo de
hornos es su infraestructura ya que
son necesarios conductos para la
entrada de calor y salida de gases,
otro inconveniente por el cual no es
muy utilizado para la técnica de
vitrofusión es la distribución del calor,
no es tan homogénea como la que
proporciona un horno de resistencias.
Los hornos ideales para este tipo de
práctica son los eléctricos,
compuestos de resistencias eléctricas
como fuente de calor.
Están formados por una estructura
metálica, que sirve como carcaza, lo
que se encuentra en el interior del
horno es punto clave para el diseño
de un horno, cuenta con ladrillo
refractario o material cerámico el cuál
brinda estabilidad térmica y
aislamiento, así como las resistencias
que se encuentran empotradas en las
paredes o en el techo, más adelante se hablará sobre la importancia de la
ubicación de las resistencias y el tipo de resistencias.
Figura 34: Horno de resistencias modelo Benjamin, fotografía obtenida del catálogo de esmaltycolor
Figura 33: Horno Jet aire gas, fotografía obtenida de horcemeval especialistas en hornos de gas.
46
Existen dos tipos de hornos los que tienen la
puerta de cofre es decir con apertura en la parte
superior y los que tienen la puerta en la parte
frontal. Algunos hornos cuentan con soportes y
placas hechos de cordiarita, este material es
capaz de resistir hasta los 1200°C, los soportes
y placas brindan una mayor organización en
cada quema, en la cual el diseño del horno es
primordial para que se logre una quema óptima
en cuanto al espacio y posición de cada pieza
dentro del horno por la recepción de calor.
Los hornos cuentan con un programador digital, estos se emplean para medir la
temperatura a través de un pirómetro y el tiempo, existen desde los más básicos
en los cuales se determina la temperatura a la que se quiere llegar; y otros en los
que se puede establecer rampas, estas son la relación entre la temperatura y el
tiempo de cada quema.
2.7. Ciclo de horneado
“El ciclo de horneado es el resultado de la correcta combinación entre dos
parámetros, la temperatura y el tiempo…” (Beveridge Philippa, 2006)
Como se mencionó en lo anteriormente citado, mientras exista una buena relación
entre estos dos parámetros, el resultado de cada pieza será el que se desea, a
esto se le suma el conocimiento suficiente de la reacción que pueda tener el vidrio
ya que es un material complejo de trabajar, por lo que se debe tomar en cuenta la
compatibilidad de vidrios y la curva o ciclo de horneado.
A continuación se explicará cómo se divide esta curva o ciclo de horneado, junto
con los aspectos que se deben tomar en cuenta para un buen resultado.
CALENTADO INICIAL En esta primera fase se tiene que elevar la temperatura ambiente en la cual se
encuentra el horno, paulatinamente en coordinación con el tiempo, esta etapa se
aprovecha para el secado de moldes, se alcanza aproximadamente 300°C, en
palabras técnicas hasta alcanzar un punto de tensión („strain point‟) y no llegar a
un choque térmico.
Figura 35: Soportes y placas, fotografía obtenida de Skutt Glass.
47
PUNTO DE TENSIÓN En este punto el vidrio no se ha transformado aún, sigue siendo un sólido, se
encuentra en un punto medio entre el proceso de calentado y de enfriado. Su
viscosidad está alrededor de 1014,16 poises, puede variar de acuerdo al vidrio. La
temperatura puede variar entre los 600°C.
CALENTADO RÁPIDO
En esta etapa, la temperatura pasa de estar en una curva suave a una más
pronunciada, esto quiere decir que en ese momento la temperatura debe subir
mucho más rápido, la temperatura se dictará de acuerdo a lo que se quiere lograr,
que se explicara más adelante. En este punto el vidrio se ha vuelto más fluido.
PUNTO DE ABLANDAMIENTO
Este punto también se conoce como „softening point‟, este punto depende de lo
que se quiere lograr, si está en contacto con un molde o si el vidrio está sometido
a cierta caída. La viscosidad del vidrio ha cambiado a 107,65 poises, esto quiere
decir que ha aumentado su fluidez.
TEMPERATURA DE TRABAJO
O „working point‟, es en esta etapa cuando el vidrio se transforma de acuerdo a la
forma. La viscosidad es de 104 poises.
ENFRIADO RÁPIDO
Una vez que se llegó a la temperatura de trabajo sigue, el enfriamiento, este punto
también llamado como „annealing point‟ se lleva a cabo rápido, algunos sugieren
abrir el horno para que sea más rápido.
PUNTO DE TEMPLADO
Es también llamado recocido, es el ciclo en el cual el vidrio llega a la temperatura
ambiente, en esta etapa el vidrio alcanza 101314 poises de viscosidad.
48
2.8. Tipo de Moldes para trabajar el termoformado del vidrio.
Para la realización de los moldes se debe tomar en cuenta el diseño que tiene la
pieza, este puede llegar a ser tan complejo de acuerdo a la experiencia con la que
cuente el autor, actualmente existen moldes prefabricados que facilitan el trabajo,
puede ser desde un wok metálico hasta los moldes cerámicos prefabricados que
cuentan con diseños para trabajo de termoformado y caída libre.
A continuación hablaré de los materiales que son necesarios para la realización de
moldes, esto es de suma importancia para entender de qué manera puede afectar
o beneficiar a la pieza.
YESO PARA MOLDES Este tipo de yeso permite captar las cavidades y texturas que se pretende que el
vidrio alcance a copiar. Se encuentran diferentes opciones para realizar este tipo
de moldes, la condición es que tenga la calidad de fraguar a los 30 minutos. El
yeso más comercial es el de construcción, tiene un bajo costo y aporta resistencia,
pero en cuanto a calidad su fraguado no es muy estable por lo que se crean
burbujas. Otro tipo de yeso es el cerámico a comparación con el yeso de
construcción su color es blanco, fino en cuanto a cuerpo, fragua y seca en menor
tiempo.
Figura 36: moldes con cierta complejidad
49
ESCAYOLA
La escayola o yeso calcinado, a comparación del yeso que se mencionó
anteriormente, tiene un color más blanco y es mucho más ligero, seca antes y es
menos poroso, esto beneficia pues permite un acabado mejor. La escayola se
mezcla con agua y sílice para mayor resistencia.
FIBRA CERÁMICA
La fibra cerámica está creada a partir de alúmina y silicatos es decir los materiales
que tienen sílice. La fibra cerámica se encuentra en diferentes presentaciones
para distintos fines, la de 5mm se pone sobre la base del horno esto para
protegerlo del vidrio es una opción para no utilizar la fórmula del separador para
horneado que está conformada por los mismos materiales. La de 8 mm se utiliza
para sobreponerla en superficies como ladrillo cerámico, con la finalidad de que el
vidrio adopte esta forma. El beneficio de utilizar este material es que puede ser
utilizado más de una vez, dándole un tratamiento con separador de horno.
50
Figura 37: manejo de vidrio soplado, fotografía cortesía de free photo resources, tomada por Peter Musterd
Capítulo 3: Aspectos sobre
termodinámica y transferencia de calor. 3
3.1 Importancia de la termodinámica y transferencia de calor en la industria. 3.2 Qué es la termodinámica. 3.3 Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico. 3.4 Principios de la termodinámica. 3.5 Qué es la transferencia de calor. 3.6 Conducción y convección. 3.7 Convección.
51
52
3.1. Importancia de la termodinámica y transferencia de
calor en la industria.
Existe una estrecha relación entre el Producto Nacional Bruto (PNB) y el consumo
de energía per cápita para la medida de nivel de vida de un país, ya que la
utilización de energía en los países industrializados es un factor importante para
su crecimiento sostenido. Se considera necesaria la reducción de desperdicio de
energía en la industria, transporte y en aplicaciones comerciales y residenciales.6
(Kenneth Wark, 1991)
Este capítulo abarca temas referentes a la termodinámica y transferencia de calor,
puesto que es necesario comprender la relación que se tiene entre teoría, leyes y
afirmaciones matemáticas, para la comprobación que más adelante se lleva a
cabo, se hará uso de termodinámica estadística en la que se medirán conceptos
de temperatura, presión, distancia, etc.
3.2. Introducción a la termodinámica
La termodinámica estudia los procesos en los que interfiere la energía, esta puede
ser interna o térmica esto se refiere a la energía total que incluye tres aspectos la
traslación, rotación y vibración de las moléculas. En pocas palabras la
termodinámica estudia el proceso por medio del cual se transfiere energía y se
convierte en calor.
Los procesos que estudia la termodinámica son el calor y el trabajo. El calor es la
transferencia de energía de un cuerpo a otro, el trabajo es la transferencia de
energía por medios mecánicos.
3.3. Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico.
Para el análisis que se realizará es necesario conocer los términos básicos que
componen la termodinámica.
Un sistema, es el cuerpo en cualquier fase encerrado por una superficie que lo
aísla, tiene propiedades como masa, volumen, densidad, presión, temperatura,
entre otras.
6Kenneth Wark, J. (1991). Termodinámica. México: McGraw-Hill.
53
Los sistemas pueden ser aislados es el que no puede intercambiar ni energía,
calor, materia o trabajo con el exterior, cerrado es el que puede intercambiar
energía pero no materia y el abierto puede intercambiar energía y materia con el
exterior. Así como también por su contenido puede ser simple de una sola
sustancia, compuesto de varias naturalezas, homogéneo es aquél que tiene
identidad de sus propiedades en todos los puntos o sea uniforme y heterogéneo
en el cual no se tiene identidad de sus propiedades, estable químicamente,
inestable químicamente, isótropo es el que tiene un comportamiento igual en
todas las direcciones y anisótropo es el que tiene diferente conducta en diferentes
direcciones. Mecánicamente hablando también se clasifican de acuerdo a su
comportamiento en estático o inmóvil y dinámico o móvil.
El término básico para realizar estudios que abarquen la termodinámica, es la
temperatura. La temperatura visto desde una definición conceptual, se refiere a la
propiedad de una materia, es decir que la temperatura en realidad existe en la
naturaleza. En relación con la física la temperatura es una magnitud, característica
presente en la naturaleza, atributo y manifestación macroscópica, esto se refiere a
un parámetro del comportamiento de un número sinfín de moléculas según la
Física Clásica. Para la termodinámica la temperatura es una variable que
caracteriza el estado del sistema, en un proceso en el cual el sistema cambia de
estado.
Para entender mejor el proceso que estudia la termodinámica es indispensable
tener noción de los estados de equilibrio, el equilibrio es un estado por el cual un
sistema padece modificaciones de acuerdo a la circunstancia en la que sus
variables se encuentren, en otras palabras son los cambios que percibe un
sistema al presentar una diferencia en alguna variable macroscópica para
permanecer constante. El equilibrio en la termodinámica implica tres aspectos:
Equilibrio térmico, es cuando la temperatura del sistema se identifica con las
variables del exterior, equilibrio mecánico se refiere cuando hay uniformidad en
cuanto a la presión dentro de distintos puntos de un sistema y equilibrio químico
es la identidad en cuanto a cómo está conformado un sistema y el exterior.
Ahora es importante hablar acerca de los procesos que estudia la termodinámica,
para empezar un proceso en la termodinámica es la transformación del sistema en
54
el cuál pasa de un estado a otro por los cambios en alguna variable, para la
termodinámica existen dos magnitudes para llevar a cabo esta transformación son
el calor y el trabajo, que anteriormente se describieron. Al relacionar a estas dos
magnitudes se obtienen distintas tipos de procesos que son: abierto, al concluir el
estado final no coincide con el inicial, cerrado es el proceso en el cual el estado
final del sistema coincide con el inicial y un proceso cíclico es un proceso cerrado
y múltiple.
3.4. Principios de la termodinámica
A través del tiempo se ha estudiado el comportamiento del calor entre un cuerpo y
otro creando diversas teorías, en el siglo XVII surgió la definición de calórico como
una masa que “inunda” el cuerpo y se transfiere de uno a otro, esto se definió en
la teoría elemental de los intercambios de calor de Lavosier-Laplace7 (González
de Posada Francisco, 2007), pasó el tiempo y surgieron distintas teorías
representativas del calor, afirmaban que no era una masa pero que fluía de un
cuerpo a otro. Fue con la estructuración del concepto de energía, principios de
conservación y degradación que incluyeron al calor como parte de ella, para
después continuar con teorías más específicas sobre la concepción de otras
variables como, la teoría cinética de los gases, radiación térmica y física
estadística.
Los estudios de la termodinámica se rigen por tres principios, solo se mencionarán
los tres principales que nos ayudarán a entender un poco mejor la transferencia de
calor, energía y cómo repercute en un cuerpo o sistema.
7 González de Posada Francisco, R. G. (2007). Teorías Termológicas Aplicación a la Arquitectura y a las Ingenierías. Madrid España:
Pearson Educación, S.A. 7Ignacio, M. J. (2006). Física al alcance de todos. Madrid : Pearson Alhambra.
55
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica define en sí el comportamiento de la energía.
La energía interna en un sistema puede variar mediante intercambios de trabajo
y/o calor con el exterior. 8 (Ignacio, 2006)
Si bien la primera ley de termodinámica es también conocida como el principio de
conservación de la energía. Si un trabajo es realizado a un sistema o este
intercambia calor con otro, la energía interna cambiará. Existe energía transitando,
entrando o saliendo del sistema. En otras palabras el calor es la energía necesaria
para recompensar alguna diferencia entre trabajo y energía interna.
Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824.
La fórmula que define esta primera ley es la siguiente:
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Este principio determina la dirección y límites de pérdida y ganancia de energía,
anuncia que la energía no puede convertirse de un tipo a otro sin tener pérdidas.
Como lo menciona Kelvin-Planck
"Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como
único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de
trabajo".9
Deduce que la máquina no puede transformar todo su trabajo en calor, siempre es
necesario transmitir ese calor a otro cuerpo, por conclusión el calor residual o
parte del calor absorbido se expulsa al medio ambiente como calor.
9 Kenneth Wark, J. (1991). Termodinámica. México: McGraw-Hill.
E entra – E sale= E sistema
56
TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
En este principio Nernst, afirma que ningún cuerpo puede llegar al cero absoluto,
dice que mientras más se acerque un sistema al cero absoluto su entropía que es
un cálculo para deducir la parte de la energía que no puede utilizarse para
producir trabajo, va siendo constante.
3.5. Transferencia de calor
La transferencia de calor como ciencia ha aportado en las labores diarias del ser
humano desde la preparación de sus alimentos, transportación, salud, vivienda
entre otros, y a medida que el tiempo pasa y la tecnología avanza, toma más
importancia en procesos eléctricos y electrónicos en aplicaciones como motores,
transformadores, transistores y conductores. Previamente se habló sobre la
importancia de la termodinámica puesto que estudia el intercambio de calor, pero
es necesario conocer las condiciones que permiten este intercambio de calor.
La transferencia de calor estudia el proceso por medio del cual se transporta la
energía entre dos cuerpos al ponerse en contacto, dentro de la transferencia de
calor se estudian tres mecanismos: la conducción, convección y radiación. Se
tomará como referencia dos de los tres mecanismos, conducción y convección.
3.6. Conducción
La conducción trata del fenómeno de transferencia de energía de un cuerpo
sólido, líquido, o gaseoso por medio de la excitación molecular cuando existe una
diferencia de temperatura.
Cuando los materiales tienen una alta conductividad térmica se llaman
conductores y los que tienen una baja conductividad se denominan aislantes. El
aire tiene la propiedad de tener un bajo grado de conductividad casi como el de un
aislante, pero para ser un verdadero aislante este debe encontrarse estático.
CONVECCIÓN
El fenómeno de transferencia de energía por convección es a través del
movimiento fluido de un líquido o gas.
Se estima el flujo de calor disipado, por la diferencia total de temperaturas entre la
superficie y el fluido, mediante esta fórmula:
q”= h(Ts-T∞)
57
58
Fotografía 38: Prueba en un horno para templado de metales, tomada por Joyce Barba Ontiveros.
Capítulo 4: Estudio comparativo entre hornos para
vitrofusión modelos: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC
209GFE
4.1 Objetivos del estudio de comparación. 4.2 Método y estrategia de experimentación para el estudio de comparación. 4.3 Muestras para realizar la experimentación. 4.4Especificaciones sobre las variables independientes del estudio. 4.5 Especificaciones sobre las variables dependientes del estudio. 4.6 Elementos a prueba en el interior de los hornos. 4.7 Estrategia de aplicación y recolección de datos. 4.8 Presentación de resultados dentro del horno. 4.9 Conclusión sobre comparación entre hornos para vitrofusión modelo: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC 209GFE.
4
59
60
4.1. Objetivo del estudio de comparación.
El objetivo del estudio de comparación, es analizar el comportamiento entre dos
hornos con distintas características pero misma función. El primero con las
resistencias ubicadas en los laterales (Fig. 41) y el segundo con las resistencias
ubicadas tanto en los laterales como en la parte superior (Fig.42). Al mismo tiempo
se va a comprobar la disipación de calor dentro de la cámara de cocción, como
también el tiempo que tarda en subir cierta temperatura y el comportamiento de
las piezas que se introducen.
4.2. Método y estrategia de experimentación para el estudio
de comparación.
Para lograr dicho objetivo, se utiliza un método de experimentación de control y de
dimensión. En la experimentación de control se pone a prueba el comportamiento
de dos variables dependientes que son dos hornos los cuales tienen
características en sus componentes que los hacen diferentes. Las variables
independientes son piezas de vidrio sobre moldes de dos tipos de yeso: para
construcción (Fig. 39) y cerámico (Fig. 40), estas especificaciones serán
controladas a través de diagramas de ubicación al ser introducidas en los hornos.
En cuanto a la experimentación de dimensión, en la segunda fase se analizará la
segunda variable dependiente que es un horno Olympic (Fig. 42), el cual lo hace
diferente a la primer variable dependiente que es un horno Skutt (Fig.41) por la
ubicación de las resistencias y dimensiones puesto que este horno no es
destinado a grandes producciones. Se someterán las mismas muestras
independientes que son las piezas de vidrio sobre los dos tipos de yeso y se
compararán los resultados obtenidos en cuanto a la calidad en las piezas y tiempo
transcurrido en el ascenso de temperatura.
Mediante el uso de gráficas se examinarán los resultados obtenidos en las dos
fases del experimento teniendo en cuenta el ascenso de temperatura con el
tiempo, representado en gráficas lineales. Se realizará una quema en cada horno
con las mismas especificaciones en cuanto a material y objetivo, se alcanzarán
entre los 700-800°C.
61
Mediante el uso de una bitácora se recopilarán los grados que ascendieron
durante cierto tiempo, hasta alcanzar dicha temperatura.
Por medio de una cámara fotográfica se capturarán los resultados obtenidos
después de la quema, para ser comparados.
4.3. Muestras para realizar experimentación.
Muestra 1: Consta de 26 moldes de yeso para construcción (Fig.39) con fecha de
elaboración del 6 de abril del 2014 (12 moldes) y el 20 de abril del 2014 (14
moldes), para la elaboración de estos moldes se requirieron de 10 kg de yeso para
construcción y 14lt de agua aproximadamente. Así como también 26 moldes de
yeso cerámico (Fig.40) con fecha de elaboración del 6 de abril del 2014 (12
moldes) y el 20 de abril del 2014 (14 moldes), para esto se necesitaron 8 kg de
yeso cerámico y 14 lt de agua aproximadamente.
Instrumento 2: Consta de 40 piezas de vidrio sódico o comercial con medidas de
10x10 cm 20 piezas tienen un grosor de 3 mm y otras 20 piezas un grosor de
6mm.
Figura 40: Muestra de moldes de yeso cerámico, utilizados para el experimento.
Figura 39: Muestra de moldes de yeso de construcción utilizados para el experimento.
62
Muestra 3: En la primera fase que se realizará en un horno Skutt (Fig.41), se
requerirá de sus aditamentos: los pilares de soporte, que en este caso se utilizaron
15 de 10 cm y sus respectivas bases. Al igual que el separador en polvo, agua y
una brocha para aplicarlo.
Muestra 4: Para la segunda fase se utilizará un horno Olympic (Fig. 42), con su
respectivo separador de protección con el vidrio (alúmina).
Instrumento a: Libreta para realizar anotaciones sobre la temperatura generada en
el tiempo transcurrido, al igual que una pluma o lápiz.
Instrumento b: Cámara profesional Canon EOS Rebel Xs.
Instrumento c: Pirómetro digital incluido en el horno.
Instrumento d: Cronómetro con alarma.
Figura 42: Horno OLYMPIC 209GFE
Figura 41: Horno Skutt KM227CK256
63
4.4. Variables dependientes estudiadas.
Se utilizará el horno Skutt modelo KM1227 CK256 (Fig. 41), por poseer las
resistencias en los laterales, con la intención de analizar el tiempo en el que
alcanza a llegar a la temperatura requerida y la repercusión en las piezas ya que
el calor es transferido en dirección paralela sobre estas. A comparación el horno
Olympic (Fig. 42), posee las resistencias tanto en los laterales como en la parte
superior, se seleccionó este horno con el propósito de comparar el
comportamiento en las piezas ya que se suministra calor tanto en los laterales
como en la parte superior.
Así como también se analiza el comportamiento de dos distintos grosores de vidrio
sódico o comercial, con 3 y 6mm.
La utilización de dos tipos de yesos, es para observar que tipo de yeso soporta
más de una quema y si repercute la repartición de calor en el molde.
4.5. Muestras en el interior de los hornos.
La muestra de estudio en la primera fase de experimentación, se delimita por el
uso de 24 moldes de yeso, 12 de yeso para construcción (Fig. 39) y 12 de yeso
cerámico (Fig. 40). Así como 12 piezas de vidrio sódico o comercial de 10x10 cm
con 3 mm de grosor y 12 piezas de 10 x 10 cm con 6 mm de grosor.
Para la segunda fase, se tiene una muestra de 16 moldes de yeso, 8 de yeso para
construcción y 8 de yeso cerámico, se reduce la muestra de estudio a
comparación de la primera fase por las dimensiones del horno Olympic. Por otro
lado se utilizó como muestra 8 piezas de vidrio sódico de 10 x 10 cm con 3 mm de
grosor y 8 piezas de vidrio sódico de 10 x 10 cm con 6 mm de grosor.
64
4.6. Estrategia de aplicación y recolección de datos
PRIMERA FASE
ESPECIFICACIONES DE LA EXPERIMENTACIÓN
Análisis del ascenso de temperatura hasta llegar a los 760°C, como también el
tiempo en el que se logra alcanzar la temperatura, comparación entre el
comportamiento de dos tipos de yeso y el resultado obtenido en las piezas de
vidrio en relación con la repartición del calor dentro de la cámara de cocción.
MUESTRAS EN EL INTERIOR DEL HORNO
Se utilizaron 24 moldes de yeso que por la altura que tienen de aproximadamente
7 cm permitirán que por gravedad, el vidrio tenga cierta caída al someterse a la
temperatura asignada. De los 24,12 son de yeso para construcción (Fig.39) y 12
son de yeso cerámico (Fig. 40).
También se utilizaron 24 piezas de vidrio sódico o comercial, con las medidas de
10 x10 cm, 12 de ellos con un grosor de 3 mm y los otros 12 tenían de 6 mm.
CONDICIONES EN LAS QUE SE APLICARÁ LA PRIMERA FASE DEL EXPERIMENTO DE
CONTROL.
El experimento se realizó el día con fecha 28 de Abril 2014 en la ciudad de León
Guanajuato, el día contaba con una temperatura de 29°C.
ASIGNACIÓN DE LA UBICACIÓN DENTRO DEL HORNO
Las piezas de yeso y vidrio se acomodaron de la siguiente manera:
El horno se preparó para tener tres plataformas o niveles, se diseñó el acomodo
de las piezas para analizar las repercusiones de la posición y la recepción de
calor. Teniendo esto en cuenta se podrá observar con mayor facilidad el resultado
de las piezas.
65
Se realiza una bitácora sobre los grados centígrados que van ascendiendo
durante un tiempo, tomando en cuenta que la velocidad de cocción fue media.
DOCUMENTACIÓN DE LOS SUCESOS
Como primer paso se organizan las piezas de acuerdo al yeso que le corresponde
al vidrio y se acomodan de acuerdo al diagrama de ubicación.
En las figuras 45,46 y 47 se puede apreciar el interior del horno, se observa el
pirómetro (Instrumento C) y la ubicación de las resistencias, el diseño de Skutt,
indica que lo mejor es instalar dos resistencias en cada bloque.
El siguiente paso es preparar la segunda plataforma para distribuir las piezas
(Fig. 46).
Por último se programa el controlador para detenerse cuando alcance la
temperatura de 760°C y se toman datos sobre la temperatura que ascenderá en
cierto tiempo. 10
10 NOTA SOBRE EXPERIMENTACIÓN: Se llegó a los 761°C, se pasó por un grado pero no repercute en los resultados.
Figura 43: Diagrama de ubicación de las piezas dentro del horno, en la primera fase de experimentación.
Yeso para construcción, vidrio 6mm
Yeso cerámico, vidrio 6 mm Yeso para construcción, vidrio 3mm
Yeso cerámico, vidrio 3mm
Primer nivel Segundo nivel Tercer nivel
66
Figura 44: Fotografía del momento en que fueron organizadas las piezas de acuerdo a su acomodo en el diagrama.
Figura 46: Fotografía del interior del horno, en la segunda plataforma.
Figura 45: piezas introducidas en la primera plataforma de acuerdo al diagrama.
Figura 47: piezas introducidas en la segunda plataforma de acuerdo al diagrama.
67
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS EN LAS MUESTRAS UBICADAS EN EL INTERIOR DEL
HORNO SKUTT MODELO KM1227 CK256
Los resultados obtenidos en la primera fase de experimentación de control serán
presentados por medio de fotografías y para mejor comprensión se presenta el
diagrama de ubicación de las piezas en dónde se señalan las piezas que tuvieron
alguna diferencia de las demás.
En esta primera fase, en el primer nivel se encontró que no tuvieron caída
suficiente las piezas a comparación de los otros dos niveles, en otras palabras el
vidrio no recibió suficiente calor para deformarse, se logró curvar más no adoptar
la forma del molde, como se demuestra en el diagrama de posición, dos de las
piezas que se ubican en los extremos y dos del centro fueron las que menos calor
recibieron. Las piezas que menos se curvaron son de 6 mm, las piezas ubicadas
en el centro del horno son las que se curvaron mejor a excepción de dos y una de
ellas era de 3 mm. Por lo que se recomienda no posicionar piezas de 6 mm que
requieran termo formarse por completo en este nivel.
Figura48: Se observa que la mitad de las piezas no adoptaron la forma del molde, esto por la falta de calor.
Figura49: Diagrama de resultados, las muestras que están marcadas fueron las que tuvieron falta de caída por calor.
68
Para el segundo nivel se observa en las fotografías capturadas, que sólo fue una
pieza la que no recibió suficiente calor para tener un caída de libre completa, esta
se ubica en el extremo del horno, tal como se muestra en el diagrama dónde se
específica el grosor del vidrio y el tipo de yeso, se trata de una pieza de 3 mm de
grosor sobre yeso para construcción.
Figura 50: Diagrama en el que se especifican las características del material y ubicación.
Figura 51: segundo nivel del horno, el calor se comportó de manera casi homogénea puesto que sólo una pieza no logró la caída como las demás.
Figura 52: Detalle de piezas ubicadas en el segundo nivel.
69
En el caso del tercer nivel ubicado en la parte superior del horno, se encontró que
todas las piezas recibieron calor de manera homogénea, todas quedaron con los
mismos resultados de caída del vidrio.
Como conclusión en cuanto a la repartición de calor dentro de la cámara de
cocción de un horno Skutt modelo KM1227 CK256, se tiene que por las
dimensiones del horno y sus características técnicas como la ubicación de
resistencias y al estar conectadas en serie, el calor se distribuye de manera no
uniforme, esto se comprueba con el principio de Arquímedes, puesto que la
densidad del aire caliente es menor que la densidad del aire frío el calor dentro del
horno tiende a subir y al ir descendiendo la temperatura, el calor se concentra en
el centro de la cámara de cocción hasta bajar. En los resultados que se obtuvieron
en las piezas se puede observar con mayor precisión que las piezas ubicadas en
el primer nivel, fueron las piezas con menos caída con ubicación en los extremos y
centro del horno que en desventaja con las piezas obtenidas en el último nivel,
todas tuvieron caída uniforme.
Figura 53: Diagrama de resultados, todas las piezas recibieron calor de manera uniforme.
Figura 54: piezas en interior del horno en el primer nivel.
Figura 55: detalle de las piezas en el interior del horno del primer nivel.
70
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE LA PRIMERA FASE DE EXPERIMENTACIÓN DE
VARIABLES INDEPENDIENTES EN UN HORNO SKUTT MODELO KM1227 CK256
Se programó el horno para que tuviera una velocidad media y ascender hasta los
760°C, se tomaron los datos durante 3 horas y media por cada media hora. Los
resultados se pueden observar en el siguiente esquema (7), junto con la gráfica 1
que nos indica el ascenso de temperatura, que se puede dividir en tres
segmentos, el primero transcurrido entre los 23°C y 489°C, la temperatura va
ascendiendo lentamente durante 1 hora y 30 min hasta alcanzar la segunda etapa
que comprende los 565 °C y 756 °C aquí el ascenso de temperatura ocurre dentro
de una hora y en la tercera etapa durante el ascenso de los 757°C a los 761°C
sucedió de manera más rápida, ya que en menos de un minuto alcanzo esta
temperatura.
Esquema 7: tiempo en el cual ascendió la temperatura hasta alcanzar los 761°C.
Gráfica 1: registro de ascenso de temperatura
71
SEGUNDA FASE
ESPECIFICACIONES DE LA EXPERIMENTACIÓN
En esta segunda fase del experimento de dimensión, recordando que se recurrió a
un método paralelo en el cual se comparan dos variables, se analizó un horno
Olympic modelo 209GFE, con resistencias ubicadas en los laterales y parte
superior. La temperatura que debe llegar es de 760°C, se debe tomar el tiempo en
el que se logra alcanzar la temperatura, la reacción de las piezas de vidrio con la
disipación de calor al ser emitido de la parte superior, al igual que el
comportamiento de los dos tipos de yeso como molde.
PIEZAS EN EL INTERIOR DEL HORNO
Se utilizaron 16 moldes de yeso, que como en la primera fase, se realizaron a
partir de vasos de plástico, pero en esta fase fue menor el número de moldes por
las dimensiones del horno. Se realizaron 8 moldes de yeso para construcción y 8
moldes de yeso cerámico.
Así como 16 piezas de vidrio sódico o comercial, con las medidas de 10 x10 cm; 8
de ellos con un grosor de 3 mm y los otros 8 tenían un grosor de 6 mm.
CONDICIONES EN LAS QUE SE APLICARÁ EL EXPERIMENTO
El experimento se realizó el día con fecha 3 de Mayo del 2014 en la ciudad de San
Luis Potosí SLP el día contaba con una temperatura de 27°C.
ASIGNACIÓN DE LA UBICACIÓN DENTRO DEL HORNO
Se debe registrar en una bitácora el tiempo recurrido y los grados centígrados que
ascenderán hasta llegar a los 760° centígrados, al igual que el registro del
acomodo de las piezas en un diagrama diseñado para tener conocimiento de la
ubicación de las piezas y lograr un registro de las piezas que sufrieron cambios no
especulados de acuerdo a la repartición de calor.
72
Las piezas de yeso y vidrio siguieron el siguiente diagrama de ubicación:
DOCUMENTACIÓN DE LOS SUCESOS
Se introdujeron las piezas en el horno previamente preparado. Las piezas fueron
acomodadas como se había proyectado. El horno alcanzó los 736°C, se planeaba
llegar a los 760°C, sin embargo se tuvo que detener la quema a los 736°C, pues
si se llegaba a los 760°C las piezas quedarían con fallas técnicas quedando
inservibles.
Figura57: Piezas de la segunda etapa realizada en un horno olympic
Figura58: interior del horno encendido, proceso de caída del vidrio
Figura 56: Diagrama del acomodo de las piezas dentro del horno, en la segunda etapa del experimento.
73
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
Al igual que la primera etapa, el método utilizado fue el análisis por medio de
gráficas de líneas, comparación de acuerdo al diagrama de ubicación de las
piezas y fotografías.
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS EN LAS MUESTRAS UBICADAS EN EL INTERIOR DEL
HORNO OLYMPIC MODELO 209GFE
En el primer diagrama se puede demostrar que la quema fue homogénea, en
cuanto a la recepción de calor como hallazgo se tiene que sólo una pieza no
resultó, esto a consecuencia de la humedad del molde el cual era de yeso
cerámico y un vidrio de 3 mm. Las demás piezas obtuvieron la misma caída por la
recepción de calor por parte de las resistencias ubicadas en la parte superior.
Figura 59: diagrama de registro del resultado obtenido en un horno Olympic.
74
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE LA SEGUNDA FASE DE EXPERIMENTACIÓN DE
VARIABLES INDEPENDIENTES EN UN HORNO OLYMPIC MODELO 209GFE
En cuanto al tiempo transcurrido en el ascenso de temperatura; el horno Skutt
llegó a los 761°C y a comparación con el horno Olympic llegó a los 736°C, el
ascenso de temperatura ocurrió mucho más rápido, se puede observar en la
gráfica 2, que el primer ascenso fue brusco en cuanto a la temperatura que
alcanzó con respecto al tiempo, durante media hora de los 22.2°C ascendió a los
255°C.
Es probable que durante este tiempo, la humedad guardada en el molde haya
provocado la ruptura de la pieza. El horno no alcanzó los 760°C, llegó a los
736.11°C, se detuvo el horno a esta temperatura pues si continuaba las piezas
sufrirían de una desvitrificación quedando inservibles.
Esquema 8: registro del tiempo en el que ascendió la temperatura hasta alcanzar los 736.11°C.
Gráfica 2: gráfica de líneas que demuestra el ascenso de temperatura en el horno Olympic.
75
4.7. Conclusión sobre comparación entre dos hornos para
vitrofusión.
Teniendo los resultados de las dos variables los cuales fueron analizados a partir
de una gráfica lineal en la que se puede observar la diferencia respecto al tiempo
en los dos hornos, se obtienen las siguientes conclusiones.
En la gráfica 3, se observa que los hornos tenían una temperatura inicial con un
grado de diferencia, el horno Olympic (línea roja) asciende hasta llegar a los
256°C en treinta minutos a comparación del horno Skutt (línea azul) que alcanzó
los 259°C en noventa minutos, la temperatura asignada para los dos hornos eran
los 760°C el horno Olympic no llegó al objetivo pues las piezas ya habían curvado
lo necesario y de lo contrario las piezas tendrían fallas, el horno Olympic llegó a
736°C en una hora cuarenta y siete minutos, el horno Skutt (línea roja) llegó al
objetivo en cuatro horas y media.
Gráfica 3: gráfica de líneas en la que se observa la diferencia en tiempo en el ascenso de temperatura entre un horno skutt modelo KM1227CK256 y OLYMPIC 209GFE
76
En la gráfica 3 se puede apreciar que el ascenso de temperatura en el horno
Olympic fue lineal y de manera rápida, en cuanto a la calidad en las piezas sólo
hubo una falla en cuestión al molde, por lo que se concluye que la ubicación de las
resistencias en la parte superior y laterales permitió una distribución de calor de
manera uniforme y eficiente.
En virtud de que ninguno de los dos modelos de hornos es malo, cabe aclarar que
cada horno tiene una función diferente, en cuanto al modelo de horno Skutt es un
horno diseñado para grandes producciones, se deben distribuir las piezas de
acuerdo a la técnica a desempeñar teniendo el conocimiento del comportamiento
del vidrio en cada nivel del horno.
En cuanto a la disipación de calor de un horno Olympic, este modelo de horno fue
diseñado para poder realizar las técnicas de vitrofusión como Slumping, fusing y
caída libre, esto mediante la elección de las resistencias, ya que se pueden utilizar
tanto las resistencias de los laterales, como las superiores o ambas, lo que le da
un mejor control en cuanto a la uniformidad del calor, que repercute en las piezas.
Ambos hornos se pueden controlar en velocidad alta, media y baja, pero el modelo
de horno Olympic resultó más eficiente en cuanto al tiempo transcurrido en la
quema, otro punto importante de aclarar es que la velocidad manejada en los dos
hornos no repercute en el resultado, es decir aunque la velocidad sea muy rápida
no dañará a la pieza.
77
78
CAPÍTULO
5:
Desarrollo
de la
propuesta
Figura 60: fotografía del área de trabajo durante los estudios demostrativos, tomada por Ma. Eugenia González Gollaz
Capítulo 5: Desarrollo de la propuesta.
5
5.1 REQUERIMIENTOS DE LA PROBLEMÁTICA PARA SER SOLUCIONADA. 5.2 REQUERIMIENTOS DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN PARA SU EJECUCIÓN. 5.3 DOCUMENTACIÓN SOBRE LA PROPUESTA DE DISEÑO. 5.4 TABLAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS Y DIAGRAMAS. 5.5 MEMORIA DESCRIPTIVA. 5.6 ESTUDIO DEMOSTRATIVO. 5.7 TABLA COMPARATIVA 5.8 CUMPLIMIENTO DE HIPÓTESIS. 5.9 CONCLUSIONES FINALES. 5.10 PROSPECTIVAS.
79
80
5.1. Requerimientos de la problemática para ser solucionada
Retomando la problemática planteada en el primer capítulo la distribución des
uniforme de calor dentro de la cámara de cocción de un horno de resistencias con
multiniveles para una producción de piezas usando distintas técnicas de
vitrofusión, repercute tanto en los resultados obtenidos en las piezas tanto como
en el medio ambiente al crear desperdicio de calor.
Como se observó en los resultados obtenidos en el estudio comparativo entre dos
hornos de vitrofusión expuesto en el capítulo cuatro; donde se concluyó que la
posición de las resistencias infiere en la transmisión de calor, ya que si se tienen
resistencias en los laterales y en la parte superior, favorecerá en la uniformidad de
repartición de calor.
Para no obtener malos resultados en las piezas se debe buscar una equidad entre
el tiempo y la temperatura. Teniendo en cuenta que de manera natural el calor
tiende a subir y bajar por el centro de la cámara de cocción, el usuario debe
posicionar las piezas dentro del horno de acuerdo a lo que se espera haciéndolo
incierto y dejándolo a la experiencia, por lo que implica repetición de piezas.
Otro aspecto a resaltar es que al tratarse de un material el cual puede perder
calidad al enfrentarse con un cambio brusco de temperatura, se requiere de
tiempo de espera para que tanto el horno como las piezas enfríen, por lo que se
convierte en un proceso de producción lento.
Se debe tomar en cuenta los siguientes requerimientos de la problemática para la
propuesta que siguiendo la hipótesis que se estableció en el primer capítulo, en
cuanto a los siguientes aspectos: técnicos, materiales, ergonomía, relación con el
medio ambiente y mejora en producción de piezas de vidrio.
Aspectos técnicos: de acuerdo a los aspectos de tiempo-temperatura que se analizó en el estudio comparativo entre dos hornos para vitrofusión se deduce como requerimiento un pirómetro digital que permita tener control de las áreas donde estarán situadas las resistencias eléctricas, lo mejor será tener ubicadas las resistencias en los laterales y en la parte superior del horno. Se requiere de un elemento que permita transmitir el calor por convección dentro del horno.
En cuanto a los materiales se requiere de materiales cerámicos o aislantes que soporten hasta los 1000°C, que no permita la salida de calor dentro de la cámara de cocción.
81
Estos materiales deben ser de cierta manera benéficos al medio ambiente contrarrestando el desperdicio de calor que genera alteraciones al medio ambiente.
En cuanto a la ergonomía la propuesta debe considerar requerimientos tanto en medidas como características que no produzcan lesiones al usuario.
En cuanto a la producción el horno debe ser para grandes producciones con niveles que permitan al usuario repartir las piezas dentro del horno.
5.2. Requerimientos de la propuesta de solución para su
ejecución
Teniendo en cuenta los requerimientos del problema que se ha descrito y
retomando la hipótesis que se planteó en el primer capítulo, el horno cuenta con
un ventilador, que por convección proporcionará repartimiento de calor uniforme
dentro de la cámara de cocción, por lo que a continuación se establecerán los
requerimientos necesarios para llevar a cabo el diseño de este horno, la propuesta
es un horno para producción de piezas usando las técnicas de fusión parcial, total,
inclusiones, caída libre y termoformado.
TÉCNICOS
Se usará resistencias eléctricas Kanthal A1. Es una aleación de
hierro-cromo-aluminio ferrítico (FeCrAl) soporta temperaturas de
hasta 1400°C, este material también se caracteriza por su alta
resistencia y buena resistencia a la oxidación, esto se debe tomar
en cuenta por la composición de los materiales que se introducirán
en el horno. Se incluye la ficha técnica necesaria para el cálculo de
datos para su construcción.
A continuación se presentan los cálculos necesarios para las resistencias.
Figura 61: Tabla de datos técnicos obtenida de la página de la distribuidora de productos Kanthal http://www2.kanthal.com
82
Cálculo de la resistencia eléctrica Mediante la ley de Ohm tenemos que: P=V*I P=10578 Watts I=P/V I=10578/220=48.08 V=220 V I=48 Con el valor de la corriente obtenemos el valor de la Resistencia con: Rt= V/I Rt= 220/48 Rt= 4.58Ω
Conociendo la resistencia eléctrica a los 20°C podremos calcular la resistencia por metro que existe en una resistencia tipo Kanthal A1
R20=𝜌∗𝐿
A ф
Dónde:
𝜌 Es la resistividad Ω-m. L= Longitud del material en m. A= Área trasversal en m2
A=ᴨф2
4
Φ=Diámetro del conductor en m.
Figura 62: Tabla de datos técnicos obtenida de la página de la distribuidora de productos Kanthal http://www2.kanthal.com
83
A=ᴨ∗0.00132
4
A= 1.32x10-6 m2
R20=1.45𝑥10−6 𝑚Ω∗1𝑚
1.32𝑥10−6𝑚2
R20= 1.11Ω Por cada metro se tendrán 1.11 Ω Cálculo de la resistencia eléctrica a la temperatura de trabajo. De acuerdo a la temperatura de trabajo 1200°C el coeficiente será de 1.06 de acuerdo a las tablas de coeficientes de Kanthal A1 Rt= CtxR20 Dónde: Rt= Resistencia eléctrica a la temperatura de trabajo Ct= Coeficiente de resistividad a 1000°C Rt= 1.06*1.11=1.1766 La resistencia eléctrica a la temperatura de trabajo cambia a 1.17 Ω por metro. Ahora se calculará cuánto material será necesario para hacer las resistencias:
Lt= 𝑅
𝑅𝑡
Lt= 68.38Ω
1.17
Lt= 58.44 m. Sabiendo la longitud del material, calcularemos el material necesario para cada resistencia (5):
Lu=𝐿
5
Lu=58.44
5
Lu= 11.68m x6 = 70.08m Diámetro del espiral Se sabe que para hornos industriales la temperatura de los elementos mayores a 1000°C D/d=5 D=5*d D=5*1.3 mm. D= 6.5 mm
84
La conexión deberá ser en paralelo esto para poder tener control
de las resistencias por niveles y el techo.
En cuanto a la cuestión eléctrica se deberá utilizar un fusible, un
interruptor o breaker térmico, toma corriente trifásica y un enchufe
trifásico.
La estructura, protección y absorción de temperatura deberá ser a
través de ladrillos aislantes greentherm número 26 con las
siguientes dimensiones: 9x4x3 pulgadas. La temperatura de trabajo
que alcanza es de 1430°C, con una densidad promedio de .65-.85
(gr/cm3), están compuestos por alúmina, sílice, óxido de hierro e
hidróxido de calcio.
Los ladrillos aislantes serán unidos usando mortero refractario
MH318, está fabricado a base de materias primas calcinadas,
arcillas desfloculantes (aglutinan sólidos en suspensión provocando
la precipitación) y aditivos que reducen la erosión por ataque de
escorias. Este tipo de mortero soporta hasta una temperatura de
1650°C. Este deberá ser aplicado con espátula.
Como material aislante se utilizará colcha de fibra cerámica con las
siguientes características: dimensiones 130x18x1 pulgadas, con
temperatura de alcance de 2600°F y 8 PCF de densidad. Esta
colcha de fibra aislante forrará el exterior del horno a los ladrillos
aislantes.
La fibra cerámica deberá ser instalada haciendo dobleces
semejantes a los de un acordeón, esta puede ser sujetada a los
ladrillos de distintas maneras, utilizando cemento con 80% de
caolín y 20% de silicato de sodio cuidando que no caiga en las
resistencias eléctricas, otra manera es sujetándola con hilo kanthal
otra opción es fijar la manta con botones de gres de alta o
porcelana y khantal. Si se utiliza el hilo o alambre kanthal este no
Figura 63: Diagrama de conexión de un circuito en paralelo. Obtenido de física La guía 2000.
85
debe ser tan grueso puesto que con el tiempo producirá una mayor
potencia y por consecuencia una demora en el calentamiento. En
este caso se recomienda utilizar botones de gres en las caras
laterales y cemento en la parte superior.
Para el exterior se deberá utilizar lámina negra rolada en caliente
con las siguientes dimensiones: 131.89 x48.03 pulgadas, calibre
20, para su sujeción tendrán soldadas 4 platinas de acero
galvanizado en caliente y atornilladas con tornillos tipo Phillips.
Pintado de la lámina, ángulo y solera se realizará con pintura con
acabado catalizado de poliuretano, ya que contiene pigmentos
inhibidores de corrosión, libre de plomo.
Se requerirá de 3 Termopares tipo K, es una aleación de Cr-Al,
tiene un rango de temperatura de -200°C a +1372°C, con una
buena resistencia a la oxidación y una sensibilidad de 39 (Uv/°C).
Se requerirá de un controlador o pirómetro digital.
Se utilizarán tubos cerámicos de alúmina y mullita como aislante
entre cables y el controlador.
Se requerirá de un regulador electromecánico para el control de
entrada y salida de electricidad.
En cuanto a la convección forzada, será emitida a través de un
ventilador centrífugo de la marca que sea su conveniencia mientras
tenga los siguientes requerimientos: Ventilador centrífugo de doble
aspiración con motor directo y turbina con álabes hacia adelante.
Tubo de prueba cilíndrico de chapa de acero galvanizado, la
longitud deberá ser diez veces su diámetro. La unión del tubo a la
boca de impulsión necesitará ser cuadrada o trunca piramidal no
debe exceder de los 6° o 7° respecto al eje no se deberá dejar
espacios vacíos entre paredes pues se producen turbulencias,
deberá ser parcialmente rectificado. En el extremo final del tubo se
dispondrá de un obturador de forma cónica para abrir o cerrar el
paso del aire.
El motor del ventilador deberá ser cerrado con protector térmico,
clase F, con rodamientos a bolas, protección IP54. Monofásico
220-240 V.-50Hz.
La temperatura máxima del aire a transportar deberá ser de -20°C
+60°C.
86
El acabado del ventilador necesitará ser anticorrosivo en chapa de
acero galvanizado.
Deberá tener un soporte con una base de perfil angular y lámina.
Se requerirá de un sujetador de la tapa al cuerpo del horno, este
tendrá que ser de lámina galvanizada en caliente.
Se deberán utilizar tornillos tipo Phillips para destornillador de 1 ½”
de rosca cilíndrica de acero 6.8.
Para la tapa se requerirá de un mecanismo con resortes para
facilitar el levantado, constará de dos brazos que sujetarán 4 tubos
3 serán de 5/8” y otro de ¾”, este tendrá a su vez dos resortes de
torsión simple.
DE FORMA
El diseño de la estructura del horno tendrá forma rectangular las
esquinas deberán tener inclinación o ser planas, para evitar
lesiones al usuario.
La ubicación de las resistencias será tanto en la parte superior
como en los laterales para tener mayor amplitud en el trabajo que
se requiera realizar.
Figura 65: Ejemplo de resortes de torsión simple. Obtenida de full mecánica.
Figura 64: Modelo de ventilador centrífugo, obtenido de ziehl-abegg.
87
La base del horno tendrá las siguientes dimensiones: 27x27x3
pulgadas, así como las esquinas planas para evitar lesiones al
usuario.
El horno contará con dos niveles.
Cada nivel tendrá las siguiente dimensiones: 27x27x3x9 pulgadas.
En cada ladrillo que conforma el nivel se ubicarán dos líneas de
resistencias.
El interior del horno tendrá las siguientes dimensiones totales:
27x27x18 pulgadas.
La tapa tendrá las mismas dimensiones que la base: 27x27x3
pulgadas, en la tapa se deberá ubicar una tira de resistencias.
Se ubicará un orificio o mirilla en la parte inferior del horno para la
entrada de aire, que será proporcionada por un ventilador
centrífugo.
DE USO
La dimensión que se deberá utilizar para la manija de la tapa del
horno puede ser de 3,8 cm esto según Panero en su libro Las
dimensiones humanas en los espacios interiores. Estándares
antropométricos.11
Según Oborne en su panfleto “Lifting in industry” de su libro
Ergonomía en acción (1966) se describe la técnica apropiada del
levantamiento esto se debe tomar en cuenta al introducir piezas al
interior del horno:
-Pies lo suficientemente separados para una buena distribución de
peso.
-Rodillas y caderas dobladas, con la espalda recta y barbilla
recogida.
-Brazos cerca del cuerpo.
-Procurar usar toda la mano para la acción de agarre.
-Levantar suavemente.
El cuerpo no deberá inclinarse más de 15° hacia adelante.
La altura de la superficie laboral, denominando al tipo de trabajo,
como trabajo fino según Ramírez Cavassa12, debe ser de 870 mm.
para hombres y mujeres, por lo tanto la medida de horno en
general de altura deberá ser entre los 870 mm.
11 (Julius Panero, 1983) Las dimensiones humanas en los espacios interiores. 12 César, R. C. (2006). Ergonomía y productividad. México : Limusa.
88
El usuario tendrá que estar familiarizado con las tareas que puede
realizar con el horno, deberá estar atento a las respuestas
emisoras como alguna alarma, color, olor entre otras cosas. Así
como también el usuario deberá tener conocimientos de las
características de la máquina y las operaciones.
Respecto al controlador, la relación de ejecución entre el usuario
será de presionar.
El diseño que se sugiere para el controlador se regirá a partir de
formas simples que permitan al usuario recordarlas. Los botones
de interacción deberán de tener una textura diferente a la del panel,
esto para evitar confusión al usuario. Así como también estará
acompañado por una clave visual fácil de reconocer.
La ubicación del controlador estará en la parte superior izquierda
de la cara lateral derecha del horno.
La separación entre cada botón del controlador deberá ser de 5
cm, ya que si es un espacio pequeño puede provocar errores y un
espacio amplio provocará que el usuario haga movimientos
innecesarios. Esto se define en el libro de Ergonomía y
productividad de Ramírez Cavassa.13
En cuanto a la distribución de mandos dentro del panel, estos
serán ubicados de izquierda a derecha, al igual se deberá respetar
los mandos de conducta posicionando de la siguiente manera los
mandos: encendido (arriba), apagado (abajo), rápido (arriba) lento
(abajo), aumentar (arriba), disminuir (abajo), automático (arriba),
manual (abajo).
El usuario no deberá flexionarse más de 70° y tener una
hiperextensión de 30°.
La caja del controlador tendrá un ángulo de 30° para ser visible al
usuario.
Los botones tendrán una medida de no más de 1 cm de diámetro.
DE MERCADO Y LEGALES
Se requerirá adquirir una protección por diseño industrial, esto es
un derecho exclusivo que otorga el Estado por un tiempo
determinado a la aplicación industrial o comercial.
Para llevar a cabo esto, solicitan requerimientos tales como:
Solicitud debidamente llenada por triplicado y con firma,
13 César, R. C. (2006). Ergonomía y productividad. México : Limusa.
89
comprobante de pago (original), descripción del diseño y
reivindicación por triplicado y dibujos o fotografías por triplicado.
Se deberán seguir los requisitos de entrega en el caso de los
planos, por mencionar algunos: formato regular carta con margen
de 2 cm en el lado superior, inferior y derecho, 2.5 de lado
izquierdo, los dibujos deberán estar enumerados consecutivamente
de acuerdo a la descripción.14
Así como llevar a cabo el proceso administrativo el cual consistirá
en un preámbulo manifestando que el diseño industrial es diferente
a los conocidos y que contiene características de forma y
ornamentación. Una descripción de las vistas en las que se ilustra
el diseño industrial, una cláusula única (artículo 35 LPI) y figuras
del diseño industrial.
Otra manera de proteger legalmente el diseño del horno podrá ser
por modelo de utilidad que impide a terceros utilizar la invención
protegida. Los modelos de utilidad son utilizados para innovaciones
mecánicas.
Se requerirá de un resumen en el cual muy brevemente se
explicará el contenido técnico, dirigido hacia la técnica a la cual
pertenece.
Para la presentación de la solicitud de registro de modelo de
utilidad se expondrá una justificación por la cual se desarrolla la
innovación, así como una descripción de la solución, en la cual se
mencionará la manera en que se solucionará el problema, el
contenido que prosigue de esta cláusula trata sobre las
reivindicaciones sobre el diseño y su funcionamiento, deberá ser
muy breve y acompañarse de planos.
Posteriormente se notificará al inventor si se reunieron los
requisitos y se deberá efectuar el pago de tarifa de expedición del
título y las anualidades.
Para un trámite fluido se recomienda revisar los papeles de
solicitud con un abogado. El IMPI tiene un plazo de 3 meses para
emitir una respuesta y 18 meses para efectos de publicación en
caso de ser acreditada.
Como condición al proteger el diseño por modelo de utilidad por 10
años se dará a conocer a la sociedad de estos conocimientos. La
manera en que se dará a conocer será a través de un blog, de lo
cual se hablará más adelante.
Siendo inventor independiente, micro y pequeña empresa se da la
opción de pagar por anualidades. 14 (Patentes)
90
Con respecto a la distribución de la información contenida en esta
investigación se recurrirá a tres posibles Blogs y páginas, Bullseye
glass CO.15 quienes residen en Portland Oregon, promueven el
trabajo de artistas en vidrio que usan hornos en distintas técnicas,
influenciado por diferentes artistas entre ellos Narcissus Quagliata.
Otra opción es The American Glassblowers Society16, que
promueve el trabajo científico para usos comerciales, la
investigación no es referente al vidrio soplado pero si hace
referencia a una mejora en aspectos técnicos por última opción se
propone a Studio Xaquique17 ubicados en Oaxaca, México puesto
que es de los únicos estudios dedicados a la fabricación de vidrio
desde soplado, vitrofusión entre otros, usando medios alternativos
para producir energía y ser autosuficientes beneficiando al medio
ambiente.
Para llegar a una colaboración con alguna de estas sociedades, en
primer lugar se deberá hacer una traducción en inglés para los tres
casos y se contactará al administrador para esperar respuesta, en
algunos casos se paga por publicación.
DE SUSTENTABILIDAD
La información incorporada en este documento será de utilidad
para quienes requieran de construir un horno utilizando la
alternativa de convección tanto como para mejorar su proceso de
producción así como para reservar un porcentaje de energía
eléctrica.
El análisis térmico que se documenta es de utilidad para los
creadores de piezas de vidrio bajo las técnicas de vitrofusión,
puesto que se otorga un esclarecimiento sobre el comportamiento
del calor dentro de la cámara de cocción, haciendo que el usuario
no exponga a sus piezas a una repetición desaprovechando
material y energía eléctrica.
En un futuro se podrá recurrir a un modelo sustentable, en este
caso la energía solar, a través de celdas solares.
Existen programas que ofrece FIDE (Fideicomiso para el ahorro de
energía eléctrica) en los cuales se ofrecen apoyos técnicos y
financieros en los cuales se fomenta el desarrollo tecnológico para
15 (Bullseye glass co)
16 (American Scientific Glassblowers Society)
17 (Studio Xaquixe)
91
disminuir el uso de combustibles para la generación de electricidad
para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
El programa Eficiencia energética, promueve e induce el uso
eficiente de energía eléctrica, se debe demostrar el ahorro y
rentabilidad en sistemas y procesos de producción, iluminación,
fuerza motriz, aire acondicionado, refrigeración, entre otros. Se
debe fomentar el uso de otras fuentes alternativas de energía.
Los requisitos técnicos que se solicitan para este tipo de
fideicomiso son los siguientes: Ficha técnica o diagnóstico
energético, descripción del proyecto, análisis de facturación
eléctrica, descripción sistema ineficiente, descripción del sistema
eficiente, comparativo de ahorros energéticos y económicos,
inversión, periodo simple de recuperación, lista de precios, y
catálogos con especificaciones técnicas.
El fin es obtener un sello FIDE, el comprar productos con sello
FIDE garantiza que son equipos o materiales de alta eficiencia
energética, o de características que permiten coadyuvar al ahorro
de energía eléctrica. Al consumidor de estos productos podrán
reducir el pago por consumo de energía eléctrica así como recibir
financiamientos para comprar productos eficientes.
DE RESPONSABILIDAD AMBIENTAL
La convección permite ahorrar un porcentaje de energía y hasta
15° C menos que la temperatura necesaria.
Usando fibras de aislamiento se reduce las emisiones de gases de
efecto invernadero, así como también reducirá gasto de energía
eléctrica ya que mantiene el calor dentro de la cámara de cocción.
El mortero tipo MH318 tiene un tiempo de vida de almacenaje de 6
meses.
DE MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD.
El uso de fibra aislante se deberá realizar con cuidados, puesto que
su aspecto es de fibra y polvo al comienzo puede presentarse
comezón tanto en la piel, ojos y nariz. Se deberán llevar a cabo
prácticas de higiene en el trabajo.
Para la instalación de la fibra cerámica, se deberá utilizar sistemas
de extracción de polvo, desechar los recortes, sobrantes y
escombros, no utilizar aire comprimido en la limpieza, utilizar una
aspiradora con filtro de alto rendimiento. Al desechar este producto
se deberá humedecer con agua antes de retirarlo, barrer o en su
92
caso utilizar la aspiradora, se deberá depositar los residuos en
bolsas de plástico en contenedores de preferencia las bolsas
deberán estar cerradas, selladas y etiquetadas.
En cuanto a la instalación eléctrica que alimentará al horno, se
realizará independientemente para uso del horno. Se colocará una
llave térmica de corte general cerca del horno de manera que en
caso de emergencia sea fácil acceder a ella se recomienda ubicarla
a los 1.6 mts de altura.
El controlador tendrá un parado de emergencia, esto de acuerdo al
Consejo de las comunidades Europeas, en su directiva del 14 de
Junio de 1989.
El horno deberá ser instalado en un lugar seco y aireado, con 45
cm de distancia con la pared.
En cuanto al contacto con el trabajador, este deberá utilizar ropa
adecuada como un overol, usar máscaras anti polvo, no fumar ni
ingerir alimentos o bebidas y al finalizar su trabajo deberá aspirar
su ropa.
No se debe abrir el horno a temperaturas mayores de 500°C, por la
exposición a gases y fibras.
Después de usar el horno se deberán lavar las manos y cara no
ingerir alimentos sin lavarse las manos.
Para darle mantenimiento al horno ya sea de limpieza, este debe
ser desconectado no se debe dar mantenimiento o limpieza hasta
asegurarse de que el horno esté frío de preferencia realizar el
procedimiento de limpieza un día después de haber sido utilizado.
Para cambiar la fibra cerámica, se debe desconectar el horno e
igualmente asegurarse que esté frío. Desatornillar con cuidado la
caja de los controladores al igual que la lámina para después
desajustar los botones grees y retirar la fibra llevando a cabo los
cuidados que previamente se explicaron con respecto al usuario y
fibra aislante.
93
5.3. Documentación de la propuesta de diseño
MODELO DIGITAL
A Base para ventilador centrífugo. B Ventilador centrífugo de doble aspiración.
C Tubo de prueba a boca de impulsión.
D Sistema Lid Lifter.
E Caja de controladores.
F Base para horno.
G Tapa de cierre hermético.
Figura 66: Modelo digital, de la propuesta de diseño del horno que por medio de la ventilación se transmite el calor por convección forzada a partir de un ventilador centrífugo.
A
B
C
D
E
F
G
94
E CONTROLADO-RES DIGITALES.
Figura 67: Propuesta para la ubicación de controladores digitales que permiten la elección de área de calentamiento a través de las resistencias eléctricas.
D SISTEMA LID
LIFTER. Figura 68: Sistema Lid Lift el cual distribuye el peso de la tapa con los resortes ubicados en el mecanismo de la parte posterior del horno.
H MANIJA
Figura 69: Manija con recubrimiento plástico para evitar quemaduras al usuario.
E
D
H
95
D RESORTES DE
TORSIÓN. Figura 70: Resortes de torsión ubicados en el mecanismo de la parte posterior del horno.
B MIRILLA
Figura 71: Ubicación del ventilador centrífugo en la parte interior del horno ya que el calor tiende a subir, de esta manera circulará con mayor velocidad y uniformidad.
D
B
96
I FIBRA
AISLANTE. Figura 72: El horno estará revestido de fibra aislante para no permitir la salida del calor.
J BASES Y
PLATAFORMAS. Figura 73: Opción de distribución de piezas dentro del horno a través de postes con distintas dimensiones y bases.
I
J
97
K PLUMA DE SOPORTE.
Figura 74: Apertura de la tapa y sujeción a través de la pluma de soporte que se mantiene anclado a un seguro.
K
98
DIBUJOS TÉCNICOS
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
5.4. Tablas técnicas complementarias y diagramas de flujo.
Lo que a continuación se presenta es un diagrama de flujo del proceso para la
fabricación de un horno de resistencias que a través de la transmisión de calor por
convección forzada administrado por un ventilador. Cabe mencionar que sólo se
tratará del proceso de fabricación del horno, ya que el ventilador centrífugo no es
diseño de mi autoría. El siguiente diagrama se lee de izquierda a derecha
siguiendo la línea que nos indica la dirección del proceso que le continúa al
anterior. Cada proceso es representado por una figura geométrica en la última
columna se describe la operación a realizar.
No. Operación Inspección Almacenamiento Transporte Descripción de las operaciones
1 Pedido y pago del material aislante, con tiempo de espera
no más de 15 días.
2 Transporte del material aislante de central a taller en auto.
3 Inspección de material aislante.
4 Compra e inspección de lámina negra, ángulos, soleras y tubos.
5
Compra e inspección de material de unión como tornillos
Phillips, platinas, sujetador mariposa y resortes.
6 Compra e inspección de
material eléctrico, resistencias eléctricas, controlador,
termopares y regulador.
7 Transporte y almacenamiento de material comprado al taller
de trabajo.
8 Traslado al área de impresión.
9 Impresión de planos para iniciar el acomodo de los ladrillos
aislantes.
10 Traslado al área de cerámicos.
11 Preparación de mortero.
12 Acomodo de ladrillo de acuerdo al plano.
13
Corte y soldadura de ángulos de acero de acuerdo a los planos
para la manufactura de la base.
14 Apilar ladrillos aislantes que
conformarán las paredes del horno sobre la base de estructura de ángulos.
15 Aplicación de mortero entre cada ladrillo aislante.
116
16
Inspección de cada ladrillo de acuerdo a la entrada para la
resistencia eléctrica.
17 Instalación de resistencias eléctricas y termopares.
18 Inspección de entrada y salida
de cada resistencia eléctrica y termopares de acuerdo al nivel
otorgado.
19 Cierre de las paredes de ladrillo aislante, unidas a la base.
20 Revestimiento de paredes con fibra aislante.
21 Inspección para corroborar el cierre total de las paredes con
fibra aislante.
22
Extraer cables correspondientes a las resistencias eléctricas y
termopares hacia el controlador, ubicado en el lateral derecho.
23 Inspeccionar que ninguno se haya agraviado.
24 Realizar acomodo de ladrillos de acuerdo a los planos de la
tapa.
25 Inspeccionar que concuerden con los planos.
26 Realizar instalación de
resistencias eléctricas y de termopar, así como administrar
mortero entre cada ladrillo.
27 Inspeccionar la salida de los
cables hacia la localización de la caja del controlador ubicado en el lateral derecho.
28 Trasladar lámina negra, ángulos, soleras y tubo hacia el
taller de metales.
29 Inspeccionar láminas negras y limpiarlas.
30 Trasladar lámina negra a la máquina CNC.
31
Hacer orden de corte en CNC de acuerdo a los planos, para carcasa del horno, mecanismo
de lid lifter y cajas para controladores.
32 Trasladar láminas cortadas al área de doblado.
33 Hacer dobleces necesarios en la carcasa, mecanismo de Lid
lifter y cajas para controladores.
34 Inspección de doblado correcto en cada lámina.
35 Trasladar láminas dobladas al área de pintado.
36
Inspeccionar y preparar área de pintado, así como las herramientas necesarias.
117
37 Pintar cada pieza con pintura
con acabado catalizado de
poliuretano.
38 Inspeccionar que todas las piezas sean pintadas correctamente.
39 Esperar que la pintura seque.
40 Soldar platinas al extremo final de la carcasa.
41 Trasladar piezas de láminas, cortadas y pintadas al área del taller de cerámicos.
42 Inspección de secado de ladrillos.
43 Instalación de carcasa en la estructura de ladrillos usando tornillos.
44 Inspección de secado de ladrillos para tapa.
45 Instalación de carcasa con cierre en la parte posterior.
46 Traslado al taller de metales.
47 Realizar corte de tubos, solera y ángulos de acuerdo a los planos.
48 Soldar ángulos con láminas para la parte delantera donde se debe atornillar la manija.
49 Inspección de fijación.
50 Traslado al taller de cerámicos.
51 Instalación de sistema de
ángulos y manija, atornillando a la tapa sin interferir la instalación de resistencias.
52 Inspección de fijación.
53 Localizar la base y cuerpo para realizar instalación de tapadera.
54 Atornillar la aleta de sujeción hacia el cuerpo del horno. Inspeccionar fijación.
55 Apilar la tapa sobre el cuerpo
del horno, atornillar aleta de sujeción del sistema de ángulos. Inspección de fijación.
56 Instalación de tubos y resorte de
acuerdo al sistema Lid Lifter, inspección de funcionamiento.
57 Instalación de cajas para
controladores tanto del cuerpo como de la tapa. Inspección de fijación.
58 Instalación eléctrica de resistencias y pirómetros al switch y controlador digital.
59 Inspección de voltaje y funcionamiento correcto.
118
En el siguiente esquema se describe el acomodo y dirección que deben llevar los ladrillos aislantes para la base, cuerpo y tapa del horno.
Figura Descripción
Los ladrillos destinados a los módulos que
conformaran el cuerpo, tendrán que llevar corte en diagonal para la instalación de resistencias
eléctricas.
De esta manera se debe realizar el acomodo de cada ladrillo para la construcción de cada
módulo, en las esquinas se encontrarán los ladrillos con corte triangular para que cada cara
quede paralela al siguiente ladrillo.
De esta manera queda conformado un módulo, deben ser dos módulos que conformarán los
niveles.
Para la tapa y base se debe cambiar la dirección de los ladrillos de manera horizontal.
De esta manera se construye la base y tapa del horno, en las esquinas quedan ubicados los
ladrillos con corte triangular, para que cada cara quede paralela al siguiente ladrillo.
Esquema 9: Instrucciones del armado de ladrillos para la estructura del horno.
119
En el siguiente diagrama gráfico se muestran las características que el usuario
debe conocer para su uso.
Sistema de apertura Lid Lifter, el cual distribuye el peso de la tapa al ser levantada.
Los controladores digitales, cables y switch se encuentran protegidos por cajas de lámina negra, ubicadas en el lateral derecho del horno.
Gracias a los pilares de distintas dimensiones y bases, se pueden crear más de 3 opciones para acomodar las piezas dentro del horno y aprovechar al máximo la quema.
Ventilador centrífugo, este aportará la entrada de aire. Se debe instalar en la esquina inferior derecha del lateral izquierdo del horno.
Diagrama1: Características que tiene al horno para el usuario.
120
Referencias antropométricas
Figura 75: La altura de la superficie laboral que se denomina como trabajo fino, debe ser de 870mm. según Ramírez Cavassa.
Figura 76: Técnica apropiada del levantamiento, esto se debe tomar en cuenta al operar el horno e introducir piezas: -Pies lo suficientemente separados para una buena distribución de peso. -Rodillas y caderas dobladas, con la espalda recta y barbilla recogida. -Brazos cerca del cuerpo. -Levantar suavemente.
121
5.5. Memoria descriptiva
La propuesta de mejora del diseño de un horno eléctrico está conformado por una
tapa de cierre hermético (G, Figura: 65) la cual consta de ladrillo aislante
greentherm 26 (11,Plano No.1), forrado hacia el exterior de lámina negra rolada en
caliente calibre 20 (1,Plano No. 1), en su interior se encuentran resistencias
eléctricas tipo Kanthal A1 (25,Plano 6) sujetadas por alambre tipo Kanthal. La tapa
de cierre hermético (G, Figura: 65) se sujeta a la estructura o cuerpo que está
formada por ladrillos aislantes greentherm 26 f (11, Plano No.4) a través de un
sistema Lid Lifter (Plano No.3) el cual está formado por dos bisagras al cuerpo (16,
Plano No.3) que se conectan a otras dos bisagras a la tapa (17, Plano No.3) estás
cuatro bisagras sujetan a tres tubos de soporte de tubería mecánica de 5/8” (20,
Plano No.3) y un tubo principal igualmente de tubería mecánica de ¾” (19, Plano
No.3) esta tubería posee dos resortes de torsión de ¾” de diámetro, con 9 cuerdas
(18, Plano No.3) los cuales distribuyen el peso de la tapa al ser levantada. Las
bisagras se unen a la tapa por dos brazos de ángulo (15, Plano No.3) que tienen
soldada una placa de apoyo (14 Plano No.3) en la cual se atornilla la manija (12,
Plano No.3). La tapa al ser levantada se sujeta de una pluma de soporte (6, Plano
No. 14) que se sostiene a un anclaje (7, Plano No.1) ubicado en la parte lateral
izquierda del cuerpo del horno.
La estructura o cuerpo está formada por dos módulos conformados por ladrillos
aislantes greentherm 26 f (11, Plano No.4). Cada módulo tiene por 28 ladrillos con
un rebaje lineal para introducir las resistencias tipo Kanthal A1, está forrado hacia
el exterior por fibra cerámica 2600 f (10, Plano No.4) que a su vez está revestido
de lámina negra rolada en caliente calibre 20 (1, Plano No. 4). El cuerpo se
encuentra sobre una base de ladrillos aislantes greentherm 26 f (24, Plano No.5).
Esta base se sostiene por una estructura de ángulos y solera (22, 23, Plano No.2).
La suministración de aire será a través de un ventilador centrífugo (B, Figura: 68)
para generar transmisión de calor por convección forzada, que por su diseño y
construcción de este ventilador evita turbulencias, más el cierre y protección que le
da la fibra (10, Plano No.1) y el ladrillo aislante (11, Plano No.1) suplementándole
un sistema de conexión en paralelo que permite al usuario tomar la elección de
encender las resistencias necesarias de acuerdo a la técnica recurrida, beneficia
122
en mejora la producción de piezas puesto que se logra el repartimiento de calor
uniforme logrado por las características planteadas.
Para asignar la temperatura que debe alcanzar el horno, se dispone de dos
controladores digitales ubicados en cajas de lámina negra rolada en caliente
calibre 20 (2, Plano No.7) ubicadas en la parte superior del lateral derecho del
horno. Teniendo estos controladores se podrán crear rampas o curvas de
temperatura.
El horno está diseñado para cargarlo de piezas en distintas maneras de acuerdo a
la técnica que se usará, cuenta con pilares de 1/2”, 1”,2”,4” y 6” al igual que 8
bases para posicionarlas dentro del horno de acuerdo a la conveniencia del
usuario.
Si se requiere desmontar el horno o cambiar de posición, el sistema Lid Lifter se
puede desarmar (Plano No.3), al igual que las cajas que contienen los
controladores (2, Plano No.7).
123
5.6. Análisis térmico para validación de hipótesis.
En la tecnología actual, donde las sustancias se utilizan en condiciones extremas
de temperatura y presión, los métodos predictivos de la termodinámica estadística
son de suma importancia.18 (González de Posada Francisco, 2007)
Lo que a continuación se presenta son los resultados obtenidos de un estudio
macroscópico, del comportamiento de un considerable número de partículas
sometidas a distintas variables; es decir el comportamiento del calor dentro de la
cámara de cocción de un horno Skutt modelo KM227CK256 (Figura:41) expuesto
a distintas situaciones en las que se hace participar la convección forzada
proveniente de un ventilador que suministrará aire del exterior al interior del horno,
las variables a estudiar son el tiempo y temperatura en tres niveles del horno, la
presión del aire dentro del horno medido en la parte superior y la caída del vidrio
de las piezas situadas en los tres niveles del horno previamente delimitados. El
objetivo de este estudio es validar la hipótesis que se plantea en el primer capítulo,
en el que se hace referencia al uso de la convección forzada para mejorar la
producción de piezas de vidrio bajo la técnica de vitrofusión. La experimentación
que se realiza en este estudio es por criterio de comparación entre distintas
variables y su comportamiento en distintas situaciones de prueba.
Esto será representado a través de diagramas que muestran gráficamente un
sistema (PVT). En estos diagramas se podrá apreciar la interacción de datos
obtenidos en planos perpendiculares a uno de los ejes y proyección paralela a
dicho eje con líneas asociadas a otra variable correspondiente. En este caso las
variables que se relacionan son temperatura y tiempo al igual que tiempo y
presión.
Los estudios realizados se dividieron por etapas de experimentación, en un
proceso abierto esto es porque la temperatura inicial analizada no coincide con la
final. El caso de estudio o sistema es un horno Skutt modelo KM1227 CK256
(Figura: 41), de 48 Amps, 10 578 watts y de 220 V, sometido a variables que al ser
medidos por instrumentos nos dieron datos precisos que se graficaron para así
18
González de Posada Francisco, R. G. (2007). Teorías Termológicas Aplicación a la Arquitectura y a las Ingenierías. Madrid España:
Pearson Educación, S.A.
124
poder ser comparados y obtener conclusiones. Las características del caso de
estudio trata de un sistema cerrado ya que puede intercambiar energía pero no
materia y homogéneo por tener identidad de sus propiedades en todos los puntos
y por último mecánicamente estático.
Se escogió este horno, por sus dimensiones y capacidad ya que es un horno para
grandes producciones en cuanto a número de piezas. Consta de tres niveles los
cuales están conformados cada uno por dos hileras de ladrillo cerámico y cada
hilera de ladrillo cuenta con resistencias eléctricas. Cada nivel tiene dos mirillas,
teniendo un total de seis, estos serán utilizados como referencia para comparar
cada nivel de acuerdo a la temperatura alcanzada en cierto tiempo.
Antes de dar inicio a las etapas de experimentación se tomaron medidas tanto del
interior como exterior del horno, que a continuación se muestra junto con un
modelo 3D que simula al horno.
125
Figura 77: modelo digital y medidas del horno SKUTT KM1227 CK256.
126
ETAPA 1
La primera etapa consistió en medir y registrar la temperatura a través de tres
termopares conectados a un pirómetro digital (VaSa serie 500, Figura: 77). La
temperatura alcanzada fue de 670° Centígrados las condiciones que se pusieron a
prueba fueron la temperatura en los tres niveles cuando el horno se encuentra
vacío es decir sin piezas. Se midió la temperatura cada cinco minutos, a partir de
un cronómetro externo al horno con la finalidad de tener datos más precisos y un
punto de comparación entre cada etapa.19 Los datos capturados se encuentran en
la tabla 1 de los anexos, así como la representación en una gráfica lineal de esta
primera etapa (Gráfica 4).
19 Notas sobre la experimentación: Se colocaron moldes de yeso en la parte superior del horno con la finalidad de secarse, al finalizar la quema se encontraban un poco húmedos.
Figura 79: Pirómetro VaSa serie 500. Figura 78: Acomodo de termopares en el interior del horno.
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Primera etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
Gráfica 4: Relación entre temperatura en grados Centígrados y tiempo por cada cinco minutos de la primera etapa de experimentación.
Figura 80: Plano representativo de los segmentos que fueron tomados como referencia,
se marcan las distancias entre cada nivel dónde se introdujeron los termopares .
128
ETAPA 2
En la segunda etapa, las variables fueron distintas a la primera etapa ya que ahora
el horno tenía una carga de 26 botellas de vidrio sódico cálcico, fueron
acomodadas de acuerdo a las circunstancias en las que se encontraban, puesto
que algunas habían sido expuestas en una quema anterior en el horno y el
siguiente paso era el termoformado de acuerdo al molde. Teniendo noción de las
variantes en cada nivel, se hizo el acomodo de acuerdo al requerimiento de cada
botella.20
La temperatura alcanzada fue de 790°C se midió y registró la temperatura en cada
nivel, a través de los termopares con la misma ubicación que se les dio en la
primera etapa, se volvió a medir la temperatura cada cinco minutos, utilizando un
cronómetro digital externo al horno. Los datos capturados se encuentran en los
anexos, por otro lado se observan los resultados obtenidos y graficados.
(Gráfica 5)
20 Notas sobre experimentación: De 26 botellas, 2 salieron defectuosas las cuales se encontraban en el segundo nivel una a
consecuencia de una falla mecánica del vidrio, debido a las circunstancias en las que se encontraba por el molde, puesto que
tenía una altura que provocó que el vidrio no soportara el cambio y se rompiera, el otro caso fue por rotación de la botella
dentro del horno.
Figura 81: Preparación del primer nivel. Figura 82: Posicionamiento de botellas las cuales estaban parcialmente termo formadas.
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Segunda etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3:
Gráfica 5: Relación entre temperatura y tiempo de la segunda etapa de experimentación.
Figura 83: Plano representativo de la ubicación de cada punto que se tomó como referencia.
130
ETAPA 3 La variable que diferenció a la tercera etapa fue la convección natural a
consecuencia del aire que entró por la mirilla situada a los 5,8 cm. El horno
contaba con piezas en su interior, con un total de 24 piezas de vidrio de boro
silicato o comercial con medidas de 10 x10 cm y 6 mm de grosor. Estas piezas
estaban sobrepuestas en moldes de yeso para construcción con la intención de
observar la caída que tenía el vidrio en cada nivel para posteriormente ser
comparado.
Se midió y registró la temperatura transcurrida en dos horas y media hasta
alcanzar los 660°C, con un intervalo de cinco minutos contados por un cronómetro
externo al horno. La temperatura fue medida por tres termopares conectados al
pirómetro que anteriormente se describió.
Figura 84: Acomodo de botellas en el segundo nivel.
Figura 85: Falla en la quema, se debe a una falla mecánica del vidrio.
Figura 86: Resultado obtenido en el último nivel, las botellas se aplanaron completamente sin alguna falla.
131
Los datos obtenidos se pueden consultar en las tablas que se encuentran en los
anexos y los resultados se aprecian en la siguiente gráfica (Gráfica 6).21
21 Notas de experimentación: El resultado obtenido en esta tercera etapa respecto a las piezas, fue negativo puesto que se
requería de primera instancia más temperatura puesto que no se llegó a apreciar en las piezas la diferencia. A grandes rasgos no
hubo cambios que favorecieran, de abajo a arriba en el primer nivel, las piezas no cayeron, en el segundo cayeron lo mínimo y
en el tercer nivel alcanzó a curvar muy poco el vidrio.
Figura 87: Piezas de vidrio sódico o comercial. Figura 88: Posicionamiento de piezas.
Figura 89: Posicionamiento de piezas dentro del horno en el nivel 1 y 2.
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Tercera etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
Gráfica 6: Relación entre tiempo y temperatura de la tercera etapa de experimentación.
Figura 90: Plano representativo de la ubicación de cada punto que se tomó como referencia.
133
ETAPA 4 Para la cuarta etapa, la variable fue la convección forzada esto a través de un
ventilador eléctrico en conjunto con una tobera plástica, se ubicó en la primera
mirilla de abajo hacia arriba y en la última mirilla se tomó el registro de la presión
ejercida por el aire a través de un Tubo de Pitot o presiómetro. Se alcanzaron los
670°C que fueron registrados durante una hora cincuenta y cinco minutos, cada
cinco minutos, fueron medidos por un cronómetro externo al horno. Para la cuarta
etapa de experimentación no se introdujeron piezas, para posteriormente ser
analizados y comparados los resultados obtenidos con el horno cargado. Se
tienen los datos obtenidos en las tablas de los anexos, así como la gráfica (Gráfica
7) en la que se observa el comportamiento de la temperatura en los tres niveles.
Figura 91: Tubo de Pitot
Figura 92: Ventilador con tobera. Figura 93: área de trabajo
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Cuarta etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
Gráfica 7: Relación entre temperatura y tiempo de la cuarta etapa de experimentación.
Figura 94: Plano representativo de la ubicación de cada punto que se tomó
como referencia.
135
ETAPA 5 En la quinta etapa las variables fueron las mismas que en la cuarta etapa de
convección forzada a través de un ventilador eléctrico con una tobera plástica, la
cual fue situada donde mismo en la primera mirilla de abajo hacia arriba y en la
última mirilla se tomó el registro de la presión a través un Tubo de Pitot o
presiómetro. El factor que lo diferencia es el horno con carga de 24 piezas de
vidrio boro silicato o comercial con medidas de 10x 10 cm y 6 mm de grosor sobre
moldes de yeso para construcción. Se alcanzaron los 760°C que fueron
registrados durante tres horas y quince minutos, durante cada cinco minutos,
medidos por un cronómetro externo al horno. Para mayor información las tablas
con la información obtenida se encuentra en los anexos y a continuación se
muestra la gráfica en la que se representan los tres niveles y su comportamiento
temperatura y tiempo.
Tiempo
Pre
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Presión Cm H2O
Presión Cm H2O
Gráfica 8: Gráfica de resultados de la presión y tiempo, tomada para la cuarta etapa.
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Quinta etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
Gráfica 9: Gráfica de relación entre temperatura y tiempo para la quinta etapa
Figura 95: Plano representativo de la ubicación de cada punto que se tomó
como referencia.
137
Resultados en las piezas.
Figura96: Resultados obtenidos en el tercer nivel. Se recibió mayor calor, se observa por la
caída de vidrio.
Figura97: Resultados obtenidos en el segundo nivel recibió menos calor que en el tercer nivel, se aprecia la diferencia en la caída de las piezas.
138
Figura98: Se aprecia que
en este nivel se recibió
menos calor que los tres
puesto que las piezas
están ligeramente
curvadas.
Figura99: Diferencia entre las piezas de los tres niveles.
139
En cuanto al comportamiento de la presión observada durante la cuarta y quinta
etapa, se determina que es completamente normal pues nos indica que no existe
un vacío y por lo tanto no está completamente cerrado o hermético, lo que nos
comprueba que hay pequeñas salidas de aire dentro del horno con lo que se
deduce la existencia de desperdicio de calor.
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Presión
Presión
Tiempo
Pre
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2O
Gráfica 10: Medición de la presión ejercida dentro del horno para la quinta etapa de experimentación.
140
A continuación se realizará un análisis de correlación y comparación de los
resultados obtenidos en la primera, segunda, tercera y quinta etapa de
experimentación.
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Primera etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
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Tiempo
Segunda etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3:
ANÁLISIS ENTRE PRIMERA
Y SEGUNDA ETAPA.
La condición que hace
diferencia entre la
primera y segunda etapa
es la carga, ya que en la
primera etapa se midió
la temperatura en los
tres niveles sin carga.
Se aprecia que el
incremento y descenso
de la temperatura es
lineal, a comparación de
la segunda etapa que se
realizó con carga, se
visualiza mayor
concentración de calor
en el tercer nivel, esta
diferencia se debe a la
absorbancia de calor por
parte de las piezas y la
dirección que toma el
aire caliente.
Gráfica 4 y 5: comparación de graficas de primera y segunda etapa
141
ANÁLISIS ENTRE
SEGUNDA Y TERCERA
ETAPA.
En el caso de la tercera
etapa, la diferencia fue
la entrada de aire a
través de la tercera
mirilla ubicada en la
parte inferior del horno,
que a comparación de
la segunda etapa se
encontraba totalmente
cerrado.
La diferencia que se
puede visualizar entre
las gráficas, son los
constantes brincos
ocasionados por una
entrada sin control de
aire, se observa en la
segunda gráfica que en
el tercer nivel no se
percibieron tantos
cambios a com-
paración del segundo y
primer nivel. Este tipo
de brincos afecta la
calidad de piezas pues
se presentan desvi-
trificaciones o fracturas
en las piezas.
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Tercera etapa
Distancia 1
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Segunda etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3:
Gráfica 5 y 6: comparación de graficas de segunda y tercera etapa
142
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Segunda etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3:
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Tiempo
Quinta etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
ANÁLISIS ENTRE
SEGUNDA Y QUINTA
ETAPA.
La quinta etapa se
diferenció de la segunda
etapa por la presencia
de convección forzada a
partir de un ventilador.
Se aprecia en la gráfica
que la presencia de aire
permitió que la tem-
peratura fuera casi lineal,
teniendo un gap muy
corto.
Gráfica 4 y 8: comparación de graficas de segunda y quinta etapa
143
CONCLUSIONES SOBRE ANÁLISIS TÉRMICO
Para concluir este análisis térmico se tomarán en cuenta 4 etapas de la
experimentación las cuales se consideran primordiales para llevar a cabo el
análisis que determinará la aprobación o desaprobación de la hipótesis planteada
en el primer capítulo.
El primer caso de comparación entre etapas se realizará entre la primera y cuarta
etapa, recordando que las dos etapas tienen en común que son sin carga la
variable que marca la diferencia es la convección forzada, proporcionada por el
ventilador aplicada en la cuarta etapa.
El comportamiento del
calor es lineal y uniforme
al usar la convección. El
gap entre las distancias es
mínimo, y esto se debe a
que no hay elementos en
el interior del horno que
absorban el calor. Para la
cuarta etapa se presentó
un atraso de cinco minutos
para alcanzar la
temperatura asignada, a
comparación de la primera
etapa.
Se perciben brincos de
temperatura estos pueden
ser por errores de voltaje.
En la primera etapa se
observa en la gráfica por
la línea de la distancia 3
(color verde) y en la
gráfica de la cuarta etapa
se observa en la línea de
la distancia 1 (color azul)
es importante mencionar
que este fenómeno
observado es indepen-
diente a la convección
forzada.
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Primera etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
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Tiempo
Cuarta etapa
Distancia 1
Distancia 2
Distancia 3
Gráfica 6: comparación de graficas de la cuarta etapa
Gráfica 4: comparación de graficas de la primera etapa
144
Después de haber observado la diferencia entre el uso de convección forzada en
el horno sin piezas en su interior, se tiene como resultado, que la temperatura en
los tres niveles es lineal tanto en el caso de convección forzada y sin convección
forzada. Se procede a analizar el comportamiento de la temperatura y tiempo
entre los tres niveles del interior del horno durante la segunda y quinta etapa.
Tomando en cuenta que las dos etapas se realizaron con carga de piezas de
vidrio, la variable que hace diferencia es la utilización de un ventilador para crear
transmisión de calor por convección forzada durante la quinta etapa. Se analizaron
las tres distancias puestas a prueba, comparando entre cada etapa (2 y 5) los
factores de temperatura y tiempo.
Se observa que la quinta etapa llegó
con menor tiempo a la temperatura
marcada, con una diferencia de 20
minutos, por lo tanto se puede
concluir que para el caso de la quinta
etapa que es transmisión de calor por
convección forzada es ventaja
teniendo en cuenta los resultados
obtenidos en las piezas de vidrio que
no tuvieron alguna falla.
Figura98: representación gráfica de resultados.
0100200300400500600700800
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Tiempo
Distancia 1
Etapa 2
Etapa 5
Gráfica 9: comparación del comportamiento de temperatura y tiempo en la distancia 1 para la segunda y quinta etapa.
145
Gráfica 10: comparación del comportamiento de temperatura y tiempo en la distancia 2 para la segunda y quinta etapa.
Figura100: representación gráfica de resultados.
Al igual que en la distancia 1, se observa
que durante la quinta etapa se alcanzó la
temperatura deseada en menor tiempo,
esta vez con 15 minutos de diferencia.
Se percibe un brinco de temperatura
para la quinta etapa esto pudo haber
sido ocasionado por un cambio en el
voltaje, analizando los resultados
obtenidos en las piezas que se
localizaron en este nivel, no hay
repercusión negativa, por lo tanto la
convección en este caso es
favorecedora.
146
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C
Tiempo
Distancia 3
Etapa 2:
Etapa 5..
Lo mismo se observa en el caso de la
distancia 3, la quinta etapa es
favorecida por la transferencia de
calor por medio de la convección, ya
que alcanzó la temperatura ideal en
menor tiempo y las piezas obtuvieron
el resultado deseado. Teniendo una
diferencia de 20 minutos de ganancia
usando la convección forzada.
Figura 101: representación gráfica de resultados.
Gráfica 11: comparación del comportamiento de temperatura y tiempo en la distancia 3 para la segunda y quinta etapa.
147
Se concluye esta fase de experimentación de dimensionamiento, en el cual el
análisis fue realizado para la comprobación de la implementación de la
transmisión de calor por convección forzada, en un horno para realizar piezas de
vidrio utilizando técnicas de vitrofusión; que como lo demuestran las gráficas que
señalan que entre cada nivel la convección forzada da mejoras en cuanto al
tiempo ya que se tiene un promedio de mejora de 18 minutos adelante en
comparación del horno en funcionamiento por convección natural.
Así mismo se observa en las gráficas que aun haciendo uso de la convección
forzada, el fenómeno de ascenso de calor dentro de la cámara de cocción
permanece, sin embargo en el caso de la utilización de convección forzada que se
puede apreciar en la gráfica de la quinta etapa (Gráfica8) el gap que se aprecia
entre el tercer nivel y el conjunto del segundo y primer nivel es menor a
comparación de la gráfica de la segunda etapa (Gráfica5). En el primer y segundo
nivel el gap entre cada uno es casi nulo lo que favorece a la uniformidad de calor
dentro de la cámara.
Como se indica en la
propuesta de mejora a un
horno de resistencias
eléctricas para realizar
piezas utilizando técnicas
de vitrofusión, el uso de la
convección forzada en
conjunto con los
requisitos previamente
asignados como lo son: el
uso de fibra aislante y el
control de cada
resistencia eléctrica por
nivel permitirán que el
ascenso de calor sea de
manera lineal y uniforme
evitando pérdidas de
calor.
Figura 100: representación gráfica de resultados.
148
La convección forzada y la utilización de rampas para el control de la curva de
calor en una quema, favorecerá al resultado de producción de piezas ya que el
proceso se acelera sin producir fallas, esto se comprueba con este análisis en el
que no se obtuvieron fallas en ninguna pieza al utilizar la convección forzada.
Retomando los resultados obtenidos en la quinta y segunda etapa asociándose
con el ciclo de horneado que se describe en el capítulo 2 en el apartado 2.7, se
presentan las siguientes tablas en las que se compara el ascenso de temperatura
por tiempo entre cada nivel de la segunda y quinta etapa.
En cada esquema se presenta una breve descripción del comportamiento del
vidrio en cada fase, la temperatura que se debe alcanzar para transformar el vidrio
de acuerdo a su descripción tomada del libro “El vidrio Técnicas de trabajo de
horno” de la autora Beveridge Philippa, con el fin de realizar una comparación con
mayor detalle en puntos estratégicos de la curva de calor.
Durante esta primera fase el pirómetro detecta la temperatura en el interior del
horno al ser encendido y a partir de esa temperatura que varía de acuerdo a la
temperatura ambiente va ascendiendo hasta alcanzar los 300°C en esta
temperatura es aconsejable realizar una pausa para que el calor se reparta de
manera uniforme y no genere un choque térmico.
Primera fase: Esta fase se denomina el calentado inicial, se lleva a cabo aproximadamente en los 300°C en este punto el vidrio debe alcanzar un punto de tensión y es de suma importancia no generar un choque térmico.
Nota: Ningún nivel alcanzó los 300°C sin embargo se tomará como referencia lo más cercano.
Segunda Etapa Quinta Etapa
Nivel Temperatura Tiempo Nivel Temperatura Tiempo
1 291°C 01:05:00 1 290°C 01:05:00
2 285°C 01:00:00 2 279°C 01:00:00
3 296°C 00:45:00 3 272°C 00:50:00
Por conclusión se tiene que tanto en el caso de la convección natural (Segunda
etapa) y convección forzada (Quinta etapa) se aprecia que la temperatura
alcanzada fue mayor en la segunda etapa a comparación de la quinta etapa
alcanzó un rango de menor temperatura al mismo tiempo, con excepción del
tercer nivel de la quinta etapa que tuvo una diferencia de 5 minutos tarde.
Esquema 9: Esquema comparativo de tiempo en el que se alcanzó la temperatura requerida para la primera fase del ciclo de horneado.
149
En la segunda fase se alcanzan aproximadamente los 600°C, a esta temperatura
las moléculas del vidrio comienzan a excitarse y el vidrio se comporta de manera
peculiar al no encontrarse en estado sólido ni líquido se refiere al punto de tensión
en el cual se prepara para realizar el siguiente cambio o transformación.
Segunda fase: Punto de tensión, el vidrio sigue siendo un sólido, se encuentra en punto medio entre el proceso de calentado y enfriado la temperatura varía entre los 600°C
Segunda Etapa Quinta Etapa
Nivel Temperatura Tiempo Nivel Temperatura Tiempo
1 595°C 02:10:00 1 587°C 02:00:00
2 586°C 02:00:00 2 605°C 01:55:00
3 601°C 01:50:00 3 592°C 01:50:00
La diferencia que se aprecia entre cada nivel en esta fase es: desventaja en
temperatura para la quinta etapa, cinco minutos de ventaja en tiempo para el
segundo nivel de la quinta etapa y en la temperatura alcanzada ya que fue la
mayor entre los tres niveles de la quinta etapa y mayor temperatura a
comparación del segundo nivel de la segunda etapa. Para el tercer nivel de la
quinta etapa existe una desventaja por alcanzar menor temperatura en el mismo
tiempo. Realizando un promedio entre los grados detectados en los tres niveles de
cada etapa se tiene un promedio total de 594°C para las dos etapas. En la
segunda etapa se tiene un promedio de tiempo de 2 horas y para la quinta etapa
1 hora 50 minutos es decir que por convección forzada se obtuvo un beneficio de
10 minutos de ventaja.
En la tercera fase se debe ascender de manera rápida para alcanzar un
ablandamiento que permitirá que en la siguiente fase efectúe el cambio.
Tercera fase: La fase que continúa es el punto de ablandamiento, la temperatura debe subir mucho más rápido, para después partir al punto de ablandamiento la temperatura que debe alcanzar es cerca de los 720°C.
Segunda Etapa Quinta Etapa
Nivel Temperatura Tiempo Nivel Temperatura Tiempo
1 732°C 02:50:00 1 733°C 02:35:00
2 716°C 02:35:00 2 717°C 02:30:00
3 730°C 02:30:00 3 728°C 02:25:00
Esquema 10: Esquema comparativo de tiempo en el que se alcanzó la temperatura requerida para la segunda fase del ciclo de horneado.
Esquema 11: Esquema comparativo de tiempo en el que se alcanzó la temperatura requerida para la tercera fase del ciclo de horneado.
150
Se demuestra que existe un beneficio por la convección forzada ya que en cuanto
a tiempo en esta fase se obtuvo un promedio de ventaja de 8.3 minutos.
Para la cuarta etapa se maneja la temperatura de acuerdo a la técnica a
desempeñar, en este caso es termoformado.
Cuarta fase: Por último se toma en cuenta la fase de temperatura de trabajo, en este punto el vidrio se transforma de acuerdo al molde dependiendo el caso.
Nota: Para la segunda etapa se alcanzó a llegar a 800°C pero se tomará como referencia 760°C que es la temperatura de trabajo para la quinta etapa.
Segunda Etapa Quinta Etapa
Nivel Temperatura Tiempo Nivel Temperatura Tiempo
1 732°C 02:50:00 1 733°C 02:35:00
2 730°C 02:40:00 2 736°C 02:35:00
3 758°C 02:40:00 3 759°C 02:35:00
Nuevamente se tuvo una ventaja de 8.3 minutos se debe mencionar que tanto en
el punto de ablandamiento y temperatura de trabajo se observó el mismo
comportamiento de diferencia de tiempo entre el primer nivel hubo una diferencia
de 15 minutos y para el segundo y tercer nivel hubo una diferencia de cinco
minutos entre la tercera y cuarta fase, lo que representa uniformidad.
Para mayor información acerca de los datos obtenidos para realizar estas
comparaciones las tablas de la segunda y quinta etapa se pueden consultar en los
anexos.
Teniendo graficas de las variables estudiadas que son temperatura, presión y
tiempo, ayuda al practicante de esta técnica a entender el comportamiento del
calor dentro del horno, para futuras implementaciones de hornos que cumplan con
las mismas características del caso de estudio (Horno Skutt Modelo Skutt
KM1227CK256) para tener mayor precisión en la elaboración de piezas utilizando
las técnicas de vitrofusión.
Esquema 12: Esquema comparativo de tiempo en el que se alcanzó la temperatura requerida para la cuarta fase del ciclo de horneado.
151
5.7. Tabla comparativa entre modelos existentes y propuesta
de diseño.
Tabla comparativa entre modelos existentes, se tomaron en cuenta los siguientes
puntos: 1) Capacidad para una producción estable. 2) Control individual de
resistencias. 3) Ergonomía en el diseño. 4) Uso de aislante térmico para evitar
pérdida de calor. 5) Aprovechamiento de energía. 6) Accesibilidad para realizar
mantenimiento. 7) Configuración modular. 8) Material aislante amigable con el
medio ambiente. 9) Implementación de controles digitales. 10) Práctica de más de
una técnica.
Criterios
Producto
Capacid
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209GFE Olympic
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Criterios
Producto
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Industrial Model GM1214-3 Skutt
• • • • • • • • •
GF8E Olympic
• • • • • • •
GF12ECS Olympic
• • • • • •
153
Criterios
Producto
Capacid
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GM1414 Skutt
• • • • • • •
Horno por convección
forzada.
• • • • • • • • • •
Esquema 13: Matriz de comparación entre modelos existentes.
154
5.8. Cumplimiento de la hipótesis
A través de la investigación de campo y ejecución del análisis térmico se hace
constatar la validación e invalidación de algunos puntos de la propuesta los
cuales serán planteados con los siguientes objetivos: validación por constructo, en
forma y contexto.
La validación por constructo consolida la hipótesis mediante la investigación tanto
de referentes, de campo y análisis térmico, en la siguiente tabla se plantea el
problema que se estudió, a un costado la hipótesis que respalda la solución para
proseguir con la validación.
Validación por constructo
Problema Nivel Hipótesis Validación
El calor dentro de
un horno es manejable más no del
todo controlable
lo que repercute
en la producción de piezas y
gasto energético.
1 Disipación
de calor
Se propone la ubicación de las resistencias eléctricas tanto en la parte superior como en los laterales conectados en paralelo esto permitirá al usuario escoger las resistencias que suministrarán el calor necesario a las piezas de acuerdo a lo que se realizará, las resistencias serán ubicadas en cada nivel del horno ya que así se permitirá un control por cada nivel.
En el estudio comparativo realizado entre dos hornos para vitrofusión modelos: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC 209GFE, se observaron mejores resultados tanto en las piezas como en el tiempo de producción en el horno OLYMPIC 209GFE el cual tiene las resistencias ubicadas tanto en la parte superior como en los laterales, presentando una diferencia de tiempo de dos horas y cinco minutos.
Se propone implementar la transmisión de calor por convección forzada a través de un ventilador el cual acelerará el proceso en tiempo y mejorará la transmisión de calor en la cámara de cocción.
En el análisis térmico se puso a prueba la convección forzada en un horno Skutt KM1227CK256 por medio de un ventilador externo, se concluyó un beneficio en tiempo con un promedio de 18 minutos utilizando este medio. Así como cierta uniformidad de temperatura entre los tres niveles que conforma el horno, esto se demuestra en el gap que se visualiza en la gráfica.
Esquema 14: Validación por constructo del problema.
155
Validación por constructo
Problema Nivel Hipótesis Validación
El calor dentro de un horno es
manejable más no del todo
controlable y repercute en la producción de piezas y gasto
energético.
2 Material
Por parte del material se propone ladrillo aislante para dar estructura y cuerpo al igual que fibra aislante en la parte superior para evitar la salida de calor y así tener menor desperdicio de calor.
Los ladrillos greentherm número 26 los cuales se proponen logran alcanzar una temperatura de trabajo de 1430°C, con una densidad promedio de .65-.85 (gr/cm3), están compuestos por alúmina, sílice, óxido de hierro e hidróxido de calcio que tiene un excelente rendimiento con resistencia a CO y desintegración en atmós-feras reductoras. El calor que se genera en hornos causa una elevación por encima de la temperatura ambiente. Esta diferencia de temperatura produce la transferencia de calor del medio caliente hacia el ambiente; el aislamiento reduce la pérdida de calor hasta un 48%. Esto según la Secretaria de energía en su panfleto "Beneficios del aislamiento térmico en la industria"
22
22 http://www.conuee.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/3856/10/aislamiento.pdf
Esquema 15: Validación por constructo del problema.
156
A continuación se presenta en la siguiente tabla los conceptos de invalidación de
la hipótesis estos conceptos se denominan como validación en forma.
Validación en forma
Problema Nivel
Hipótesis Validación
El calor dentro de un
horno es manejable más no del
todo controlable y repercute en la producción
de piezas y gasto
energético.
1 Disipación
de calor
El techo estará recubierto por fibra cerámica alrededor de las resistencias eléc-tricas de la parte superior, esto para favorecer el calen-tamiento, ya que por las características de este material se conserva de mejor manera el calor.
Es factible pero por la investigación realizada se descarta ya que al estar en contacto directo con las resistencias el material llega a deteriorarse con mayor facilidad.
23 César, R. C. (2006). Ergonomía y productividad. México : Limusa.
Validación por constructo Problema Nivel Hipótesis Validación
Lesiones al usuario
3 Ergonomía
En cuanto a ergonomía se propone una base que tenga altura suficiente para evitar lesiones al introducir y sacar piezas del horno.
La altura de la superficie laboral, denominando al tipo de trabajo, como trabajo fino según Ramírez Cavassa
23,
debe ser de 870 mm. para hombres y mujeres, por lo tanto la medida de horno en general de altura deberá ser entre los 870 mm.
Esquema 16: Validación por constructo del problema.
Esquema 17: Validación en forma del problema.
157
En contexto la hipótesis planteada en el primer capítulo, dándole una validación
por constructo se presentan declaraciones de mejora en tiempo al sustituir la
convección natural por convección forzada, al iniciar esta investigación se
pretendía comprobar el uso de la convección forzada sin dañar las piezas, gracias
al análisis realizado se comprueba que no afecta en la producción de piezas y se
presenta un beneficio en cuanto a tiempo de producción. En forma se invalida la
propuesta de utilizar la fibra aislante en la parte superior del horno, esto por
afirmaciones de fabricantes al no recomendar el contacto cercano con las
resistencias eléctricas, al igual que en la hipótesis se plantea la ubicación del
ventilador dentro del horno, esto se descarta por el incremento del costo. A
continuación se presenta un aproximado al precio del material para la fabricación
del horno algunos materiales como los aislantes se venden a precio de dólar
americano, se toma en cuenta que el precio del dólar con fecha de 3 de
Septiembre del 2015 es de $17.20:
158
Furniture Kit for TB3418 DaVinci Kilns Incluye Precio Total
Part Number: H-X-K318/00
Shelves: Four 20" X 10" Rectangular
Shelves Posts: Six Each
1/2", 1", 2", 4", 6", and 8" Square
Posts Accessories: Heat resistant gloves, 5 pounds cone 10
kiln wash.
$365.00 dlls
$6,278.00
Interior del horno (Material aislante)
Aislamientos y refractarios
Dirección: Av Revolución 2328 Bodega 5 y 6 Colonia Ladrillera Monterrey N.L.
Nombre Características Medidas Cantidad Precio Total
Ladrillo aislante 26
Alcanzan los 1427°C, densidad de .80 gr/cm
3
22.86x11.43x7.62 cm
158 $3.70 dlls $10,055.12
Mortero refractario
Mortero húmedo de fraguado al aire, fabricado a base de materias primas
calcinadas ,arcillas, desfloculantes y aditivos
de alta calidad que le otorgan una liga hidráulica
suficientemente adecuada para asegurar
juntas a prueba de gases y reduce la erosión por ataque de escorias.
USOS: Se utiliza para unir ladrillos refractarios silico - aluminosos de mediana y alta alúmina ya sea con cuchara de albañil o por inmersión. Temperatura
máxima alcanzada 1650°C.
1 lata por 150 piezas de ladrillo
2 $37.00 dlls
$1,272.80
Colcha de fibra cerámica
Alcanza 1426°C 2.54x60x762 cm 2 $94.00 dlls
$3,233.60
GASTOS DE ENVÍO $1,806.00
Impuestos 16% $2,618.80
TOTAL $18,986.32
Esquema 18: Costos de material aislante
Costos de material para fabricación de horno.
Esquema 19: Costos de accesorios.
159
Horno (estructura)
Nombre Material Cantidad Precio Total
Base del horno Angulo 5 mts $650.00 $650.00
Solera 2 mts $340.00 $340.00
Cuerpo del horno Lámina negra c-20 4"x10" 2 láminas
$363.00 $726.00
Tornillos rosca cilíndrica 24 $1.80 $43.20
Pasador de varilla 2 $92.00 $184.00 $1,943.20 TOTAL
Mecanismo de apertura
Nombre Material Cantidad Precio Total
Bisagra al cuerpo Lámina negra c-20 4"x10" 1 $363.00 $363.00
Bisagra tapa Lámina negra c-20 4"x10" -
Placa de apoyo Lámina negra c-20 4"x10" -
Tubo principal tubo de 3/4" 1 $160.00 $160.00
Tubos de soporte tubos de 5/8" 3 $235.00 $705.00
Manija - 1 $417.00 $417.00
Resorte de torisón - 2 $1,200.00 $2,400.00
Brazo Angulo 5/16x2 1/2 (.79x6.35) 1 $650.00 $650.00
Tornillos Tornillos rosca cilíndrica 24 $1.80 $43.20
Tornillos Tornillos con broche mariposa 8 $7.50 $60.00
TOTAL $4,798.20
Pluma de soporte
Nombre Material Cantidad Precio Total
Pluma Solera 1 $340.00 $340.00
Fijador Acero 1 $90.00 $90.00
Tornillos Tornillos rosca cilíndrica 3 $1.80 $5.40
TOTAL $435.40
Cajas para controladores
Nombre Material Cantidad Precio Total
Cajas Lámina negra c-20 4"x10" 1 $363.00 $363.00
Soldadura Soldadura 15 $60.00 $900.00
Tornillos Tornillos rosca cilíndrica 14 $1.80 $25.20
TOTAL $1,288.20
Esquema 20: Costos de material.
160
Cuestión eléctrica
Nombre Material Cantidad Precio Total
Controlador digital 2 $10,000.00 $20,000.00
Termopares Tipo k 4 $350.00 $1,400.00
Pirómetro 4 $754.00 $3,016.00
Resistencias Kanthal A1
(70.08 mts)
diámetro de
1.30mm
7 $267.49 $1,872.43
Regulador de controlador 3 $1,515.73 $4,547.19
Enchufe trifásico 1 $400.00 $400.00
Contacto trifásico 1 $400.00 $400.00
Regulador de voltaje 1 $1,200.00 $1,200.00
IMPUESTOS 16% $6,094.29
TOTAL $38,089.32
Material aislante $18,986.32
Accesorios $6,278.00
Horno (estructura) $2,254.11
Mecanismo de apertura $5,565.91
Pluma de soporte $505.06
Cajas para controladores $1,494.31
Cuestión eléctrica $44,183.61
TOTAL $79,267.33
Esquema 21: Costos de material eléctrico.
Esquema 22: Costo total.
161
5.9. Conclusiones finales
Al inicio de la práctica de distintas técnicas de la vitrofusión y al implementarse
diferentes hornos para llevar a cabo la práctica se observó que los resultados
tenían variaciones que llegaban a desfavorecer la producción, así mismo se
investigó con otros practicantes de la técnica por lo que las respuestas variaban
entre el tipo de vidrio con el que se trabajaba así como el problema que se
presenta en un horno para grandes producciones, las piezas que se posicionan en
la parte superior del horno tienen mejores resultados que las que se encuentran
en la parte inferior. A partir de esta problemática se dio inicio a la investigación, se
buscaron referentes que se consideran los mejores según algunos practicantes
dentro de foros de esta técnica, con esto se percató que el diseño de cada horno
varía de acuerdo a la técnica que se va a trabajar, se encontraron con
implementaciones innovadoras como mantener informado al usuario acerca del
avance y curva de calor que experimentaba su quema, así como también se
percató de la solución que un fabricante le dio al desperdicio de calor que se
genera, esto a través de un orifico que se conecta al exterior. Estos referentes
permitieron ampliar la gama de soluciones y marcar objetivos.
Teniendo delimitada la problemática a estudiar se partió a crear una hipótesis, a
partir de los conocimientos que se tenían en ese momento sobre la técnica y la
herramienta con la que se trabaja se generó la hipótesis planteando como
solución general emplear la transmisión de calor por convección forzada con la
finalidad de establecer uniformidad de calor dentro la cámara de cocción, acelerar
el proceso de producción y disminuir el desperdicio de calor para el beneficio tanto
del usuario como del medio ambiente por la implementación de material aislante.
Al tener noción de las distintas características de los hornos de acuerdo al fin de
su fabricación se partió a realizar un estudio comparativo entre dos hornos de
distinto fabricante y distinto fin, se compararon dos hornos el Skutt modelo
KM1227 CK256 y Olympic modelo 209GFE la diferencia entre cada uno es tanto
las dimensiones como la ubicación de resistencias, el modelo Skutt tiene como
beneficio sus dimensiones pero tiene la desventaja de sólo poseer resistencias
eléctricas en los costados y estar conectadas en serie por consecuencia el calor
de manera natural sube y se concentra en la parte superior haciendo diferencias
162
entre cada nivel del horno que repercute en las piezas. Por otro lado el horno
Olympic es de menor dimensión sólo cuenta con un nivel pero tiene resistencias
eléctricas tanto en los laterales como en la parte superior esto da como ventaja
uniformidad en las piezas ya que la recepción de calor es directa y el tiempo, se
dio una diferencia de aproximadamente dos horas con beneficio al horno Olympic.
Habiendo concluido esta práctica se reconocieron características que mejorarían
la propuesta de diseño generada a partir de la hipótesis que se planteó.
Al tener noción de los requerimientos necesarios para dar solución a la
problemática se partió a investigar acerca de temas no asociados directamente
con el diseño industrial esto fue el tema de la termodinámica, transferencia de
calor y electricidad. Teniendo en cuenta los requerimientos se partió a diseñar la
propuesta de mejora se asignaron materiales, dimensiones de acuerdo a la
ergonomía, datos técnicos para su fabricación, los cuidados que se debe de tener
al interactuar con el horno tanto para el usuario como para el medio ambiente y
datos para su mantenimiento. Teniendo todo esto se realizó una cotización
aproximada de los materiales para la fabricación del horno es cuando se notificó
que la mayoría de los materiales provienen de Estados Unidos actualmente no es
una barrera puesto que existen comercializadoras en nuestro país, lo que
realmente representó un obstáculo es el precio de estos materiales por lo que se
optó a realizar la comprobación de la hipótesis planteada por medio de una
simulación, hoy en día existen diversos programas y herramientas que nos
permiten visualizar el comportamiento del calor en distintos escenarios, pero lo
que se quería comprobar desde un inicio era el comportamiento del vidrio en
contacto con aire y calor, por lo que se acudió con un experto para realizar el
diseño de experimentación que permitiría comprobarlo.
El diseño de experimentación se definió como un análisis térmico, para comparar
el comportamiento de la temperatura dentro de la cámara de cocción, el tiempo y
las piezas de vidrio en distintas pruebas. Se escogió como determinante un horno
Skutt modelo KM1227 CK256 puesto que por sus dimensiones y sus
características representaba la problemática que se pretendía solucionar, la mala
repartición dentro de la cámara de cocción y el tiempo que tardaba en producción.
El estudio se dividió por etapas las condiciones que se pusieron a prueba fueron el
163
horno sin piezas y con piezas, usando convección natural y convección forzada.
Las variables que se midieron fueron tiempo, temperatura y presión, los resultados
fueron representados a través de gráficas lineales. Durante este episodio de la
investigación se presentaron problemas que por un momento hicieron sospechar
del beneficio de la convección forzada en esta práctica, el hecho que provocó esto
fueron los errores de voltaje que presentaba el horno arrojándonos picos en las
gráficas que por un momento representaban fallas, se volvieron a repetir unas
cuantas ocasiones para comprobar que los picos obtenidos eran por error de
voltaje. Por este análisis térmico realizado se comprobó que es factible la
implementación de la transmisión de calor por convección forzada, que no
repercute de manera negativa en las piezas y que su beneficio se ve reflejado en
el tiempo y uniformidad de calor, sumándole las sugerencias que se plantea en el
modelo de construcción tomando en cuenta los resultados obtenidos en el estudio
comparativo del cual se sustrae la implementación de resistencias eléctricas tanto
en los laterales como en la parte superior que igualmente da un beneficio de
tiempo.
Así se concluye esta investigación en la que no sólo se propone una mejora de
diseño que beneficia a la producción de piezas usando técnicas de vitrofusión sino
que también brinda al usuario datos que pueden usarse como referencia en
próximas intervenciones, crea un portal hacia la práctica del manejo del vidrio en
alta temperatura y despierta las posibilidades de creación de productos.
El análisis que se realizó al horno Skutt modelo KM1227 CK256, logrará que
cualquier persona que ambicione realizar trabajo de vidrio con las técnicas de
vitrofusión lo haga con la confianza de que sus piezas saldrán con la calidad que
espera, se demuestra a través de gráficas el comportamiento del calor que
repercutirá en sus piezas, se podrán diseñar quemas en las que ahora no sólo
intervendrán los factores tiempo-temperatura, ya que si se implementa la
transferencia de calor por convección, mejorará en cuanto al tiempo y
aprovechamiento de energía.
164
5.10. Prospectivas
Como trabajo de investigación, el análisis realizado al horno Skutt modelo
KM1227 CK256, permite al usuario complementar su trabajo pues teniendo una
noción más clara del comportamiento del calor dentro del horno le dará la
seguridad de la ubicación de las piezas lo que implica menos tiempo
experimentando que nivel será el apropiado, así como menor gasto en tiempo y
consumo eléctrico pues apoyándose de la convección forzada reduce tiempo en la
quema. Para el usuario que este iniciando el estudio de la técnica de vitrofusión,
esta investigación funciona como un referente puesto que habla acerca de los
componentes del vidrio, los distintos tipos de vidrios, técnicas de vitrofusión,
temperaturas ideales para trabajar, el comportamiento del vidrio durante una
quema o conocido como curva de temperatura.
Para el usuario que esté introducido en el tema le servirá como referente a futuras
quemas o como guía de construcción para un horno puesto que se otorga
información de hornos existentes sus puntos a favor como puntos negativos,
funcionamiento de cada componente al igual que puntos que se deben de tener en
cuenta con respecto a la ergonomía, medio ambiente y diseño.
Como producto de investigación, al demostrarse que es posible la convección en
un horno para la técnica que reúne ciertas características puede ampliarse con el
fin de mejoras para el medio ambiente, se podría pensar de la manera en que el
calor se le aproveche al máximo otorgando otras tareas como de alimentación al
mismo horno, secado de piezas de yeso o creación de energía, estos puntos
abarcarían más estudios y por supuesto investigación, más experimentación.
En otro aspecto como producto de investigación, da pie a otro trabajo dentro de
ramas que no son específicamente de diseño, sino de electrónica al referirse
como un caso de investigación en el que se determina el control de temperatura,
calor y convección forzada, abre pie a diseñar sistemas para controladores que
faciliten el trabajo de interacción. Al ser una fuente de investigación en el cual se
explica el comportamiento del calor dentro del área de trabajo y las
especificaciones necesarias para trabajar esta técnica.
Así mismo da pie a continuar investigando el uso de la convección forzada, para
otra práctica de manejo de vidrio en alta temperatura como de fundición.
1
BIBLIOGRAFÍA
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Bullseye glass co. (s.f.). Recuperado el 21 de Enero de 2015, de http://www.bullseyeglass.com/
2
Glosario
Amorfo: -fa adj. 1 sin forma determinada.
Amperes: s. M. 1 unidad de intensidad de la corriente eléctrica del
sistema internacional, de símbolo a, que equivale a la intensidad de
una corriente eléctrica constante que, al fluir por dos conductos
paralelos de longitud infinita situados en el vacío y separados entre
sí un metro, produce una fuerza de 2·10-7 newtons por metro.
Calor: s. M. 1 temperatura alta del ambiente.
Coeficiente de dilatación: fis. Es el cociente que mide el cambio
relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo
sólido o un fluido dentro de un recipiente cambia de temperatura
provocando una dilatación térmica.
Cristalización: s. F. Adquisición de la forma y estructura propias de
un cristal.
Efecto joule: electr. Efecto formulado por j.p. joule, según el cual
todo cuerpo conductor recorrido por una corriente eléctrica
desprende una cantidad de calor, equivalente al trabajo realizado
por el campo eléctrico para transportar las cargas de un extremo al
otro del conductor.
Fluorescencia: f. Fís. Luminiscencia que desaparece al cesar la
causa que la produzca.
Fraguar: intr. Arq. Dicho de la cal, del yeso o de otras masas:
trabajar y endurecerse consistentemente en la obra fabricada con
ellos.
Óptica: f. Parte de la física que estudia las leyes y los fenómenos
de la luz.
Pirométricos: dispositivo capaz de medir la temperatura de una
sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella.
3
Poises:1. M. Fís. Unidad de viscosidad del sistema cegesimal,
equivalente a la viscosidad de un fluido en el cual el gradiente de velocidad,
sometido a un esfuerzo constante de una dina por centímetro cuadrado, es
de un centímetro por segundo cada centímetro, perpendicularmente al plano
de deslizamiento. (símb.P).
Punto de tensión: fis.Es una magnitud física que cuantifica la diferencia de
potencial eléctrico entre dos puntos.
Resistencia de tracción: fis. Esfuerzo interno a que está sometido un
cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto.
Desvitrificación: La fase de transformación de vidrio a estructura cristalina.
Pérdida de Calor: El término para denotar la cantidad de calor que se pierde
a través de una construcción de revestimiento sobre el tiempo, medida en
BTU/Ft^2/Min, (vatios/Ft^2).
Almacenaje de Calor: La propiedad térmica de un material en donde la
masa acumula calor (lo cual en refractarios es una función principal del calor
específico del material, la masa y la subida de temperatura medida en
BTU/lb./°F (cal/gr/°C).
Transferencia De Calor: El estudio de los mecanismos de flujo de calor,
conducción, convección y radiación.
Módulos: Una unidad prefabricada que puede ser aplicada como un bloque
de revestimiento en la cara interior de la estructura del horno.
Mortero/Cemento: Un adhesivo de base cerámica para adherir productos
de fibra cerámica a otras superficies.
Choque Térmico: Un mecanismo de falta donde cambios de temperatura
repentinos traen suficientes tensiones mecánicas térmicas en un material
para causar grietas o fragmentación. Como una regla general, la resistencia
del choque térmico de un material es más grande al aumentar la fuerza y
conductividad térmica de un material y al disminuir la expansión térmica y
módulo de elasticidad.
4
ANEXOS
5
6
Anexos
Anexos
Tabla de registro de temperatura y tiempo para la primera etapa de experimentación.
Temperatura °C
Tiempo Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3
00:05:00 23 28 28
00:10:00 58 61 60
00:15:00 82 84 83
00:20:00 107 108 106
00:25:00 133 133 132
00:30:00 159 160 158
00:35:00 183 185 183
00:40:00 207 211 209
00:45:00 242 248 244
00:50:00 271 276 273
00:55:00 301 307 305
01:00:00 333 339 337
01:05:00 369 373 374
01:10:00 397 407 406
01:15:00 430 439 431
01:20:00 461 470 473
01:25:00 492 504 503
01:30:00 523 533 532
01:35:00 556 566 539
01:40:00 585 600 578
01:45:00 616 631 609
01:50:00 648 664 666
01:55:00 653 665 670
02:00:00 554 561 563
02:05:00 508 516 496
02:10:00 474 484 481
02:15:00 447 456 435
02:20:00 426 435 427
02:25:00 408 416 398
02:30:00 394 402 387
02:35:00 377 384 371
02:40:00 363 368 366
02:45:00 350 355 347
02:50:00 338 344 330
02:55:00 327 334 335
03:00:00 317 321 310
03:05:00 306 312 306
03:10:00 298 303 293
03:15:00 289 294 284
03:20:00 281 284 286
03:25:00 273 278 278
03:30:00 267 270 264
Tabla de registro de temperatura y tiempo para la segunda etapa de
experimentación.
Tiempo Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3:
00:05:00 11 14 29
00:10:00 33 31 75
00:15:00 51 50 108
00:20:00 71 71 141
00:25:00 93 94 174
00:30:00 116 115 202
00:35:00 135 140 232
00:40:00 159 168 262
00:45:00 183 194 296
00:50:00 211 224 332
00:55:00 244 253 359
01:00:00 265 285 389
01:05:00 291 316 416
01:10:00 319 342 438
01:15:00 327 370 462
01:20:00 367 398 483
01:25:00 391 423 503
01:30:00 415 448 523
01:35:00 438 475 542
01:40:00 462 496 563
01:45:00 487 521 583
01:50:00 510 550 601
01:55:00 531 566 620
02:00:00 554 586 637
02:05:00 573 606 653
02:10:00 595 626 670
02:15:00 614 645 686
02:20:00 634 663 701
02:25:00 654 681 716
02:30:00 670 697 730
02:35:00 688 716 745
02:40:00 704 730 758
02:45:00 718 743 771
02:50:00 732 759 783
02:55:00 752 772 795
03:00:00 733 780 801
03:05:00 722 763 761
03:10:00 704 747 738
Tabla de registro de temperatura y tiempo para la tercera etapa de experimentación.
Temperatura
Tiempo Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3
00:05:00 19 18 28
00:10:00 39 42 69
00:15:00 52 58 94
00:20:00 72 78 125
00:25:00 90 98 150
00:30:00 112 117 176
00:35:00 134 140 202
00:40:00 154 162 228
00:45:00 183 187 260
00:50:00 205 263 292
00:55:00 230 237 318
01:00:00 260 265 347
01:05:00 284 290 375
01:10:00 311 317 402
01:15:00 340 345 430
01:20:00 359 375 456
01:25:00 377 402 480
01:30:00 406 428 499
01:35:00 440 483 520
01:40:00 456 479 544
01:45:00 475 501 563
01:50:00 511 519 584
01:55:00 539 545 607
02:00:00 544 614 626
02:05:00 558 602 654
02:10:00 580 610 656
02:12:35 570 588 606
02:20:00 546 575 582
02:25:00 516 563 564
02:30:00 511 550 549
Tabla de registro de temperatura y tiempo para la cuarta etapa de
experimentación.
Tiempo Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3
00:05:00 50 43 50
00:10:00 62 63 63
00:15:00 105 100 106
00:20:00 129 140 135
00:25:00 158 166 162
00:30:00 198 204 199
00:35:00 222 233 227
00:40:00 248 255 253
00:45:00 274 276 272
00:50:00 298 307 303
00:55:00 327 330 328
01:00:00 353 358 355
01:05:00 379 387 384
01:10:00 408 412 413
01:15:00 432 438 438
01:20:00 461 467 466
01:25:00 489 492 494
01:30:00 516 520 519
01:35:00 541 545 548
01:40:00 569 574 575
01:45:00 598 605 603
01:50:00 624 634 632
01:55:00 653 661 657
02:00:00 678 692 687
02:05:00 576 596 592
02:10:00 522 546 545
02:12:35 509 510 509
02:20:00 462 481 478
02:25:00 432 457 457
02:30:00 411 435 434
02:35:00 393 419 416
02:40:00 376 403 401
02:45:00 364 388 387
02:50:00 351 378 374
02:55:00 338 364 362
03:00:00 327 352 351
Tabla de registro de presión CmH20 y tiempo para la cuarta etapa de
experimentación.
Tiempo Presión Cm H2O
00:05:00 0.21
00:10:00 0.20
00:15:00 0.22
00:20:00 0.18
00:25:00 0.20
00:30:00 0.19
00:35:00 0.19
00:40:00 0.18
00:45:00 0.20
00:50:00 0.21
00:55:00 0.20
01:00:00 0.26
01:05:00 0.25
01:10:00 0.28
01:15:00 0.31
01:20:00 0.32
01:25:00 0.30
01:30:00 0.33
01:35:00 0.35
01:40:00 0.40
01:45:00 0.39
Tabla de registro de temperatura y tiempo para la quinta etapa de experimentación.
Tiempo Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3
00:05:00 20 23 34
00:10:00 37 46 69
00:15:00 57 63 91
00:20:00 73 82 117
00:25:00 91 107 148
00:30:00 110 126 169
00:35:00 130 148 194
00:40:00 155 174 222
00:45:00 180 197 248
00:50:00 206 221 272
00:55:00 234 254 306
01:00:00 263 279 334
01:05:00 290 310 362
01:10:00 323 336 390
01:15:00 346 365 419
01:20:00 383 399 449
01:25:00 413 427 477
01:30:00 429 448 498
01:35:00 462 474 523
01:40:00 491 499 544
01:45:00 504 522 569
01:50:00 531 549 592
01:55:00 554 605 614
02:00:00 587 596 615
02:05:00 609 618 654
02:10:00 635 640 675
02:12:35 647 657 693
02:20:00 669 679 711
02:25:00 687 697 728
02:30:00 707 717 746
02:35:00 733 736 759
02:40:00 701 712 728
02:45:00 671 692 696
02:50:00 656 676 676
02:55:00 640 661 657
03:00:00 626 649 642
03:05:00 613 636 629
03:10:00 601 622 614
03:15:00 580 607 598
03:20:00 570 594 585
Tabla de registro de presión y tiempo para la quinta etapa de experimentación.
Tiempo Presión
00:05:00 0.15
00:10:00 0.19
00:15:00 0.16
00:20:00 0.15
00:25:00 0.18
00:30:00 0.19
00:35:00 0.2
00:40:00 0.19
00:45:00 0.23
00:50:00 0.25
00:55:00 0.27
01:00:00 0.26
01:05:00 0.28
01:10:00 0.28
01:15:00 0.3
01:20:00 0.34
01:25:00 0.33
01:30:00 0.35
01:35:00 0.37
01:40:00 0.39
01:45:00 0.35
01:50:00 0.43
01:55:00 0.4
02:00:00 0.42
02:05:00 0.42
02:10:00 0.5
02:12:35 0.46
02:20:00 0.47
02:25:00 0.54
02:30:00 0.54
02:35:00 0.57
02:40:00 0.57
02:45:00 0.6
02:50:00 0.6
02:55:00 0.63
03:00:00 0.63
03:05:00 0.63
03:10:00 0.68
03:15:00 0.69
03:20:00 0.68
Tabla comparativa para las conclusiones
Temperatura °C
Distancia 1 Distancia 2 Distancia 3
Tiempo Etapa
2 Etapa
5 Tiempo2 Etapa
2. Etapa
5 Tiempo3 Etapa
2: Etapa
5
00:05:00 11 20 00:05:00 14 23 00:05:00 29 34
00:10:00 33 37 00:10:00 31 46 00:10:00 75 69
00:15:00 51 57 00:15:00 50 63 00:15:00 108 91
00:20:00 71 73 00:20:00 71 82 00:20:00 141 117
00:25:00 93 91 00:25:00 94 107 00:25:00 174 148
00:30:00 116 110 00:30:00 115 126 00:30:00 202 169
00:35:00 135 130 00:35:00 140 148 00:35:00 232 194
00:40:00 159 155 00:40:00 168 174 00:40:00 262 222
00:45:00 183 180 00:45:00 194 197 00:45:00 296 248
00:50:00 211 206 00:50:00 224 221 00:50:00 332 272
00:55:00 244 234 00:55:00 253 254 00:55:00 359 306
01:00:00 265 263 01:00:00 285 279 01:00:00 389 334
01:05:00 291 290 01:05:00 316 310 01:05:00 416 362
01:10:00 319 323 01:10:00 342 336 01:10:00 438 390
01:15:00 327 346 01:15:00 370 365 01:15:00 462 419
01:20:00 367 383 01:20:00 398 399 01:20:00 483 449
01:25:00 391 413 01:25:00 423 427 01:25:00 503 477
01:30:00 415 429 01:30:00 448 448 01:30:00 523 498
01:35:00 438 462 01:35:00 475 474 01:35:00 542 523
01:40:00 462 491 01:40:00 496 499 01:40:00 563 544
01:45:00 487 504 01:45:00 521 522 01:45:00 583 569
01:50:00 510 531 01:50:00 550 549 01:50:00 601 592
01:55:00 531 554 01:55:00 566 605 01:55:00 620 614
02:00:00 554 587 02:00:00 586 596 02:00:00 637 615
02:05:00 573 609 02:05:00 606 618 02:05:00 653 654
02:10:00 595 635 02:10:00 626 640 02:10:00 670 675
02:15:00 614 647 02:15:00 645 657 02:15:00 686 693
02:20:00 634 669 02:20:00 663 679 02:20:00 701 711
02:25:00 654 687 02:25:00 681 697 02:25:00 716 728
02:30:00 670 707 02:30:00 697 717 02:30:00 730 746
02:35:00 688 733 02:35:00 716 736 02:35:00 745 759
02:40:00 704 701 02:40:00 730 712 02:40:00 758 728
02:45:00 718 671 02:45:00 743 692 02:45:00 771 696
02:50:00 732 656 02:50:00 759 676 02:50:00 783 676
02:55:00 752 640 02:55:00 772 661 02:55:00 795 657
03:00:00 733 626 03:00:00 780 649 03:00:00 801 642
03:05:00 722 613 03:05:00 763 636 03:05:00 761 629
03:10:00 704 601 03:10:00 747 622 03:10:00 738 614