REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES

REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 1
P1.- (I).-Diseñar un revestimiento refractario-aislante (R&A) para un horno que va a trabajar a 2400 ºF. El
horno tiene una coraza de acero cuya temperatura se desea que sea de 250 F. Despues de un estudio de los
materiales refractarios existentes en el mercado se decidió realizar el revestimiento R&A con los siguientes
materiales :
REFRACTARIO : HYAL - LITE 28 , AISLANTE : PANELEX - TP
También se determinó que el revestimiento se realizaría neumaticamente (Gunitado)
Las condiciones ambientales son: temperatura del aire 80 °F y velocidad del viento v = 0 mph.
(II).- Si se requiere que la temperatura de la coraza de acero sea de 200 ºF, ¿Cuál sería el efecto sobre el
diseño del revestimiento y las perdidas de calor?.
(III).- Si en el apartado (I) se considera que la velocidad del viento es de v = 5 mph., ¿Cuál sería el efecto
sobre las perdidas de calor y la temperatura de la coraza de acero?.
P2.- (I).- Se desea instalar un horno con coraza de acero en Siberia , donde las condiciones ambientales en
invierno , frecuentemente, son : temperatura del aire 0 y velocidad del viento v = 20 mph. El horno va a
trabajar a una temperatura de 2200 °F y se desea que la coraza de acero tenga una temperatura de 200 ºF.
Diseñar el revestimiento refractario-aislante (R&A) y determinar las pérdidas de calor, sabiendo que se van
a utilizar como materiales los siguientes: PLASTIC INSULCRETE Y PANELCOTE, ambos en estado
no conformado.
(II).-Suponer que durante el verano se tiene un periodo de 2 semanas donde las las condiciones ambientales
son : temperatura del aire 80 °F y velocidad del viento v = 0 mph. ¿Cuál sería el efecto sobre el diseño del
revestimiento y las perdidas de calor?.
P3.- El diseño de un horno exige que el espesor de su revestimiento no puede sobrepasar las 10 pulgadas. El
horno va a trabajar a 2200 °F y se desea que la coraza de acero tenga una temperatura de 200 º F . ¿Puede
diseñarse una pared que satiSfaga dichas condiciones, sabiendo que las condiciones ambientales son :
temperatura del aire 80 2F y velocidad del viento v = 5 mph. ?. El material refractario elegido es PLASTIC
INSULCRETE.
P4.- (I).- Un horno existente esta trabajando a una temperatura de 1800 ºF. Se ha medido que la temperatura
de la pared fría (Coraza de acero) es de 250 ºF, siendo las condiciones ambientales: temperatura del aire 90
ºF y velocidad del viento v = 0 mph.
Se desea elevar la temperatura de trabajo del horno hasta los 2200 ºF. Asumiendo que los materiales
refractarios del revestimiento pueden soportar dicho incremento de temperatura, ¿Cuál será la nueva
temperatura de la pared fría y las pérdidas de calor?.
Suponiendo que el area de la coraza de acero del horno es de 10000 sqft , ¿Qué cantidad adicional de
combustible (Gas natural con un poder calorífico de 1000 BTU/cf) se necesita para compensar las perdidas
adicionales de calor, debidas a la mayor temperatura de la pared fría?.
REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 2
P5.- Un horno va a a trabajar a una temperatura de 3000 °F y se desea que la temperatura de la coraza de
acero ( ε = 0.9) sea de 230 ºF. Las condiciones ambientales son: temperatura del aire 80 ºF y velocidad del
viento v = 0 mph. Se ha decidido que la pared tenga 4 componentes, que desde la parte interior a la exterior
son:
Temperatura límite
Conductividad térmica k
de utilización
(BTU/h.°F)
REFRACTARIOA
REFRACTARIO B
AISLANTE C
AISLANTE D
3300 °F
2600 °F
2000 °F
1500 °F
5.0 - 6.0
4.0 - 5.0
2.0 - 3.0
1.0 - 2.0
Determinar el espesor de la pared:
(i).- Suponiendo que los refractarios se utilizan en estado no conformado.
(ii).- Suponiendo que los refractarios se utilizan en estado conformado y que todas las piezas tienen las
dimensiones de la figura:
Para utilizar los refractarios y aislantes, se supondrá que no han de trabajar a una temperatura superior a la de
límite de utilización menos 300 ºF.
P6.- Diseñar el revestimiento más económico de un horno que va a trabajar a una temperatura de 2300 °F y
que por razones de seguridad la temperatura máxima de la chapa exterior de acero no ha de ser superior a
300 °F . Las condiciones ambientales medias del lugar son: temperatura del aire 80 °F y velocidad del viento
v = 0 mph. La emisividad de la superficie exterior es ε = 0.9.
Se ha decidido que la pared tenga 2 componentes y que el revestimiento sea momolítico. Después de un
estudio de los refractarios existentes en el mercado se ha decidido utilizar los siguientes:
REFRACTARIO : Q - CRETE 30-50 ,
AISLANTE : PANELEX T-P
k = 6.6 ,
Densidad = 90 pcf.
Densidad = 27 pcf.
Coste: 600 $/tc
Coste: 400$/tc
El area de la chapa exterior de acero del horno es de 700 sqft y el combustible que se va a utilizar es gas
natural con un poder calorifico de 1000 BTU/(ft)3, cuyo coste es de 2 $ por cada millon de BTU. Se espera
que el horno opere 6000 horas/año.
La instalación del material por gunitado supone un coste adicional de 100 $/tc igual para los dos tipos de
material.
Determinar el diseño más adecuado del revestimiento refractario - aislante, si la duración esperada es de 10
años. ¿ Y si la duración fuera de 3 años?.
En el diseño resultante de considerar una temperatura de pared fría igual a Tpf = 300 °F se incrementa el
espesor obtenido de aislante en 4 pulgadas. Determinar las condiciones de trabajo del nuevo revestimiento
refractario - aislante y analizar si sería factible.
Se adjuntan las características técnicas del material aislante PANELEX T-P
REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 3
P7.-Las condiciones de diseño de un determinado horno imponen que el espesor total del revestimiento
refractario ha de ser de 400 mm y que ha de estar compuesto de tres tipos de refractorio:
Pared interior:
k1 = 1.6 W/m.°C
Pared intermedia:
k2 = 0.43 W/m.°C
Pared exterior:
k3 = 0.1 W/m.°C
El horno va a trabajar a 800 °C y se desea que la temperatura de la intercara pared interior-pared intermedia sea
de 660 °C y que la de la pared fría sea de 50 °C, ¿Que espesores de pared han de elegirse de cada tipo de
refractario?. La temperatura ambiente es de 20 °C y la velocidad del viento de 10 m/s.
P8.- En un horno los gases se encuentran a 1000 ºC, (como temperatura de proyecto), y para esas
condiciones se toma una temperatura ambiente de 20 ºC (de los alrededores del horno). Se ha pensado poner
una pared compuesta, que comprendería aislante (K1 = 0.06 Kcal/h.m.C), ladrillos rojos (K2 = 0.6
Kcal/h.m.C) y refractario (K3 = 1.27 Kcal/h.m.C) en dirección ambiente-horno. Consultadas las casas
comerciales de los diferentes materiales, éstas nos lo sirven en espesores comerciales de 11 cm, y dadas las
propiedades de dichos materiales nos aconsejan:
- Los ladrillos rojos no pueden exponerse a más de 600 ºC.
- El aislante no puede someterse a más de 150 ºC
- El refractario si puede someterse a 1000 ºC.
En nuestro proyecto limitamos la temperatura exterior de la pared del horno a 40 ºC (máxima), con el fin de
que las personas no puedan sufrir quemaduras por contactos involuntarios con dicha superficie. Se pide:
(i).- Calcular las diferentes posibilidades de las distintas combinaciones de capas que cumplieran con los
requisitos establecidos. Y establecer cual de ellas da el espesor mínimo.
(ii).- ¿Cúal es la solución más económica si el refractario cuesta 3 euros/m2 los ladrillos rojos 6 euros/m2 y el
aislante 3 euros/m2 . ¿Cuánto valdrá el m2 de pared?
(iii).- Con arreglo a los criterios anteriores cual escogeríamos y cuales serían las temperaturas de los
diferentes puntos de contacto de las paredes, así como las temperaturas intermedias, y por último cual seria
el calor perdido por m2 de pared.
Se supone un coeficiente de película interior de 13 Kcal/h.m2.C y exterior de 11,55 Kcal/h.m2.C
P9.- Durante el proceso de laminado de placas de acero, es necesario recalentarlas periódicamente. Se quiere
calentar una placa de acero al carbono de 8 cm de espesor, que inicialmente se encuentra a 440 °C, hasta una
temperatura mínima de 520 °C en un horno que se mantiene a 600 °C. Si se estima que la suma de los
coeficientes de transferencia de calor por convección y por radiación es de 200 W/m2 K, ¿cuánto tiempo
durará el recalentamiento? Tomar k = 40 W/m K y a (Difusividad térmica) = 8.0 x 10-6 m2/s para el acero.
REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 4
P10.- Sea un horno como el indicado en la figura, en el que se ha introducido una pieza cilíndrica de un
material con unas propiedades físicas tal que su densidad es 7850 Kg/m3, su calor especifico 0.13
Kcal/Kg °C, y se sabe que la conductividad térmica es tal que se puede suponer en todo momento igual
la temperatura en cualquier punto del cilindro. Sabiendo que las paredes del horno se encuentran a 500
°C (coeficiente de emisividad ε = 0.7) y que el techo se comporta como una superficie rerradiante, se
pide:
(i).- Factores de forma entre las superficies.
(ii).- Si cuando se introduce la pieza (emisividad ε = 0.5) ésta se encuentra a 20 °C ¿Que calor es el
intercambiado en dicho instante?
(iii).- Con las condiciones del apartado (ii) ¿Que tiempo deberá de transcurrir para que la pieza alcance
una temperatura de 400 °C?
- Únicamente se tendrá en cuenta transferencia de calor por radiación.
- El cilindro toca físicamente tanto el suelo como el techo
P11.- Una larga barra cilíndrica de 20 cm de diámetro, calentada a 980 °C, es templada en un baño de
aceite a 40 °C en el cual el coeficiente de transmisión de calor es de 565 W/m2.C. ¿Cuánto tiempo
transcurrirá hasta que la línea central del cilindro alcance la temperatura de 260 °C? La barra es de acero
inoxidable de 18 % de Cr y 8 % de Ni.
P12.- Un cilindro de aluminio de 5 cm de diámetro y 10 cm de longitud, está inicialmente a una temperatura
uniforme de 200 °C. Se le sumerge dentro de un baño templado a 6 °C con un coeficiente de transmisión de
calor de 530 W/m2.°C. ¿Cuál es la temperatura en la línea central del cilindro a una distancia de 2.5 cm de
un extremo, después de 1 min?
REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 5
P13.- En un horno de sección rectangular (50 x 70) y gran altura se introducen tres barras cilíndricas de
10 cm de diámetro e igual altura que el horno. De acuerdo con la figura las temperaturas y
emisividades de los diferentes cuerpos son:
Se desea calcular:
(i).- Factores de visión entre todas las superficies
(ii).- Flujos netos de calor sobre las superficies 1, 2 y 3
Notas:
- El cilindro 2 se sitúa en el centro del horno
- Se supone el medio no participante
- No se tendrán en cuenta los intercambios de calor por convección.
- Distancias de la figura en cm.
P14.- (i).- Una pared de ladrillo corriente de 25 cm de espesor se encuentra inicialmente a una temperatura
de 80 °C. Sus temperaturas superficiales se han reducido bruscamente a 15° C. Calcular la temperatura del
plano, que se encuentra a 10 cm de la superficie, cuando hayan transcurrido 2 horas. ¿Qué cantidad de calor
ha salido de la pared por conducción durante este tiempo?
(ii).- Las dos superficies de pared de ladrillo del apartado anterior(25 cm de espesor y temperatura
inicial de 80° C) entran de repente en contacto con un medio que se encuentra a 15° C a través de un
coeficiente de transmisión de calor de 90 W/m2.°C.
Calcular la temperatura en un punto a 2.5 cm de la superficie, después de 10 horas. Calcular el calor
que ha salido de la pared durante este tiempo, y la temperatura media dentro de la pared después de las
10 horas.
REFRACTARIOS Y HORNOS / PROBLEMAS DISEÑO PAREDES.
HOJA 6
P15.- Una barra cilíndrica de acero de longitud 2 m y diámetro 0.2 m ( Conductividad térmica, k = 40 W/m.K,
densidad, ρ = 7854 kg/m3 y calor especifico ce = 434 J/kg.K), que inicialmente se encuentra a 400 ºC, se
sumerge de forma repentina en agua a 50 ºC para un proceso de templado. Si el coeficiente global de
transferencia de calor es de 200 W/m2 .K, se pide calcular, después de 20 minutos.
(a).- La temperatura en el eje y en la superficie de la barra ciliíndrica.
(b).- El calor transferido al agua.
R.- 183 ºC, 153.6 ºC, 2.25x108 J
P16.- Se plantea el calentamiento de redondos de acero de diámetros 100 mm y 200 mm en el interior de un
horno que se encuentra a 500 ºC. La temperatura inicial de los redondos es de 20 ºC. Se pide:
(a).- Determinar la evolución de la temperatura en el centro y en la superficie de los redondos en función del
tiempo. Comentar los resultados
(b).- Calcular el calor transferido del horno a los redondos de acero en función del tiempo.
DATOS:
Conductividad térmica, k = 50 W/m.K, densidad, ρ = 7800 kg/m3 y calor especifico ce = 500 J/kg.K,
coeficiente global de transferencia de calor = 55 W/m2 .K