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

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Page 1: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

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Page 3: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 4: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

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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

Page 6: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

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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.

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vi

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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.

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2

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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)

Page 12: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 13: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 14: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 15: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 16: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 17: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 18: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 19: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 20: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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/

Page 21: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 22: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 23: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 24: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 25: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 26: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 27: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 28: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 29: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 30: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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).

Page 31: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 32: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 33: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 34: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 35: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 36: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

28

Page 37: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 38: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

30

Page 39: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 40: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 41: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 42: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 43: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 44: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 45: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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:

Page 46: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 47: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 48: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 49: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 50: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 51: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 52: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 53: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 54: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 55: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 56: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 57: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 58: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 59: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

51

Page 60: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 61: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 62: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 63: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 64: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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∞)

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57

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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

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59

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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.

Page 69: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

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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

Page 71: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 72: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 73: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

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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.

Page 75: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 76: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 77: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 78: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 79: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 80: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 81: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 82: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 83: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 84: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 85: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

77

Page 86: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 87: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

79

Page 88: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 89: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 90: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 91: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 92: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 93: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 94: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 95: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 96: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 97: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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)

Page 98: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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)

Page 99: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 100: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 101: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 102: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 103: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 104: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 105: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 106: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

98

DIBUJOS TÉCNICOS

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99

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100

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114

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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.

Page 124: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 125: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 126: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 127: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 128: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 129: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 130: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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).

Page 131: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 132: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 133: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

125

Figura 77: modelo digital y medidas del horno SKUTT KM1227 CK256.

Page 134: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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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ratu

ra

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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 .

Page 136: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 137: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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:05

:00

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

ntí

grad

os

Tiempo

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.

Page 138: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 139: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 140: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

132

0

100

200

300

400

500

600

700

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

ntí

grad

os

Tiempo

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.

Page 141: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 142: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

134

0

100

200

300

400

500

600

700

800

00

:05

:00

00

:15

:00

00

:25

:00

00

:35

:00

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:00

00

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01

:05

:00

01

:15

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:25

:00

01

:35

:00

01

:45

:00

01

:55

:00

02

:05

:00

02

:12

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02

:25

:00

02

:35

:00

02

:45

:00

02

:55

:00

Tem

pe

era

tura

°C

en

tígr

ado

s

Tiempo

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.

Page 143: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

sió

n C

m H

2O

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

Presión Cm H2O

Presión Cm H2O

Gráfica 8: Gráfica de resultados de la presión y tiempo, tomada para la cuarta etapa.

Page 144: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

136

0

100

200

300

400

500

600

700

800

00

:05

:00

00

:15

:00

00

:25

:00

00

:35

:00

00

:45

:00

00

:55

:00

01

:05

:00

01

:15

:00

01

:25

:00

01

:35

:00

01

:45

:00

01

:55

:00

02

:05

:00

02

:12

:35

02

:25

:00

02

:35

:00

02

:45

:00

02

:55

:00

03

:05

:00

03

:15

:00

Tem

pe

ratu

ra

Tiempo

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.

Page 145: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 146: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 147: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

00

:05

:00

00

:15

:00

00

:25

:00

00

:35

:00

00

:45

:00

00

:55

:00

01

:05

:00

01

:15

:00

01

:25

:00

01

:35

:00

01

:45

:00

01

:55

:00

02

:05

:00

02

:12

:35

02

:25

:00

02

:35

:00

02

:45

:00

02

:55

:00

03

:05

:00

03

:15

:00

Presión

Presión

Tiempo

Pre

sió

n C

m H

2O

Gráfica 10: Medición de la presión ejercida dentro del horno para la quinta etapa de experimentación.

Page 148: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

0100200300400500600700800

00

:05

:00

00

:20

:00

00

:35

:00

00

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:00

01

:05

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01

:20

:00

01

:35

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01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

03

:05

:00

03

:20

:00

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

ntí

grad

os

Tiempo

Primera etapa

Distancia 1

Distancia 2

Distancia 3

0

200

400

600

800

1000

00

:05

:00

00

:20

:00

00

:35

:00

00

:50

:00

01

:05

:00

01

:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

ntí

grad

os

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

Page 149: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

0100200300400500600700

00

:05

:00

00

:20

:00

00

:35

:00

00

:50

:00

01

:05

:00

01

:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

ntí

grad

os

Tiempo

Tercera etapa

Distancia 1

Distancia 2

Distancia 3

0

200

400

600

800

1000

00

:05

:00

00

:20

:00

00

:35

:00

00

:50

:00

01

:05

:00

01

:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

ra °

Ce

nti

grad

os

Tiempo

Segunda etapa

Distancia 1

Distancia 2

Distancia 3:

Gráfica 5 y 6: comparación de graficas de segunda y tercera etapa

Page 150: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

142

0100200300400500600700800900

00

:05

:00

00

:20

:00

00

:35

:00

00

:50

:00

01

:05

:00

01

:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

r a

en

° C

en

tiíg

rad

os

Tiempo

Segunda etapa

Distancia 1

Distancia 2

Distancia 3:

0100200300400500600700800

00

:05

:00

00

:25

:00

00

:45

:00

01

:05

:00

01

:25

:00

01

:45

:00

02

:05

:00

02

:25

:00

02

:45

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

ra e

n °

cen

tígr

ado

s

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

Page 151: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

0

200

400

600

800

00

:05

:00

00

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00

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:25

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02

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02

:25

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02

:45

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03

:05

:00

03

:25

:00

Tem

pe

ratu

ra °

ce

ntí

grad

os

Tiempo

Primera etapa

Distancia 1

Distancia 2

Distancia 3

0

200

400

600

800

00

:05

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00

:20

:00

00

:35

:00

00

:50

:00

01

:05

:00

01

:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

Tem

pe

ratu

ra °

cen

tígr

ado

s

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

Page 152: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

00

:05

:00

00

:20

:00

00

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:00

00

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01

:05

:00

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:20

:00

01

:35

:00

01

:50

:00

02

:05

:00

02

:20

:00

02

:35

:00

02

:50

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

ra

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.

Page 153: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 154: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

146

0

100

200

300

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500

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01

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:25

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:35

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01

:45

:00

01

:55

:00

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:05

:00

02

:15

:00

02

:25

:00

02

:35

:00

02

:45

:00

02

:55

:00

03

:05

:00

Tem

pe

ratu

ra °

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.

Page 155: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 156: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 157: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 158: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 159: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

ad p

ara

una

pro

ducció

n e

sta

ble

.

Contr

ol in

div

idual de

Resis

tencia

s.

Consid

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ía

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iseño

Sufic

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térm

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evitar

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Apro

vecham

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Energ

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Configura

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.

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e c

ontr

ole

s

dig

itale

s.

Perm

ite tra

baja

r m

ás d

e u

na

técnic

a.

209GFE Olympic

• • • • • •

GM1227-3 Skutt

• • • • • • • • •

Page 160: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

152

Criterios

Producto

C

apacid

ad

para

una

pro

ducció

n

esta

ble

.

Contr

ol in

div

idual de r

esis

tencia

s.

Consid

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rgonom

ía

en s

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iseño.

Sufic

iente

ais

lante

térm

ico p

ara

evitar

pérd

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e c

alo

r.

Apro

vecham

iento

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nerg

ía.

Accesib

ilidad p

ara

realiz

ar

mante

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.

Configura

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n m

odula

r.

Mate

rial ais

lante

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.

Imple

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n d

e c

ontr

ole

s

dig

itale

s.

Perm

ite tra

baja

r m

ás d

e u

na

técnic

a.

Industrial Model GM1214-3 Skutt

• • • • • • • • •

GF8E Olympic

• • • • • • •

GF12ECS Olympic

• • • • • •

Page 161: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

153

Criterios

Producto

Capacid

ad p

ara

una p

roducció

n e

sta

ble

.

Contr

ol in

div

idual de r

esis

tencia

s.

Consid

era

la e

rgonom

ía

en s

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iseño.

Sufic

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evitar

pérd

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Apro

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Accesib

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Configura

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Mate

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con e

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.

Imple

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ontr

ole

s

dig

itale

s.

Perm

ite tra

baja

r m

ás d

e u

na

técnic

a.

GM1414 Skutt

• • • • • • •

Horno por convección

forzada.

• • • • • • • • • •

Esquema 13: Matriz de comparación entre modelos existentes.

Page 162: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 163: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 164: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 165: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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:

Page 166: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 167: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 168: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 169: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 170: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 171: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 172: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 173: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

1

BIBLIOGRAFÍA

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Page 174: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 175: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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.

Page 176: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

4

ANEXOS

Page 177: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

5

Page 178: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 179: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión
Page 180: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 181: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 182: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 183: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 184: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 185: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

Page 186: Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión

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

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