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8/8/2019 hornoelectrico

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MEMORIAS DE LA XVIII EXPODIME7 al 11 DE SEPTIEMBRE 2009, GUADALAJARA, MXICO

Derechos reservados 2009, U de G[1]

HORNO ELCTRICO PARA TRATAMIENTOS TRMICOS

Buelna Jacobo Vctor Hugo, Ziga Vargas Francisco JavierUniversidad de Guadalajara, CUCEI, Departamento de Ing. Mecnica Elctrica

Av. Revolucin 1500 Puerta 10, CP 44430, Guadalajara, Jalisco, Mxico.Tel. (33) 3942 5920 extensiones 7706 y [email protected], [email protected]

RESUMEN

Disear, Calcular y Construir un horno tipo mufla de tabla cermica con recubrimiento de aceroinoxidable, con un controlador de temperatura, para que alcance alrededor de 1200 gradoscentgrados.Se requiere alcanzar una temperatura cercana a los 1100 grados centgrados para el tratamientode aceros, en especial los ALSI H 13 y ALSI 4140) los cuales tienen una temperatura deaustenizacin de 1100 grados centgrados. Se pretende cortar muestras de estos materiales de lassiguientes medidas: 10 x 5 x 0.5 mm aproximadamente y se desea meter a la Mufla un lote de 15placas.Para esto fue necesario investigar el funcionamiento de los hornos de este tipo, as como losmateriales con los que estn construidos. Se eligi por sus caractersticas la fibra cermica, enforma de tablas y colchoneta. Este material soporta altas temperaturas de operacin hasta 1538grados centgrados.Para las resistencias utilizamos un material especial para hornos de alta temperatura llamadoNICROMO el cual es una aleacin de nquel cromo y est diseado para trabajar contemperaturas de hasta 1260 C, el cual se implement en forma de espirales a travs de tuboscermicos ubicados en las paredes laterales de la cabina. Las cuales estn conectadas a uncircuito elctrico a su vez es controlado por un pirmetro, que manda una seal a travs de untermopar ubicado dentro de la cabina hacia un relevador de estado slido con la finalidad decontrolar la temperatura requerida.

ANTECEDENTES

Una mufla, en realidad es una cmara cerrada construida con material refractario. Consta de una

puerta por la que se accede al interior de la cmara de coccin, en la que existe un pequeo orificiode observacin. En el techo se ubica un agujero por donde salen los gases de la cmara. Lasparedes de la misma estn hechas de placas de materiales trmicos, planchas de de carborundoy/o manta de material aislante.

Los hornos alimentados con energa elctrica son de un uso muy extendido por su comodidad yfcil manejo. En la actualidad con los sistemas de programacin que se incorporan son muy tiles yfiables. En las cmaras de estos hornos van alojadas, en unos surcos o vas de las paredes, unasespirales de hilo conductor de energa elctrica, que actan de resistencia formadas por aleacionesde cromo-nquel y de otros metales cuya caracterstica es la buena conductibilidad, segn lastemperaturas que se quiera alcanzar.

Hay que tener en cuenta que un Kilovatio hora desarrolla, aproximadamente, 850 Cal/kg. Aunqueparezca que el uso de esta energa elctrica resulta demasiado cara, si contamos todas las

ventajas que puede proporcionarnos, todos estos inconvenientes se ven reducidos e inclusoresultar ventajosos.Como norma general y gua hemos de decir que en hornos para temperaturas de 1000 a 1100,con una capacidad de 0,25 a 1 m2, tienen una duracin de caldeo de 7 a 12 horas. Paratemperaturas mayores hasta 1450 C se emplea la silita o similares (carburo de silicio).

La cochura elctrica tiene lugar en aire puro, o sea, en atmsfera oxidante, aunque existen algntipo de horno, especialmente los de silla y de hilo de nquel-cromo, que toleran se introduzcan en lacmara medios reductores con el fin de provocar una reduccin de oxgeno y cambiar los efectos


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colorantes de los distintos xidos.

DESARROLLO

Dimensiones de la mufla:

Paredes frontal y trasera. 18 x 18 cm.

Paredes laterales, superior e inferior. 21 x 18 cm.

Ancho de las paredes.

Las paredes estn formadas de 2 capas de material cermico refractario con las siguientesespecificaciones:

Con estos materiales se obtendr una pared con un espesor de 3 pulgadas, adems de llevar fibracermica tipo colchoneta en las paredes del gabinete.

Material Espesor (L) Conductividadtrmica (k)

Primer material

Tabla de fibracermica refractaria

2 pulgadas 0.17 W/mK

Segundo material

Tabla de fibracermica refractaria

1 pulgada 0.17 W/mK

Tercer material Colchoneta de fibracermica refractaria

2 pulgadas 0.18 W/mK

rea de la mufla.

Es el rea que constituye el espacio que ser calentado por las resistencias elctricas yalmacenar la carga a calentar.

De acuerdo a las dimensiones antes mencionadas se tiene que esta rea ser de:

A = (0.18m x 0.18 m x 2) + (0.18 m x 0.21 m x 4) = 0.216 m2

Prdidas en las paredes.


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Resistencia trmica.

RT = L1/k1A + L2/k2A + L3/k3A

L1 = 2 = 0.0508 m.

L2 = 2 = 0.0508 m.

L3 = 1 = 0.0254 m.

K1 = 0.17 W/mK.

K2 = 0.28 W/mK.

K3 = 0.17 W/mK.

A = 0.216 m2

RT = 0.0508m/0.17W/mk + 0.0508m/0.28 W/mk + 0.0254m/0.17 W/mk

RT = 0.6296 K / W

Prdidas en paredes planas.

Con esta frmula se obtendr la potencia que necesitarn disipar las resistencias elctricas paraobtener la temperatura deseada.

q = T / RT

Tint = 1260 C

Text = 25 C

RT = 0.6296 K / W

q = 1260 25 K/ 0.6296 K /W = 1961.56 W

La potencia del horno ser de 1961.56 Watts. Tomando en cuenta las prdidas en las puertas delhorno y para efecto de los clculos se tomar como la potencia del horno con un valor de: 2000

Watts (2 KW).

CLCULO DE LA RESISTENCIA ELCTRICA.

Con la potencia obtenida anteriormente se puede calcular el valor de la resistencia necesario parael funcionamiento ptimo del horno, tambin se puede obtener un dato necesario que es lacorriente con la que se alimentar el circuito elctrico.


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Mediante la ley de ohm tenemos que:

P = VI

De aqu podemos despejar I:

I = P / V

El circuito ser alimentado con 120 V, entonces:

I = 2000W / 120 V = 16.66 Amp.

Con el valor de la corriente obtendremos el valor de la resistencia con:

R = V / I = 120 / 16.66 = 7.20

Para este horno utilizaremos un tipo de material especial para hornos de alta temperatura llamadoNICROMO el cual es una aleacin de nquel cromo y est diseado para trabajar contemperaturas de hasta 1200 C.

Es necesario conocer algunas propiedades del nicromo ya que tendremos que saber cuantomaterial ser necesario utilizar para hacer las resistencias, estas propiedades son importantesporque cambian dependiendo del tipo de aleacin con que se trabaje.

Propiedades del NICROMO.

TIPO DE ALEACIN Nicromo 80 20

CALIBRE 17 AWG ( 1.150 mm)

RESISTIVIDAD () 1.77 x 10-6 m

COEFICIENTE DE RESISTIVIDAD Ct 1.045

Las resistencias que se utilizarn sern del tipo arrollado en espiral sobre tubos cermicos.

Resistencia elctrica a 20 C.

Este dato es importante porque con l conoceremos la resistencia por metro que existe en elnicromo.


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R20 = X L / A

R20 = 1.77x10-6 m x 1 m / (0.575x10-3 m) 2 = 1.7

As tenemos que por cada metro habr 1.7

Resistencia elctrica a la temperatura de trabajo.

Esta resistencia ser calculada con el coeficiente de resistividad, este coeficiente nos sirve parasaber cuanto cambia la resistencia con los cambios de temperatura. El valor del coeficiente ser de1.045 a 1200 C tomado de tablas de coeficientes del nicromo.

RT = Ct x R20

RT = 1.045 x 1.7 = 1.7765

Con esto tenemos que a la temperatura de trabajo la resistencia cambia a 1.7765 por metro.

Ahora, con el valor obtenido de 7.2 para el horno y el valor obtenido de 1.7765 / m de laresistencia de trabajo, podemos saber cuanto material ser necesario para hacer las resistencias:

L = R / RT

L = 7.2 / 1.7765 / m = 4.05 m.

CONCLUSIONES

El funcionamiento del equipo terminado cumple con los requerimientos necesarios para suutilizacin, en cuanto a especificaciones elctricas, mecnicas y trmicas, apegndonos a lasnecesidades del Laboratorio de Tratamiento de Materiales del Departamento de Investigaciny Proyectos de la Universidad de Guadalajara.

La finalidad del proyecto es la aplicacin de un horno de bajo costo y de la misma calidad queun horno comercial para la realizacin de pruebas de laboratorio, con el fin de encontrarmejores materiales para las diferentes aplicaciones en que se puedan utilizar.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Frank P. Incropera, David P. DeWill, Fundamentos de Transferencia de Calor, Person Pentice Hall

Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Termodinmica, Mc Graw Hill


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Julio Astigarraga Urquiza, Hornos Industriales de resistencias, Mc Graw Hill

TITULO: HORNO ELCTRICO TIPO MUFLA PARA TRATAMIENTOS TRMICOS

FUNCION: Pruebas de aceros en laboratorio

CAMPO DE APLICACIN: Investigacin de laboratorio

CATEGORIA EN LA QUE PARTICIPA: PROYECTO DE INVESTIGACIN: (CIENTFICA),(TECNOLGICA)

OBJETIVO GENERAL: Disear, calcular y construir un horno tipo mufla para una temperatura deoperacin de 1200 grados centgrados.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

1.- Investigacin de tipos de materiales y costos de los mismos

2.- Diseo, clculo y construccin de la cabina del horno

3.- Diseo, clculo y construccin de las resistencias

4.- Diseo, clculo y construccin del circuito elctrico

5.- Diseo, clculo y construccin del gabinete

JUSTIFICACION: La construccin de un horno de bajo costo que cumpla con las especificacionesy necesidades requeridas por parte del Departamento de Tratamiento de Materiales de la

Universidad de Guadalajara.

DATOS DEL EQUIPO Y / O PROTOTIPO, NECESARIOS PARA SU INSTALACIN YOPERACION:

120 16 1 1.8 1VOLTAJE AMPERAJE FASES KW HP CONTACTOS

NO NO NO NO ESPECIFIQUEINTERNET AGUA DRENAJE GAS LP OTRO COMBUSTIBLE

DIMENSIONES (m) Y PESO (Kg.)

LARGO ANCHO ALTO PESO

Otros requerimientos: Especifique

Fotos del proceso constructivo y pruebas


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Debido a la necesidad de aplicacin de tratamiento trmico, para la aleacin H13, y otras, se inici

la construccin de una mufla con capacidad a 1200C, con control electrnico de temperatura, y

termopar tipo K. Los elementos calefactores sern distribuidos en los costados de la mufla con el

fin de lograr una mejor distribucin de la temperatura sobre la zona a tratar trmicamente. Las

resistencias sern de alambre NiCr80. Para el aislamiento trmico del mismo se utiliz fibra

cermica para soportar hasta 1200oC de temperatura.

El horno cuenta en la parte posterior con una entrada para gas, y de esta manera, se est en la

posibilidad de crear una atmsfera inerte dentro del mismo. En lasa siguientes imgenes se

muestran algunas etapas de la construccin y prueba de este horno.


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