COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LAS VAGONETAS

DE HORNO TÚNEL EN CICLOS REALES DE COCCIÓN

Forgestal, S.L. ha desarrollado un programa de cálculo por elementos finitos, para facilitar su aplicación a las vagonetas de horno. Teniendo en cuenta tanto las propiedades de la vagoneta como la evolución de las condiciones de temperaturas y velocidades de gases a lo largo del ciclo de cocción real, calcula la evolución de las entradas y salidas de calor en la vagoneta, así como la evolución de las temperaturas en todos los nodos de una red de puntos predeterminada en su interior.
Las vagonetas modernas basadas en piezas refractarias cocidas pueden parecer tan similares entre sí que no sea fácil distinguir entre diferentes diseños, tanto sobre plano como, a veces, sobre vagonetas reales nuevas.
Pero su comportamiento en operación, frente a los ciclos y condiciones reales de cocción, puede ser muy diferente en función de algunos importantes detalles de diseño. El análisis indica y la realidad confirma que vagonetas aparentemente muy similares pueden presentar comportamientos radicalmente diferentes ante los choques mecánicos, los choques térmicos, el ataque químico, la facilidad de limpieza, la resistencia a la penetración de cascote y el consumo de combustible en ciclo real.
Cada uno de estos aspectos, y más el conjunto de todos ellos, es importante para la duración de vida y la rentabilidad de un sistema de vagonetas, pero en este artículo nos centraremos en el último mencionado: El consumo de combustible.
Es básicamente cierto el concepto intuitivo de que las vagonetas pesadas consumen más calor que las ligeras (1).
Es un hecho que una vagoneta mejor aislada transmitirá, en régimen permanente, menos calor que una vagoneta peor aislada.

 

Pero sería un error, partiendo de los supuestos anteriores, deducir que dos vagonetas con pesos y coeficientes globales de transmisión idénticos tendrán consumos iguales en ciclo real. De hecho, Los consumos en ciclo real pueden ser muy diferentes, incluso en vagonetas con pesos y coeficientes globales de transmisión idénticos. El consumo real depende en gran medida y más que de Los pesos y transmisiones globales, de las densidades, coeficientes de transmisión y disposición física de cada uno de Los componentes individuales.
La causa de esta aparente contradicción es muy simple: Las condiciones de trabajo de las vagonetas en ciclo real están muy lejos de las condiciones ideales en que se basa el cálculo de transmisión térmica en régimen permanente (2}.
En régimen permanente. el 100 % del calor perdido (consumo) correspondería a las pérdidas por transmisión. Sería, por ejemplo, el caso de las paredes de horno, en las que las condiciones de cada sección de muro se mantienen estables durante largos períodos de tiempo.

Pero las condiciones de las vagonetas, especialmente en los hornos modernos, con ciclos raramente superiores a las 36 horas y muchas veces inferiores a las 18 horas, son radicalmente diferentes, hasta el punto de que las pérdidas por transmisión de una vagoneta dentro del horno pueden llegar a constituir menos del 20 % del calor retenido en la misma vagoneta a la salida del horno.
Así como el cálculo de las pérdidas por transmisión en régimen permanente es relativamente simple, el cálculo del calor retenido en la vagoneta es bastante más complejo y requiere tanto una preparación cuidadosa como un potente programa de cálculo.

Forgestal S.L. ha desarrollado un programa de cálculo por elementos finitos (3), concebido específicamente para facilitar su aplicación a las vagonetas de horno. Este programa, teniendo en cuenta tanto las propiedades de la vagoneta como la evolución de las condiciones de temperaturas y velocidades de gases a lo largo del ciclo de cocción real, calcula la evolución de las entradas y salidas de calor en la vagoneta. así como la evolución de las temperaturas en todos los nodos de una red de puntos predeterminada en su interior.

Los puntos de esta red se sitúan habitualmente a una distancia de entre 1 y 10 mm, con lo que la información obtenida es muy extensa para cada sección de la vagoneta. Esta información tan extensa sería excesiva para presentación y estudio, por lo que el mismo programa incluye varias posibilidades de agrupación y condensación de la misma.
Los resultados se presentan aquí agrupados a nivel global de vagoneta, pero otras presentaciones mucho más detalladas se utilizan para la optimización de los diseños. Los cálculos, independientemente del nivel de agrupación para presentación, se efectúan siempre para cada una de las tipologías de sección que forman la vagoneta.

A título de ejemplos de aplicación, presentamos a continuación los resultados obtenidos sobre:

  • Tres posibilidades alternativas de diseño de vagonetas para cocción de ladrillos caravista a alta temperatura.

  • Dos posibilidades alternativas de diseño de vagonetas para la cocción de tejas en U-cassettes.

Para cada una de ellas se presenta, además de un fragmento de sección esquemática, los resultados gráficos del cálculo como promedio del conjunto de la vagoneta, incluyendo la evolución de las temperaturas medias a distintos niveles y el calor contenido en cada instante en el conjunto de la vagoneta .

Vag. Caravista 1

Vag. Caravista 2

Vag. Caravista 3

Vag. U-Cassette 1

Vag. U-Cassette 2

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

        Vagoneta U-Cassette 2       

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-84) interior horno 1 módulo=1.050 seg. - (85-106) exterior horno 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

CALOR Kcal/vag

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

Vagoneta Caravista 1 (con sobresoleras)

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-70) interior horno 1 módulo=1.350 seg. - (71-106) exterior horno 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

CALOR Kcal/vag

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

Vagoneta Caravista 2 (con sobresoleras)

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-70) interior horno 1 módulo=1.350 seg. - (71-106) exterior horno 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

CALOR Kcal/vag

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

Vagoneta Caravista 3 (con sobresoleras)

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-70) interior horno 1 módulo=1.350 seg. - (71-106) exterior horno 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

CALOR Kcal/vag

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

Vagoneta U-Cassette 1

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-84) interior horno 1 módulo=1.050 seg. - (85-106) exterior horno 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

CALOR Kcal/vag

CALOR Y TEMPERATURAS MEDIAS DE VAGONETA

Vagoneta Caravista 1 (con sobresoleras)

Régimen permanente

TIEMPO, en módulos de vagoneta

(1-70) 1 módulo=1.350 seg. - (71-106) 1 módulo=6000 seg.

TEMPERATURA ºC

A notar que, por razones de espacio, las escalas de tiempo son diferentes en el tramo interior del horno y en el exterior del mismo. Las escalas concretas aplicadas se indican en cada gráfico.

Para una de ellas. la ·vagoneta Caravista 1·. se ha calculado además la evolución de las temperaturas en régimen "casi-permanente": Se ha calculado la evolución de las temperaturas en un ciclo imaginario que se inicia con un calentamiento idéntico al del ciclo normal, pero todas las temperaturas se mantienen a continuación durante unos 3 días con los mismos valores que tenían al final de la zona de cocción. Al final de este tiempo las temperaturas ya están prácticamente estabilizadas, y se diferencian en menos de 1 grado de las que nos daría el cálculo en régimen permanente. Este artificio, comparando este gráfico con el de ciclo normal, nos permite observar la gran diferencia entre las temperaturas de las vagonetas en ciclo real y las temperaturas teóricas en régimen permanente.

Se presenta también una tabla resumen de algunas características y variables significativas, individualizada para cada uno de los dos grupos.

CUADRO COMPARATIVO

Caravista 1

Temperatura cocción

Tiempo de ciclo

Peso total vagoneta

ºC

1.180

horas

26,25

Kg

7.550

Temperatura chapa (régimen pte.)

Calor transmitido a foso (régimen pte.)

ºC

92

Kcal/h vag.

16.600

Temperatura máxima chapa (ciclo real)

ºC

66

Pérdida por transmisión en horno (ciclo real)

Kcal/vag.

58.900

Calor retenido salida de horno (ciclo real)

Kcal/vag.

467.500

Vagoneta

Caravista 2

Caravista 3

U-Cassette 1

U-Cassette 2

1.180

26,25

8.250

1.180

26,25

9.100

1.040

24,50

4.800

1.040

24,50

7.500

98

20.500

92

16.200

87

10.400

108

19.700

77

111.200

614.700

66

49.400

715.400

69

43.100

248.600

73

69.900

489.900

Vagoneta Caravista tipo 1

Vagoneta U-Cassettes tipo 1

Analizando los datos de esta tabla resulta evidente que el diseño óptimo, con muy importantes ventajas en cuanto a consumo, corresponde a las variantes "vagoneta caravista 1" y "vagoneta U-cassettes 1". En las fotografías se puede ver algunas de las vagonetas construidas con base a ambos diseños.
En algunos casos esta importante diferencia en calor consumido (trasmitido + retenido) se corresponde paralelamente con las transmisiones teóricas en régimen permanente ("vagoneta caravista 1 comparada con "Vagoneta caravista 2" y "vagoneta U-cassette 1· comparada con "vagoneta U-cassette 2"), pero en otros ("vagoneta caravista 1 comparada con "Vagoneta caravista 3"), la diferencia de calor retenido por la segunda es un 53 % superior al de la primera, pese a que sus transmisiones en régimen permanente sean prácticamente iguales.

CONCLUSIONES

  1. El cálculo de transmisión en régimen permanente, imprescindible para el correcto diseño de una vagoneta, no es útil en absoluto para el cálculo del calor retenido por la vagoneta a la salida de horno. En realidad, ni siquiera sirve para el cálculo de las pérdidas por transmisión dentro del horno.

  2. Tanto las pérdidas por transmisión como las pérdidas por calor retenido a la salida de horno requieren un programa de cálculo que simule la evolución de la vagoneta en función de las condiciones variables a lo largo del ciclo de cocción.

  3. La intuición, no verificada por cálculo adecuado, podría dar lugar a graves confusiones a la hora de prejuzgar el comportamiento térmico de una vagoneta.

  4. El programa de cálculo por elementos finitos, desarrollado y aplicado por Forgestal, S.L. desde 1999, ha demostrado ser una herramienta de gran utilidad para optimizar el diseño de vagonetas con vistas a mejorar las condiciones de cocción y reducir el consumo.

NOTAS

  1. Gracias al hecho de que los calores específicos (capacidad calorífica por unidad de masa de material) de los materiales componentes habituales de vagonetas, ligeros o pesados, son muy similares entre sí.

  2. Recordatorio: En las condiciones teóricas de transmisión en régimen permanente, o estabilizado:

    1. Las temperaturas del lado horno y del lado foso son constantes.

    2. El flujo de calor que atraviesa todas las capas de la vagoneta es el mismo en todas ellas.

    3. El calor contenido en la vagoneta es constante, sin acumulación ni pérdida.

  3. Recordatorio: Este método de cálculo, aplicando las leyes físicas a elementos materiales muy pequeños pero de dimensión finita, permite efectuar cálculos de ingeniería que serían imposibles de resolver mediante el cálculo diferencial clásico. Desarrollado en paralelo con los ordenadores que lo hicieron viable, es ampliamente utilizado hoy en resistencia de materiales, fluidos, transmisión de calor, meteorología, navegación espacial, y todo tipo de cálculos de simulación.

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