Proyecto Semestral de la Carrera de Ingeniería Mecánica, Unidad Politécnica Culhuacan, Instituto Politécnico Nacional Elaboración de un Horno Eléctrico para el Secado de Rines

1. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACÁN
ACADEMIA DE INGENIERIA TERMICA
TERMODINAMICA I
PROYECTO SEMESTRAL: HORNO ELECTRICO PARA EL SECADO DE RINES
Profesor: Ing. Javier Pérez Nájera
Integrantes del equipo: Pérez Domínguez Andrés
Ramírez Hernández Valentín Adrián
Ruíz Rojas Carlos Alberto
Grupo: 4MM4 Turno: MATUTINO
PERIODO: 14/2
COYOACAN, D.F. A 29 DE MAYO DE 2014

2. Contenido
OBJETIVO............................................................................................................................................. 3
Marco Teórico ..................................................................................................................................... 4
Transferencia de Calor .................................................................................................................... 4
Hornos Eléctricos............................................................................................................................. 5
Resistencias..................................................................................................................................... 6
Material Empleado.............................................................................................................................. 7
Termostato...................................................................................................................................... 7
PTR................................................................................................................................................... 7
Placa Acero...................................................................................................................................... 8
Bisagras ........................................................................................................................................... 8
Aislante Fibra de Vidrio Owens Corning para el Sector Industrial .................................................. 9
Placa de Cartón de Asbesto........................................................................................................... 10
Varilla Corrugada G-42.................................................................................................................. 10
Resistencia Tubular Lisa ................................................................................................................ 11
Datos Técnicos Resistencia Empleada............................................................................................... 12
Armado.............................................................................................................................................. 13
Toma de Datos .................................................................................................................................. 18
Cálculos ............................................................................................................................................. 21
Pérdidas de Calor por las Paredes................................................................................................. 21
Conexión Eléctrica......................................................................................................................... 21
Calor Desprendido......................................................................................................................... 22
Velocidad de Flujo de Calor........................................................................................................... 22
Costos y Proveedores........................................................................................................................ 24
Tabla de Costos ............................................................................................................................. 24
Proveedores .................................................................................................................................. 25

3. OBJETIVO
Este proyecto tiene como objetivo el de construir un horno de resistencias eléctricas, con la idea
de hacer más fácil y mejorar la eficiencia en cuestión de tiempo, lo que es la tarea de secado de
piezas recién pintadas, principalmente de rines de vehículos convencionales para su restauración y
estética; esto con el propósito de tener patrocinadores del ramo automotriz y, por qué no
industrial, enfocándose al sector de refacciones y servicios automotrices que está creciendo con
gran auge en el país. El objetivo principal elaborar un horno, el cual es una buena inversión por
parte de nuestros patrocinadores, porque el horno está hecho de material reciclado, acero
inoxidable, retablos de madera y perfiles soldados en la caja del horno, entre otros materiales que
fungen como aislantes de calor, lo que mejora la capacidad del horno para calentar y que no se
disipe el calor al medio ambiente, además que el uso de material reciclado le confiere poco peso al
horno, y de igual mantera menor tamaño, que es útil para todo tipo de local o accesoria al no
abarca espacio y poder ser colocado en cualquier lugar, siempre y cuando se tenga una conexión
eléctrica trifásica.

4. Marco Teórico
Transferencia de Calor
Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura.
Siempre que exista una diferencia de calor en un cuerpo o entre cuerpos, debe ocurrir una
transferencia de calor. Como se muestra en la figura a continuación, tenemos varios tipos de
transferencia de calor. Cuando existe una variación de calor en un medio estacionario, ya sea un
sólido o un fluido, nos referimos a conducción. Cuando existe una variación de calor entre una
superficie y un fluido, cuando estas están a diferentes temperaturas la denominamos convección.
Cuando no existe un medio y dos superficies tienen temperaturas finitas, estas emiten energía en
forma de ondas electromagnéticas, este caso es conocido como radiación térmica.
En conclusión cuando exista un equilibrio térmico entre el ambiente o cuerpos que estén
interactuando entre sí, no existirá una transferencia de calor ya que es necesario que exista una
diferencia de temperatura.
Tipos de transferencia de calor conducción, convección y radiación.

5. Hornos Eléctricos
Los hornos industriales de resistencias son aquellos en que la energía requerida para su
calentamiento es de tipo eléctrico y procede de la resistencia óhmica directa de las piezas o de
resistencias eléctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto Joule y ceden calor a la
carga por las diversas formas de transmisión de calor.
Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones se
transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor
por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como efecto Joule
en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.
Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o
moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus
caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados
por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de
átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de
su energía cinética (velocidad) que es cedida en forma de calor. Este efecto fue definido de la
siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica,
depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula
por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".
Matemáticamente:
𝑄 = 𝐼2
∗ 𝑅 ∗ 𝑡
Donde:
Q = Energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios
I = Intensidad de la corriente que circula
R = Resistencia eléctrica del conductor
t = Tiempo
Así, la potencia disipada por efecto Joule será:
𝑃 = 𝑅𝐼2
=
𝑉2
𝑅
Donde:
V = Diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

6. Resistencias
Las resistencias son componentes eléctricos pasivos en los que la tensión instantánea aplicada es
proporcional a la intensidad de corriente que circula por ellos.
Podemos clasificarlas según sus posibilidades de uso, dos amplios grupos:
 Resistencias eléctricas para medidas.
 Resistencias eléctricas para calefacción y hornos eléctricos.
Resistencias aleadas para calefacción y hornos eléctricos.
Requisitos que deben cumplir. Para que un cuerpo pueda usarse como elemento de caldeo
o calefacción, debe tener un cierto número de cualidades y satisfacer condiciones determinadas
de orden físico, químico y económico. Estas son:
 Resistividad. Debe ser relativamente elevada para limitar la intensidad de corriente a un
valor conveniente y reducir las dimensiones del elemento.
 Coeficiente de temperatura. Ha de ser pequeño, de ser posible positivo y sensiblemente
constante en un gran intervalo de temperaturas dentro de los límites de utilización.
 Temperaturas críticas. La temperatura de reblandecimiento y desde luego el punto de
fusión, han de ser muy superiores a la temperatura máxima que debe alcanzar el cuerpo
de que se trate, en servicio normal, para evitar ser destruido por fusión o cortocircuito.
 Resistencia mecánica. Debe ser suficiente no solo a la temperatura ambiente, sino
también a la temperatura de funcionamiento. La sustancia de que se trate no debe
presentar deformación apreciable cuando se produzcan variaciones más o menos bruscas
de temperaturas. La materia empleada debe ser:
 Amagnética.
 Homogénea (siempre idéntica a si misma).
 Fácil de trabajar.
 Su estructura no debe presentar disgregación alguna a la temperatura de
funcionamiento.
 El coeficiente de dilatación debe ser muy pequeño.
 Conductividad térmica. Debe ser reducida para evitar pérdida de calor en sus extremos y
facilitar la colocación de tomas y salidas de corriente. Lo mismo se dice de su capacidad.
 Resistencia a los agentes exteriores. Debe ser lo más elevada posible sobre todo a la
oxidación que producen los gases desprendidos de los cuerpos calentados.
 Gran duración de servicio.

7. Material Empleado
Termostato
Un termostato es el componente de un sistema de control simple que abre o cierra un
circuito eléctrico en función de la temperatura.
Este nos permitirá tener una temperatura máxima y con una variabilidad mínima, pues al
sobrepasar los 300 °C (temperatura especificada) este apagara las resistencias y cuando la
temperatura descienda los 300 °C se activara haciendo que de nueve irradien calor las resistencias.
PTR
PTR 1" X 1" CAL-11 VERDE 1.83 KG X MT

8. Placa Acero
PLACA A-36 3/16" 3 X 10 (.90 X3.05) 108 KG/PZA
Bisagras

9. Aislante Fibra de Vidrio Owens Corning para el
Sector Industrial
Sistema Thermorange (TRS): El TRS es el aislamiento térmico ideal para estufas, hornos de
autolimipieza, boilers, chimeneas, incineradores, colectores solares y equipos de calefacción que
operan a temperaturas de hasta 538° C (1000°F). Espesor: 19.05mm (3/4”)

10. Placa de Cartón de Asbesto
Temperatura de Servicio de 425º C (797º F) grado comercial. Espesor: 12.7 mm (1/2”). K=.32
Varilla Corrugada G-42
VARILLA G-42 1 1/2" (8.93 KILOS X METRO LINEAL)

11. Resistencia Tubular Lisa
2200 Watts 440 Volts

12. Datos Técnicos Resistencia
Empleada
Voltaje Watts Carga W/cm^2 Kg
240 2200 4.5 .37

13. Armado
1.-Se realizaron los planos en el Software de diseño Catia V5, conforme a las especificaciones
requeridas.

14. 2.- Posteriormente se eligió el material más adecuado para el horno así como, el aislante que se
ocuparía para las paredes. También se realizó el diagrama de conexión eléctrico de las resistencias
con el termostato.
3.- Por medio de tablas de fabricante de Resistencias eléctricas y calculos, se determinó cual se
ocuparía para este proyecto.
4.- Las Soldaduras de los PTR fueron a 90° formando un cubo prismático.

15. 5.- Se usaron un par de ángulos para el entrepaño.
6.- Se soldaron las placas de acero y se pulieron para no dejar puntas o soldaduras cortantes.

16. 7.- Se coloca la placa de asbesto y posterior a ella, el aislante de Fibra de Vidrio.

17. 8.- Finalmente se colocan las resistencias en ambas paredes del Horno, realizando un ligero corte a
la fibra de vidrio para poder colocar las resistencias.

18. Toma de Datos
Datos Iniciales:
T0 Resistencia = 18 °C T0 InteriordelHorno = 23 °C TExterior = 24° C
Tiempo
(minutos)
Temperatura (°C)
Interna
Temperatura (°C)
Externa
Q (KCal) Pp (perdidas de calor)
[° C]
1 23 20 63.326 .0064
2 23 21 126.652 .0043
3 26 22 189.978 .0086
4 30 22 253.304 .017
5 36 24 316.630 .025
6 44 24 379.956 .043
7 51 25 443.282 .056
8 58 27 506.608 .066
9 64 28 569.934 .077
10 71 30 633.260 .088
11 76 32 696.587 .095
12 78 34 759.913 .095
13 80 34 823.239 .099
14 85 35 886.565 .107
15 90 37 949.891 .114
16 94 38 1013.217 .1209
17 99 39 1076.543 .129
18 104 40 1139.869 .138

19. 0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Temperatura[°C]
Tiempo [minutos]
Temperatura Interior y Superficie vs Tiempo
Tint. Text.
0
200
400
600
800
1000
1200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
CalorDesarrollado[KJ]
Tiempo [minutos]
Calor Desarrollado vs Tiempo
Calor

20. 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
CalorDisipado[KJ]
Tiempo [minutos]
Calor Disipado en las Paredes vs Tiempo
Calor
TSuperficial 40 °C
T = 30 °C
d= 100 mm
d= 100 mm
T = 30 °C
TSuperficial 36 °C

21. Cálculos
Pérdidas de Calor por las Paredes
Las pérdidas de Calor (Pp) a través de las paredes planas, depende fundamentalmente de las
características del aislamiento de los materiales empleados, mientras que la transmisión de calor
se realiza por conducción, a través de la pared, y por convección y radiación del exterior del horno
al ambiente. Aplicando la siguiente ecuación para su cálculo:
𝑞 =
𝑇1 − 𝑇3
𝑥1
𝑘1
+
𝑥2
𝑘2
Donde:
T1= Temperatura interior del Horno
T3= Temperatura exterior del Horno
k1, k2= Conductividad térmica del material
x1, x2= Espesor de la capa de aislamiento
Conexión Eléctrica
Fuente eléctrica trifásica. La potencia de la resistencia está dada por:
𝑃𝑇 = √3 ∗ 𝑉𝐿 ∗ 𝐼𝐿 ∗ cos∅
Donde:
PT= Potencia Total
VL= Voltaje de Línea
IL= Intensidad de Línea
Cos Φ = Factor de Potencia
La conexión de las resistencias es en delta, por lo que el fp= 1
VL=VF IL= √3 * IF PF=VL*IF PT=√3 * IL * IF PT= 3 * PF

22. Para nuestra Resistencia
𝑃𝐹 =
𝑃𝑇
3
=
2200
3
= 733.3 𝑊 𝐼𝐹 =
𝑃𝐹
𝑉𝐿
=
733.33
240
= 3.055 𝐴
𝐼𝐿 = √3 ∗ 𝐼𝐹 = √3 ∗ 3.055 𝐴 = 5.29 𝐴 𝑃𝑇 = 3𝑅𝑒𝑞 ∗ 𝐼𝐹2
𝑅𝑒𝑞 =
𝑃𝑇
3𝐼𝐹^2
=
2200
3 ∗ 3.055 ^2
= 78.574 𝛺
𝑅 = 2𝑅𝑒𝑞 𝑅 = 2 ∗ 78.574 = 157.148 𝛺
Calor Desprendido
𝑄 = 0.24 𝐼2
∗ 𝑅 ∗ 𝑡
Donde:
Q= Calor Desprendido (Calorias)
I= Intensidad de Corriente (Amp)
R= Resistencia eléctrica (ohms)
t= Tiempo en segundos
Velocidad de Flujo de Calor
2 Resistencias en total en el horno
38.1 x37.5 cm con R= 18mm, D= 30 mm
Resistencias de acero al carbono recocido con curvado especial (CER) con diámetro de 10 mm.
Temperatura máxima registrada= 265°C
Carga (velocidad de flujo de calor)=4.87 W/m2
𝐾 = 𝑞
L
Δ𝑇
Donde:
k= Velocidad de flujo de calor (W/m2
)
L= grosor de la resitencia (m)
T= Temperatura (k)

23. Por lo tanto…
K= 48 700
10𝑥10−3
538
K= 905204.461
𝑊
𝑚.𝐾
Pasándolo a centímetros…
K= 9052.044
𝑊
𝑚.𝐾
Conductancia térmica: Es la inversa de la resistencia, por lo tanto se puede decir que…
𝐶 =
q
Δ𝑇
O bien…
0.011-1
= 90.52
𝑊
𝑚2 𝑘

24. Costos y Proveedores
Tabla de Costos
Material Costo por Pieza Cantidad Empleada Costo Total
Termostato Robert
Shaw B-10 (50-310 °C)
$788 1 $788.00
PTR 1" X 1" CAL-11
VERDE 1.83 KG X MT
$17 X KG 11.2728 Kg
(6.16 mts)
$191.63
PTR 1" X 1" CAL-11
Reciclado
$0 13.4688 Kg
(7.36 mts)
$0
Placa Acero a-36
Reciclado
$0 .68 mts^2 $0
PLACA A-36 3/16" 3 X
10 (.90 X3.05) 108
KG/PZA
$14 x Kg
32,59Kg
(0.83 mts^2) $456.26
BISAGRA ALARGADA 2
1/2" LATON BRILLANTE
(LBA25LB) LOCK
$5 x Pza 2 $10
Aislante Fibra de Vidrio
Owens Corning TRS-20
$93 x mt^2 1.51 mts^2 $140.43
Placa de Cartón de
Asbesto
$0 .7503 mts^2 $0
VARILLA G-42 1 1/2"
(8.93 KILOS X METRO
LINEAL)
$0 1.23 mts $0
Resitencia Tubular $320 2 $640

25. Proveedores
Productos Industriales Silva Rocha, S.A. de C.V.
Mesones 42 Loc. 15, Centro, México, Distrito Federal
http://www.productos-industriales-sr.com/asbestos/millboard/
Distribuidora Termica Acustica del Centro S.A de C.V
Norte 80 No. 4313 Col. Malinche
07899 Gustavo A. Madero, México, D.F.
http://www.dtamexico.com/
Materiales Tucan S.A. de C.V.
KM 22.5 CARRETERA MEXICO TEXCOCO
Col. LA MAGDALENA ATLICPAC C.P. 56525
LOS REYES, LA PAZ, EDO. DE MEXICO
http://www.matusa.com.mx/
Provedora Térmica S.A. de C.V.
LAGUNA DE TAMIAHUA # 61 COL. ANAHUAC
DEL. MIGUEL HIDALGO MÉXICO D.F. CP 11320
http://proveedoratermica.com/index.php
Ventas en Línea
http://www.chromalox.mx/about.php