Diseño, construcción y pruebas de horno prototipo semicontinuo para producir cerámica

Fabio Emiro Sierra Vargas, Carlos Alberto Guerrero Fajardo, Jorge Eduardo Arango Gómez

• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Año: 2010
• ISBN:
  9789587751345
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería general

El libro Diseño, construcción y. pruebas de horno prototipo semicontinuo para producir cerámica presenta resultados de una investigación que busca optimizar el uso de la energía en hornos de cerámica. En este trabajo se muestra el diseño y construcción del horno con cuatro cámaras: secado, cocción, enfriamiento, cargue y descargue con recirculación de gases. El horno construido permite giros de 90°, esto facilita que las cámaras pasen por las cuatro fases del proceso quedando disponible una cámara para cargar y descargar. Con este procedimiento es más fácil llevar el control del tiempo en la cámara de cocción y controlar constantemente la calidad del producto. En el diseño se estudiaron diferentes hornos artesanales que trabajan con carbón, los cuales no poseen ningún tipo de control de temperatura y son de una sola carga. A partir de este estudio se pudo concluir que la mara combustión en estos genera un alto grado de contaminación debido al material particulado y a los gases de la combustión incompleta. Además, este tipo de hornos genera una contaminación térmica ya que los gases se emiten a temperaturas superiores a los 350 °C. Con el horno construido los gases emitidos tienen temperaturas máximas de 250°C y no se presenta material, particulado debido a que trabaja con gas combustible.

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HORNO SEMICONTINUO
PARA CERÁMICA DESARROLLADO
EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL
DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ

Desde el 2009, el grupo de investigación en “Mecanismos de desarrollo limpio y gestión energética” de la Universidad Nacional de Colombia, viene trabajando en el desarrollo de un horno para cocción de barro que sea ambientalmente más amigable y energéticamente más eficiente. El estudio tomó como base los reportes del Ideam de 2007 sobre calidad del aire, donde se ubicaba a Ráquira entre los diez municipios con más alta contaminación del aire.

5.1 APLICACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE USO
RACIONAL DE LA ENERGÍA (URE)

En el proceso de fabricación de piezas cerámicas las etapas de secado y cocción son las que presentan mayor interés para aplicarles técnicas de uso racional de la energía, debido a que su consumo energético es alto.

En el Laboratorio de Plantas Térmicas de la Universidad Nacional de Colombia se cuenta con un horno semicontinuo rotatorio que consta de 4 recámaras, una de carga y descarga del material, una de secado, una de cocción y una de enfriamiento; la figura 5.1 presenta gráficamente su estructura.

En el diseño del horno semicontinuo se tuvieron en cuenta las siguientes medidas para mejorar la eficiencia del proceso:

• Recuperación del calor sensible de los gases de combustión: los gases de combustión de un horno contienen cierta cantidad de energía térmica según el rango de temperatura (Universidad del Atlántico, Universidad Autónoma de Occidente & Colciencias, 2007; Sierra, Guerrero & Pirabán, 2010); en el proceso de cocción se alcanzan temperaturas del orden de 800 °C a 900 °C. Con el objetivo de aumentar la eficiencia energética global del proceso y aprovechar dicha energía, se instalaron ductos que transportan los gases a través de las distintas recámaras. En la recámara de cocción se suministra el combustible al sistema por medio de dos quemadores; este abastece la energía para secar.
• Uso de aislamientos: usar materiales aislantes como ladrillo prensado refractario y lana mineral, en las cámaras del horno y en los conductos de gases calientes extraídos del horno, mejora notablemente el rendimiento energético.

• Recirculación de gases: permite reducir el tiempo de cocción debido a que facilita notoriamente la transmisión de calor en el horno (Posada, 2002). Las recirculaciones deben calcularse con mucha precisión evitando la aparición de sobrepresiones y de presiones que aumentan las fugas de gases calientes o las entradas de aire frío respectivamente.
• Proceso de secado y cocción continuo o semicontinuo. El diseño mismo del horno permite que al inicio las piezas sean cargadas, luego al girarlo se pasen a la zona de secado y sean precalentadas, posteriormente pasan a la zona de cocción y mientras esto ocurre nuevas piezas están en el proceso de secado y carga. Luego pasan a cámara de enfriamiento, momento en el cual el horno tiene todas sus recámaras ocupadas, y se llevan a cabo los procesos de secado, cocción y enfriamiento simultáneamente. Esto le otorga un ahorro importante de energía, ya que el horno una vez caliente no consumirá energía para tal fin.
• Uso de gas natural. El gas natural es un combustible económico, tiene mejor rendimiento y reducción del impacto ambiental (Universidad del Atlántico, Universidad Autónoma de Occidente & Colciencias, 2007).

5.2 CONDICIONES PRELIMINARES

Los hornos actuales para la producción de cerámicas son principalmente del tipo Batch o por lotes, en los cuales para cada proceso se debe alimentar el material en frío, comenzar el calentamiento del sistema mediante el uso de un combustible sólido o gaseoso, mantener la temperatura a condiciones estables durante el tiempo de cocción y dejar un periodo de enfriamiento. Esto implica grandes consumos energéticos, altas cantidades de emisiones debido al poco control en las condiciones de la combustión y bajas eficiencias energéticas. Por estas razones, se desarrolló el proyecto “Investigación de un horno semicontinuo de alta eficiencia y bajas emisiones para alfarería”, código 1101-52119311 en la Universidad Nacional, por integrantes del grupo de investigación Mecanismos de desarrollo limpio y gestión energética con el apoyo financiero de Colciencias. El principal objetivo del proyecto fue realizar el diseño y construcción de un horno semicontinuo rotatorio que permitiera obtener cerámicas de una forma más limpia y más eficiente en comparación con los procesos tradicionales.

Como base del diseño se planteó un horno cilindrico con cuatro cámaras interiores giratorias, de tal manera que se reproducen las distintas etapas (ver figura 5.2) de un proceso convencional.

El horno tiene cuatro cámaras que reproducen las etapas de carga-descarga, secado, cocción y enfriamiento de un horno tipo Batch, y permiten seguir un proceso continuo puesto que pueden ir girando. Esto quiere decir que después de cada cuarto de giro, la cámara que estaba en la zona de carga-descarga pasará a secado, el material que se encontraba en la cámara de secado pasará a cocción y la que se encuentra en cocción pasará a enfriamiento. Como combustible se usa gas propano, el cual es alimentado, junto con el aire necesario, de forma controlada en la zona de cocción, los gases de combustión pasan a través de las paredes de las cámaras y salen por dos chimeneas ubicadas en la parte superior de la zona de secado y de enfriamiento. La figura 5-3 presenta el esquema de funcionamiento del horno.

5.3 DISEÑO DEL HORNO Y MATERIALES USADOS

Estructuralmente se puede dividir el horno en tres partes, una parte fija que, a su vez, consta de dos partes: la base inferior (que soporta el sistema) y la pared exterior del horno. Una segunda parte es la tapa que está adecuada con dos ductos de salida o chimeneas montadas en la zona de enfriamiento y secado. Finalmente, una parte móvil rotatoria que posee la estructura de las cámaras, que están soportadas sobre un mecanismo de giro que permite la rotación de las cámaras en cada una de las zonas.

La base del horno está construida con acero estructural y está adecuada con cuatro ruedas que permiten transportar el horno de forma más sencilla, la zona interna de la pared externa está hecha con ladrillo refractario de tal manera que almacene la mayor cantidad de calor y disminuyan las pérdidas por conducción; así mismo alrededor de las paredes internas se acopló un relleno de lana mineral y fibra de vidrio, que actúan como aislantes. Finalmente, la estructura externa está recubierta de lámina de aluminio. Al comparar los valores de la conductividad térmica se puede ver la utilidad de los materiales usados; mientras que el aluminio posee una conductividad cercana a 209,3 W/m*K, materiales como el ladrillo refractario (0,47 - 1,05) y la fibra de vidrio (0,03 - 0,07) tienen valores mucho menores. La figura 5.4 presenta detalles de la base soporte y la pared interna.

La tapa está hecha así mismo de lámina de aluminio con una estructura en acero que permite levantarla mediante el uso de una diferencial; adentro la tapa está rellena de lana mineral y fibra de vidrio de tal manera que las pérdidas de energía sean mínimas. En la tapa...

Índice

• PORTADA
• PORTADILLA
• PÁGINA LEGAL
• LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
• INTRODUCCIÓN
• MATERIALES Y TÉCNICAS PARA PRODUCIR CERÁMICA
• TIPOS DE HORNOS PARA LA FABRICACIÓN DE CERÁMICA
• LA INDUSTRIA DE LA CERÁMICA EN RÁQUIRA
• CONSUMO ENERGÉTICO DE LOS HORNOS PARA CERÁMICA
• HORNO SEMICONTINUO PARA CERÁMICA DESARROLLADO EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ
• CONCLUSIONES
• GLOSARIO
• BIBLIOGRAFÍA
• PÁGINA INSTITUCIONAL
• CRÉDITOS