HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE ...

HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE EMISIONES E INCREMENTO DE RENTABILIDAD

Gustavo Guerrero Gómez

Universidad de Santander - UDES Facultad de Ingenierías

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados Bucaramanga

2017

2

HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE EMISIONES E INCREMENTO DE RENTABILIDAD

Gustavo Guerrero Gómez

Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

Director: MPE Wilson Giraldo Picón

Universidad de Santander - UDES Facultad de Ingenierías

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados Bucaramanga

2017

4

AGRADECIMIENTOS El autor del proyecto expresa su agradecimiento a: La Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña por su valioso apoyo en la financiación de este proyecto hasta su culminación. Wilson Giraldo Picón, Ingeniero Electricista y director del proyecto, por su valiosa asesoría para llevar a cabo este proyecto. A los jurados, por su colaboración en la revisión del proyecto. A todas aquellas personas que de una u otra forma siempre estuvieron apoyándome para cumplir con este logro alcanzado.

5

Tabla de Contenido

1. GENERALIDADES DEL PROYECTO……………………….……24

1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA…………………………………....24

1.2 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA…………………………...…24

1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA………………………………..26

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA…………………………………26

1.5 OBJETIVOS…………………………………………………….…....27

1.5.1. Objetivo General………………………………………………….27

1.5.2. Objetivos Específicos..…………………………..……………....27

2. MARCO REFERENCIAL…………………………………………...29

2.1 MARCO HISTÓRICO……………………………………………….29

2.2 MARCO CONCEPTUAL ............................................................ 30

2.2.1. Descripción del proceso productivo. ...................................... 30

2.2.2. Producción de materiales cerámicos. .................................... 30

2.2.3. Etapa de cocción. .................................................................. 30

2.2.3.1. Caldeo. ................................................................................ 31

2.2.3.2. Precocido. ........................................................................... 31

2.2.4. Etapa de cocción ................................................................... 31

2.2.4.1. Etapa de vitrificación. .......................................................... 31

2.2.4.2. Etapa de enfriamiento ......................................................... 32

2.2.5. Control de calidad del producto cocido. ................................. 32

2.2.5.1. Absorción de agua o densidad del producto ....................... 33

2.2.5.2. Resistencia mecánica. ........................................................ 34

6

2.2.6. Combustión. ........................................................................... 35

2.2.6.1. Aire estequiométrico o teórico. ............................................ 36

2.2.6.2. Exceso de aire .................................................................... 37

2.2.6.3. Eficiencia de la combustión. ................................................ 37

2.2.6.4. Eficiencia del horno ............................................................. 38

2.2.7. Normativa ambiental en Colombia. ........................................ 38

2.2.7.1. Estándares de emisión ........................................................ 38

2.2.7.2. Temperatura de los gases. ................................................. 39

2.2.7.3. Características de las mediciones directas en hornos. ....... 39

2.2.8. Métodos de evaluación de emisiones atmosféricas. .............. 39

2.2.8.1. Medición directa. ................................................................. 40

2.2.8.2. Métodos empleados para la medición directa. .................... 40

2.2.8.3. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de

medición. ......................................................................................... 41

2.3 ESTADO ACTUAL ..................................................................... 41

2.4 MARCO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO.................................. 46

2.5 DISEÑO METODOLÓGICO ....................................................... 47

2.5.1. Descripción de las ladrilleras seleccionadas. ......................... 47

2.5.1.1. Descripción ladrillera el recreo 2. ........................................ 48

2.5.1.1.1. Proceso de producción. ................................................... 49

2.5.1.2. Descripción ladrillera Ocaña ............................................. 52

2.5.2. Diseño, programación e instalación del sistema de adquisición

de temperaturas. Por medio de ........................................................ 57

2.5.3 Montaje de los instrumentos de medición. .............................. 60

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS……………………………………….64

7

3.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial ............................................ 65

3.1.2 Ensayo Inmersión durante 24 horas ....................................... 77

3.1.3 Ensayo resistencia a la compresión ........................................ 90

3.1.4 Ensayo módulo de rotura o flexión ........................................ 104

3.2. VALIDACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL EN LOS HORNOS

SELECCIONADOS. ....................................................................... 126

3.3. EVALUACIÓN ENERGÉTICA EN LOS HORNOS DE LA

LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCANA ........... 128

3.3.1. Calor de entrada. ................................................................. 129

3.3.2. Acumulación de calor en mampostería ................................ 130

3.3.3. Calor por carga del material a cocer. ................................... 148

3.3.4. Calor para sacar la humedad del material. .......................... 155

3.3.5. Calor necesario para la descomposición química de la

arcilla. ............................................................................................ 158

3.3.6. Calor por humedad del carbón. ............................................ 161

3.3.7. Calor por agua formada en la combustión. .......................... 164

3.3.8. Calor por humedad del aire. ................................................. 168

3.3.9. Calor por inquemados. ......................................................... 175

3.3.10. Pérdida de calor por las paredes. ...................................... 177

3.3.11. Calor por humos ................................................................ 187

3.3.12. Pérdidas intangibles ........................................................... 192

3.3.13. Rendimiento del horno. ...................................................... 193

3.4. REQUERIMIENTOS ENERGÉTICOS Y DE AIRE NECESARIO

PARA LA COMBUSTIÓN .............................................................. 194

8

3.4.1. Requerimientos energéticos y de aire necesario para la

combustión..................................................................................... 195

3.5. PROCEDIMIENTOS DE MEDICIÓN DE EMISIONES

ATMOSFÉRICAS ........................................................................... 207

3.5.1. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de

medición. ....................................................................................... 207

3.5.2. Medición de emisiones de gases en los hornos ................. 208

3.5.3.Corrección a condiciones de referencia ................................ 215

3.5.4. Exceso de aire ..................................................................... 217

3.5.5. Eficiencia de la combustión .................................................. 218

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………………..223

4.1. ANÁLISIS EN ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA Y BLOQUES DE ARCILLA………………………………...224 4.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial……………………………...223

4.1.2. Ensayo inmersión durante 24 horas. ................................... 223

4.2. ANALOGÍA CURVAS DE COCCION EN EL PROCESO ........ 268

4.3. ANÁLISIS DE LA ENERGÍA EN LOS HORNOS DE LA

LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCAÑA ........... 275

4.4. ANÁLISIS GASES EMITIDOS POR LAS LADRILLERAS....... 291

4.4.1. Corrección a condiciones de referencia ............................... 295

4.4.2. Análisis exceso de aire y eficiencia de la combustión. ......... 296

5. CONCLUSIONES …………………………………………………..301

6. RECOMENDACIONES …………………………………………….317

7. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………...321

8. ANEXOS……………………………………………………………..325

9

Listado de tablas

Pág.

Tabla 1. Resistencia a la compresión de diferentes unidades de

mampostería. ....................................................................................... 34

Tabla 2. Estándares de emisión admisibles de contaminantes al aire para

las industrias de fabricación de productos de cerámica ....................... 38

Tabla 3. Métodos empleados para evaluación de mediciones de

emisiones de contaminantes ............................................................... 40

Tabla 4. Inventario de las empresas de dedicadas a la explotación y

transformación de arcilla en el municipio Ocaña.................................. 42

Tabla 5. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos ....... 70

Tabla 6. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques ....... 76

Tabla 7. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos ............... 80

Tabla 8. Resultados ensayo inmersión 24 horas en tejas .................... 87

Tabla 9. Resultados ensayo inmersión 24 horas en bloques ............... 88

Tabla 10. Resistencia a la compresión en ladrillos .............................. 94

Tabla 11. Resistencia a la compresión en bloques ............................ 102

Tabla 12. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos 108

Tabla 13. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos 115

Tabla 14. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques 122

Tabla 15. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques 124

Tabla 16. Temperatura media de la pared y el piso del horno ........... 132

Tabla 17. Temperatura media de los puntos de medición ................. 139

Tabla 18. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno ..... 151

Tabla 19. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno ..... 154

Tabla 20. Composición química del carbón del Norte de Santander . 166

Tabla 21.Numero de moles constituyentes del carbón en el horno de la

ladrillera el recreo 2 y la ladrillera Ocaña ........................................... 207

Tabla 22.Coeficientes de balanceo en el horno de la ladrillera el recreo 2

y la ladrillera Ocaña ........................................................................... 207

10

Tabla 23.Emisiones de gases en la ladrillera Ocaña ......................... 211

Tabla 24.Emisiones de gases en la ladrillera el recreo 2 ................... 213

Tabla 25.Coeficientes de regresión lineal múltiple entre la variable

dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa

de absorción inicial. ........................................................................... 225

Tabla 26.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple entre la

variable dependiente resistencia a la compresión y la variable

independiente tasa de absorción inicial. ............................................ 226

Tabla 27.Análisis de varianza con carencia de ajuste entre la variable



Tabla 28.Comparación de modelos alternos entre la variable



Tabla 29.Coeficientes de regresión inversa-cuadrada a la variable



Tabla 30.Análisis de varianza de regresión inversa-cuadrada a la

variable dependiente resistencia a la compresión y la variable


Tabla 31.Análisis de varianza con carencia de ajuste al modelo inversa-

cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la

variable independiente tasa de absorción inicial. ............................... 234


dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de

absorción inicial. ................................................................................ 234


variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa


Tabla 34.Análisis de varianza con carencia de ajuste a la variable



11

Tabla 35.Comparación de modelos alternos a la variable dependiente

módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

........................................................................................................... 238

Tabla 36.Coeficientes regresión cuadrada-inversa a la variable



Tabla 37.Análisis de varianza de regresión cuadrada-inversa a la

variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa



dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa



variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable


Tabla 40.Análisis de varianza con carencia de ajuste a la variable



Tabla 41.Comparación de modelos alternos entre la variable



Tabla 42.Coeficientes de regresión cuadrado doble entre la variable



Tabla 43.Análisis de varianza de regresión cuadrado doble a la variable



Tabla 44.Coeficientes regresión lineal múltiple entre la variable


de absorción inicial y resistencia a la compresión. ............................ 250

12

Tabla 45.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple a la variable


de absorción inicial y resistencia a la compresión. ............................ 250

Tabla 46.Matriz de Correlación para las estimaciones de los coeficientes

a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable

independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

........................................................................................................... 252

Tabla 47.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante

24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y

resistencia a la compresión. .............................................................. 253

Tabla 48.Puntos influyentes a la variable dependiente inmersión durante

24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y

resistencia a la compresión. .............................................................. 254


dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente

módulo de rotura y resistencia a la compresión. ................................ 255


dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente

módulo de rotura y resistencia a la compresión. ................................ 256

Tabla 51.Matriz de correlación para las estimaciones de los coeficientes

a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable

independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión. ........ 257

Tabla 52.Puntos influyentes a la variable dependiente inmersión durante

24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la

compresión. ....................................................................................... 258



de absorción inicial e inmersión durante 24 horas. ............................ 259



de absorción inicial e inmersión durante 24 horas. ............................ 260

13

Tabla 55.Puntos influyentes entre la variable dependiente resistencia a

la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e

inmersión durante 24 horas ............................................................... 262



de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura. 263



de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura. 264

Tabla 58.Matriz de Correlación para las estimaciones de los coeficientes

entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable

independientes tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y

módulo de rotura ................................................................................ 265

Tabla 59.Puntos influyentes entre la variable dependiente resistencia a

la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial,

inmersión durante 24 horas y módulo de rotura ................................ 266

Tabla 60. Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ............ 275

Tabla 61.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña .................... 276

Tabla 62. Acumulación de calor en mampostería de los productos de la

ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................. 281

Tabla 63. Calor por carga del material a cocer de los productos de la


Tabla 64. Calor para sacar la humedad del material a cocer de los

productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña .................................... 283

Tabla 65. Calor necesario para la descomposición química de la arcilla

de los productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ......................... 284

Tabla 66. Otros calores presentes en el proceso de cocción en la


Tabla 67. Perdida de calor en las paredes y techo en el horno de la


Tabla 68.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña 287

14

Tabla 69.Caracterización de los gases de la chimenea por análisis de

combustión en las ladrilleras .............................................................. 291

Tabla 70. Oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las

ladrilleras ........................................................................................... 295

Tabla 71.Exceso de aire y eficiencia de la combustión en los hornos de

ladrilleras ........................................................................................... 297

Tabla 72.Comparativo objetivos y productos…………………………..312

15

Listado de Figuras

Pág.

Figura 1. Horno ladrillera el recreo 2 .................................................... 49 Figura 2. Preparación de la arcilla ....................................................... 49 Figura 3. Moldeo del ladrillo ................................................................. 50 Figura 4. Secado de los ladrillos .......................................................... 50 Figura 5. Cargue del ladrillo y combustible .......................................... 51 Figura 6. Sellado de la puerta de cargue y descargue de productos ... 51 Figura 7. Esquema horno Hoffman ...................................................... 52 Figura 8. Banda transportadora ........................................................... 53 Figura 9. Desterronador ....................................................................... 53 Figura 10. Amasadora ......................................................................... 54 Figura 11. Cortadora automática ......................................................... 55 Figura 12. Configuración apile de bloques ........................................... 55 Figura 13. Puerta de cargue y descargue de bloques ......................... 56 Figura 14. Orificios de inyección de combustible en el horno Hoffman 57 Figura 15. Ubicación equipos de monitoreo ........................................ 58 Figura 16. Pantalla de bienvenida ........................................................ 59 Figura 17. Pantalla de testeo del sistema embebido ........................... 59 Figura 18. Monitor de temperaturas del instrumento virtual de la adquisición en la ladrillera el recreo 2 .................................................. 60 Figura 19. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera el recreo 2 ............................................................................. 62 Figura 20. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña .................................................................................... 63 Figura 21. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña .................................................................................... 63 Figura 22. Ensayo tasa de absorción inicial en unidades de mampostería ............................................................................................................. 66 Figura 23. Medición de las muestras seleccionadas ............................ 66 Figura 24. Determinación de la masa seca de las muestras ............... 67 Figura 25. Nivelación de la bandeja metálica ensayo tasa de absorción inicial .................................................................................................... 67

16

Figura 26. Ubicación soportes metálicos ensayo tasa de absorción inicial ............................................................................................................. 68 Figura 27. Absorción de agua en la muestra durante 60 segundos ..... 68 Figura 28. Determinación masa de las muestras después de 60 segundos de inmersión ........................................................................ 69 Figura 29. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos .... 75 Figura 30.Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques ..... 77 Figura 31. Determinación masa seca de la muestra ............................ 78 Figura 32. Inmersión de la muestra durante 24 horas ......................... 78 Figura 33. Determinación de la masa sumergida de la muestra ......... 79 Figura 34. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos ............ 87 Figura 35. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en tejas de la ladrillera las violetas ............................................................................. 88 Figura 36. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en bloques de la ladrillera Ocaña ................................................................................ 89 Figura 37. Proceso de secado de las muestras en el horno mufla ...... 91 Figura 38. Cámara de enfriamiento de las muestras ........................... 92 Figura 39. Refrentado de las muestras ................................................ 92 Figura 40. Máquina universal PV 100-60 ............................................. 93 Figura 41. Ensayo resistencia a la compresión ................................... 93 Figura 42. Resistencia a la compresión en ladrillos ........................... 102 Figura 43. Resistencia a la compresión en bloques ........................... 104 Figura 44. Ubicación de soportes para realización ensayo módulo de rotura ................................................................................................. 106 Figura 45. Montaje ensayo módulo de rotura o flexión ...................... 106 Figura 46. Falla muestra ensayo de rotura o flexión .......................... 107 Figura 47. Diagrama de cuerpo libre para la deducción de la fórmula del módulo de rotura ................................................................................ 107 Figura 48. Módulo de rotura o flexión en ladrillos .............................. 122 Figura 49. Módulo de rotura o flexión en bloques de la ladrillera Ocaña ................................................................................................ 125 Figura 50. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera el recreo 2 ......................................................................................................... 127 Figura 51. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera Ocaña ................................................................................................ 128 Figura 52.Puerta de cargue y descargue de productos ..................... 133

17

Figura 53.Dimensiones del horno ...................................................... 134 Figura 54.Cámaras de combustión en el horno ................................. 139 Figura 55.Dimensiones sección transversal del horno Hoffman ........ 140 Figura 56.Dimensiones puerta de cargue y descargue de productos en el horno Hoffman ............................................................................... 141 Figura 57.Ubicación de orificios de inyección de combustible entre apiles de productos ...................................................................................... 142 Figura 58.Sección transversal cámaras de combustión, agujeros de inyección y apiles de productos ......................................................... 142 Figura 59.Chimenea horno Hoffman .................................................. 208 Figura 60.Medición de emisiones en ductos o niples en la ladrillera Ocaña ................................................................................................ 209 Figura 61.Medición de emisiones en la ladrillera el recreo 2 ............. 209 Figura 62.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. ................................................................................................. 227 Figura 63. Residuos entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. ..... 228 Figura 64.Modelo ajustado inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. ................................................................................................. 232 Figura 65.Residuos al modelo ajustado inverso-cuadrado entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. ............................................ 233 Figura 66.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. ......... 236 Figura 67.Residuos entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. ............................... 236 Figura 68.Modelo ajustado cuadrada- inversa al variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. ................................................................................................. 241 Figura 69.Residuos al modelo ajustado cuadrada- inversa entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. ........................................................................... 241

18

Figura 70.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial .................................................................................................. 244 Figura 71.Residuos entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial ............... 244 Figura 72.Modelo ajustado cuadrado doble a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial. ................................................................................................. 249 Figura 73.Residuos al modelo ajustado cuadrado doble a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial. ........................................................................... 249 Figura 74.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión. .............................................................. 254 Figura 75.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión. ....................................................................................... 258 Figura 76.Residuos Atípicos a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas ............................................................... 262 Figura 77.Residuos Atípicos a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura ................................ 267 Figura 78.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera el recreo 2 .............................................................................................. 268 Figura 79.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera Ocaña ................................................................................................ 269 Figura 80.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................................... 269 Figura 81.Temperatura del piso interior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................................... 272 Figura 82.Temperatura del piso exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................................... 272 Figura 83.Temperatura de la pared interior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................................... 273

19

Figura 84.Temperatura de la pared exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................................... 274 Figura 85. Temperatura de los gases de combustión en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ............................................................. 275 Figura 86. Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ........... 277 Figura 87.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña ................... 278 Figura 88.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ............ 279 Figura 89.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña ................... 280 Figura 90.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ................................................................................................ 288 Figura 91.Concentración de oxígeno emitido .................................... 292 Figura 92.Concentración de monóxido de carbono emitido ............... 293 Figura 93.Concentración de dióxido de carbono emitido ................... 293 Figura 94.Concentración de nitrógeno emitido .................................. 294 Figura 95.Concentración de óxido de nitrógeno emitido en partes por millón ................................................................................................. 294 Figura 96.Corrección de oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las ladrilleras ................................................................................. 295 Figura 97.Exceso de aire en hornos seleccionados ........................... 297 Figura 98. Eficiencia de la combustión en hornos seleccionados ...... 298 Figura 99. Adecuaciones a los hornos a cielo abierto ........................ 299 Figura 100. Recirculación gases producto de la combustión ............. 299

20

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos... 326 Anexo 2. Resultados ensayo inmersión durante 24 horas…………. 344 Anexo 3. Resultados ensayo resistencia a la compresión…………. 364 Anexo 4. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión…………… 448 Anexo 5. Resultados datos de adquisición en la ladrillera el recreo 2…………………………………………………………………………….542 Anexo 6. Resultados datos de adquisición en la ladrillera Ocaña…..571 Anexo 7. Calor por humedad del carbón……………………………….598 Anexo 8. Calor por agua formada en la combustión…………………603 Anexo 9. Calor por humedad del aire…………………………………..609 Anexo 10. Pérdida de calor por las paredes…………………………..613 Anexo 11. Calor por humos…………………………………………….620 Anexo 12. Emisiones de gases en las ladrilleras……………………..625

21

RESUMEN

Título: Hornos de combustión: alternativas de reducción de emisiones e incremento de rentabilidad Autor: Gustavo Guerrero Gómez Palabras clave: Hornos, Temperatura, Balance de energía, Emisiones, Rentabilidad

Descripción La propuesta de este trabajo de grado inicia identificando las empresas ladrilleras dedicadas a la producción de materiales cerámicos en el municipio de Ocaña, detectando la problemática que vive el sector en lo que respecta a la baja calidad de sus productos, el aumento en el consumo de combustible y de emisiones de gases contaminantes a la atmósfera. Para ello se realizó una serie de ensayos de laboratorio a unas muestras seleccionadas de las ladrilleras para determinar las propiedades físicas y mecánicas de los productos de acuerdo a la norma técnica Colombiana NTC 4205 ,además se realizó la adquisición de datos de temperaturas en el proceso de cocción y enfriamiento a una ladrillera artesanal tipo cielo abierto y a una ladrillera industrial tipo Hoffman para determinar la evaluación termodinámica del proceso de combustión en los hornos seleccionados y se evaluó el requerimiento de aire necesario para la combustión completa en los hornos. También se procedió a la medición de las emisiones productos de la combustión en los hornos, finalmente se hace un análisis del cumplimiento de los requisitos establecidos en la norma técnica Colombiana NTC 4205 y la normativa ambiental vigente para emisión por fuentes fijas en las ladrilleras a los hornos en mención y de acuerdo a esto se plantearon algunas mejoras en los procesos de producción de cerámicos.

22

Abstract

Títle: Combustion brick ovens: alternatives of emission reduction and increase of profitability Author: Gustavo Guerrero Gómez Keywords: brick ovens, temperature, emissions, energy balance, profitability.

Description

The proposal of this degree work begins identifying the brick companies dedicated to the production of ceramic materials in the municipality of Ocaña, detecting the problems that the sector is experiencing with regard to the low quality of its products, the increase in the consumption of Fuel and emissions of pollutant gases into the atmosphere. A series of laboratory tests were carried out on selected samples from the brick factories to determine the physical and mechanical properties of the products in accordance with the Colombian technical standard NTC 4205. Performed the acquisition of temperature data in the cooking and cooling process to an open skillet brickwork and a Hoffman industrial brick to determine the thermodynamic evaluation of the combustion process in the selected brick ovens and evaluated the required air requirement for the complete combustion in the brick ovens. The measurement of emissions of combustion products in the brick ovens, finally an analysis is made of compliance with the requirements established in the Colombian technical standard NTC 4205 and the current environmental regulations for emission by fixed sources in the brick kilns to the brick ovens mentioned and according to this, some improvements were made in the ceramic production processes.

23

INTRODUCCIÓN

En el municipio de Ocaña departamento de Norte de Santander se ha desarrollado una industria cerámica importante en producción, pero muy empírica desde el punto de vista tecnológico. Actualmente, la gran mayoría de las ladrilleras realizan un trabajo completamente artesanal. Se estima que la industria cerámica genera una cantidad significativa de empleos directos y una capacidad significativa de 1.027.600 productos tales como ladrillo, bloque y tejas. Sin embargo, a pesar de los volúmenes de producción, su nivel tecnológico es limitado y encuentra, en este aspecto, su peor enemigo. La falta de controles en los procesos de combustión, los altos índices de emisiones, la no generación de nuevos productos y en general la falta de tecnología que mejore sus procesos de producción, tienen a la industria cerámica de la región en una gran crisis. La competencia se torna compleja y los organismos de gobierno exigen con mayor rigor el cumplimento de normativas en cuanto a la emisión de material particulado al ambiente. La propuesta de este trabajo de grado inicia identificando el problema que viven las industrias cerámicas del municipio de Ocaña. En el capítulo 2 se identificaron las empresas ladrilleras dedicadas a la producción de materiales cerámicos en el municipio de Ocaña y se realizó una descripción de la línea de producción en las ladrilleras seleccionadas, en el capítulo 3 se determinaron de las propiedades físicas y mecánicas de los productos, se realizó una adquisición de datos de temperaturas en el proceso de cocción y enfriamiento , se determinó la energía necesaria para el proceso de cocción, se evaluó el requerimiento de aire para la combustión, se realizó la medición de las emisiones productos de la combustión y se plantearon algunas mejoras en los procesos de producción de cerámicos y en el capítulo 4 se hace un análisis de resultados de los aspectos en mención en el capítulo anterior.

24

1. GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA El sector cerámico en Colombia no cuenta con tecnificación en sus procesos de producción, conduciendo a que su proceso de combustión sea deficiente y genere problemas ambientales y de salud por sus emisiones contaminantes, así como ocasionando costos innecesarios para las empresas. Un inadecuado proceso de combustión requiere la utilización de mayores cantidades de combustibles y expone a las empresas al pago de multas al no acatar las normas ambientales vigentes. En la actualidad, la industria de la arcilla del municipio de Ocaña debe cumplir con las exigencias de ley establecidas por las entidades ambientales, las cuales vienen creando y aplicando medidas más estrictas en lo referente al control de las emisiones atmosféricas emitidas desde sus procesos, como por ejemplo lo estipulado en la resolución 909 del 5 de junio de 2008 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial y el protocolo para el control y vigilancia de la contaminación atmosférica generada por fuentes fijas de octubre de 2010, por mencionar algunas de interés. 1.2 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA. En el municipio de Ocaña, se encuentran gran cantidad de empresas pertenecientes a la industria de la arcilla, las cuales, en su gran mayoría desarrolla los procesos productivos de forma artesanal, por su bajo costo de construcción y mantenimiento y régimen de operación intermitente, excepto la ladrillera Ocaña que ha tecnificado sus procesos y su régimen de operación es continuo. Las pequeñas ladrilleras poseen hornos de fuego dormido a cielo abierto, estos son hornos artesanales construidos en forma circular, generando una especie de bóveda circular abierta. Se construyen de cámaras individuales o en batería, en los que el cargue de los productos y el

25

enfriamiento quedan en posición fija durante la totalidad del proceso, poseen una puerta lateral por donde se carga el material. Estos hornos se cargan con una capa de carbón, posteriormente una de ladrillos y consecutivamente una de carbón y otra de ladrillos y así sucesivamente hasta que se alcanza el tope del horno. Una vez se ha terminado el cargue de productos se enciende el horno. La cocción dura aproximadamente entre 3 y 30 días y la producción de ladrillos es de 3.000 a 20.000 ladrillos por hornada. Estos hornos no poseen controles ni de temperatura, ni de aire y mucho menos combustible. Son de baja producción y baja eficiencia, la cual está afectada por grandes pérdidas de calor en su operación. Son hornos de elevada contaminación debido a una quema no homogénea y a una combustión incompleta. El material producido es de baja calidad, pues algunos ladrillos se pasan de horneo por lo que quedan requemados, mientras otros no alcanzan el punto de cocción y en consecuencia quedan crudos. Por otra parte la ladrillera Ocaña posee un horno Hoffman de tipo continuo y alta producción, que consiste de 2 galerías paralelas formadas por compartimientos contiguos y cuyos extremos se unen por una pasa fuegos. Cada galería está formada por varias cámaras; cada una de ella con su respectiva puerta para el cargue y descargue del horno y un canal de salida que va al colector principal que conduce a la chimenea. Cada cámara comunica con el colector por un conducto de humos, los cuales se cierran herméticamente con válvulas. Para mantener la circulación horizontal de los gases a través de las cámaras, es preciso que la carga deje libre 1/3 de la sección transversal. La alimentación del combustible se realiza en la parte superior del horno, mediante alimentación manual o con la ayuda de dos Carbojet. La alimentación debe realizarse en forma dispersa, evitando chorros que provoquen combustión incompleta. Su funcionamiento es muy sencillo: el encendido se inicia en la primera cámara haciendo pasar el calor residual de los gases de combustión a las siguientes cámaras para precalentar y completar el secado de los productos cargados. Cuando la primera cámara ha alcanzado la temperatura de cocción, la segunda cámara estará entre los 300°C a 400°C. Para cuando esto suceda se

26

inicia la combustión en la segunda cámara y la tercera cámara aprovechará el calor residual de la segunda cámara y así sucesivamente hasta completar la serie, cabe indicar que cada cámara tiene su compuerta para la combustión. Estos hornos poseen alta eficiencia térmica y de producción, puesto que reducen enormemente el tiempo de operación, así como también los costos de operación. 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. Ya planteado el problema surgió la iniciativa de proponer el siguiente interrogante: ¿Es el proceso de fabricación de materiales cerámicos en el municipio de Ocaña productivo y eficiente, al punto que cumpla con los estándares de calidad y garantice las propiedades físicas y mecánicas de los productos? 1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.

En el municipio de Ocaña desde hace mucho tiempo el proceso de cocción de productos derivados de la arcilla se lleva a cabo en hornos a cielo abierto, construidos de ladrillo común y con mano de obra poco calificada en su fabricación, ocasionando que los gases productos de la combustión salgan directamente al ambiente. Gran cantidad de éstos hornos utilizan como combustible el carbón mineral sin procesar y la alimentación del mismo, en la mayoría de los casos se hace en forma manual. El funcionamiento de estos hornos no es el óptimo debido a factores como: el proceso de combustión dentro de éste, la forma de operación y el diseño del horno. Por esto, es importante que se realicen estudios que permitan conocer y entender el funcionamiento del proceso de cocción en el horno.

27

A través de ensayos de laboratorio como: la tasa de absorción inicial, la inmersión durante 24 horas, la resistencia a la compresión y un módulo de rotura o flexión, se determinará la calidad de los productos al verificar las propiedades físicas y mecánicas, y con el balance de energía se podrá identificar el funcionamiento del horno. De esta manera, los resultados obtenidos servirán como soporte de investigación en la región y permitirá dar algunas recomendaciones que mejoren la combustión y distribución térmica de los mismos, mientras que con los análisis de gases producto de la combustión, se podrá verificar si cumplen con los valores permitidos según la Resolución 909 del 5 de junio de 2008 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. Algunos de estos tejares se ubican en áreas cercanas a las zonas urbanas, lo que ocasiona problemas de salud, de convivencia y afectación al paisaje. Con una mejor combustión, se disminuirá la emisión de gases contaminantes al medio ambiente y mejorará la calidad de vida de las comunidades aledañas y el aspecto de la zona. Con este proyecto se pretende contribuir al mejoramiento de la industria alfarera en el municipio de Ocaña. Esta propuesta contribuye a un mejor aprovechamiento de la energía, disminuyendo el consumo de carbón, la mano de obra y el impacto ambiental que esta produce, y fortaleciendo el campo investigativo de la Universidad Francisco de Paula Santander. 1.5 OBJETIVOS 1.5.1. Objetivo General Realizar un estudio del proceso de cocción en hornos de combustión de materiales cerámicos ubicados en el municipio de Ocaña, para proponer mecanismos que conlleven a la reducción de emisiones contaminantes en la región y el aumento en la rentabilidad. 1.5.2. Objetivos Específicos

Hacer un análisis comparativo entre los distintos hornos para determinar las deficiencias en el proceso.

28

Determinar las propiedades físicas y mecánicas de los productos cerámicos, bajo ensayos de flexión, compresión, absorción inicial y absorción final.

Identificar las etapas del proceso de cocción.

Determinar los requerimientos energéticos y de aire necesarios para la combustión en los hornos, en las etapas del proceso de cocción.

Instalar los equipos de adquisición de temperaturas y de datos.

Monitorizar las temperaturas en el interior del horno en distintas posiciones.

Realizar el balance general de energía en el horno.

Realizar estudios de emisión de gases producto de la combustión en el proceso de cocción en los hornos.

Presentar propuestas basadas en análisis de geometrías y operación del horno para reducir el consumo de combustible y emisiones contaminantes en el horno.

Establecer las mejores prácticas que permitan la disminución del consumo de combustible.

29

2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO HISTÓRICO En el municipio de Ocaña se han realizado estudios generales acerca del sector cerámico, específicamente en la Universidad Francisco de Paula Santander, a través de proyecto de grado, los cuales se detallan a continuación: Evaluación de las pérdidas de energía en el horno tipo colmena de tiro invertido en la ladrillera Cúcuta. Meneses Calderón, José Agustín, 2003. Análisis termodinámico y simulación de un horno tipo colmena de tiro invertido. Vera duarte, Luís Emilio.2005. Diagnóstico de los procesos de combustión ejecutados en la industria cerámica en el área metropolitana de San José de Cúcuta, Santiago Pérez, Damián Oswaldo, 2012. Resistencia de la mampostería reforzada exteriormente usando malla electro soldada con fines de reforzamiento en viviendas de la ciudad de Ocaña. Claro Lázaro, Julián Andrés, 2013. Estudio la relación entre las propiedades físicas finales de los bloques cerámicos para mampostería encontrando que los métodos utilizados por la empresa impiden el control de las fases de cristalización y transformaciones del material cerámico, contribuyendo a deformaciones y grietas del producto final que generan pérdidas a la empresa. Payares Pérez, Carlos Alberto.2014. Desarrollo de instrumento virtual enfocado en la adquisición de datos para generar perfiles de temperatura en hornos. Marrugo Carreazo, Daniel Ernesto.2015. Evaluación termodinámica del proceso de cocción y análisis de gases en hornos a cielo abierto y Hoffman en Ocaña, Jácome Manzano, Sergio Armando.2015.

30

2.2 MARCO CONCEPTUAL 2.2.1. Descripción del proceso productivo. El proceso de producción de materiales cerámicos comprende las siguientes etapas: extracción de la materia prima, trituración, humectación, compactación, extrusión, corte, secado, cocción y apilado. El proceso es manejado en tres medidas estratégicas: la explotación minera, la transformación de la arcilla y la comercialización del producto final. Una de las etapas definitivas de este proceso es la cocción, realizada en los hornos. Para su ejecución, el horno pasa por tres etapas: precalentamiento, quema y enfriamiento; deben controlarse en forma correcta, con el objeto de obtener productos con mínimos defectos y reducir el impacto ambiental, todo con el máximo rendimiento posible y el mínimo consumo de combustible. 2.2.2. Producción de materiales cerámicos. Los procesos por el cual el material cerámico cambia su estructura en función de la temperatura es el siguiente: De 0°C a 400°C se elimina residuo de humedad con dilatación de la pasta; de 400°C a 600°C eliminación del agua combinada, descomposición en óxidos, retracción de la pasta y aumento de porosidad; de 600° C a 900° C formación de un metacaolín inestable; de 900° C a 1.000° C formación de silicatos por reacción de los óxidos; más de 1.000° C transformación molecular de los silicatos cristalizando en agujas y sobre 1800° C fusión del material vitrificando. 2.2.3. Etapa de cocción. Terminado el proceso de secado, las piezas cerámicas se someten al proceso de cocción, en este tratamiento térmico los productos pasan por una serie de transformaciones fisicoquímicas complejas, las cuales se reflejan en cambios dimensionales, color de la pieza terminada, así como la vitrificación (relacionada a la porosidad y a la resistencia mecánica). Los productos se disponen en el interior del horno, acorde a un arreglo que puede variar, aunque por lo general se mantiene un patrón. Para el proceso se distinguen varias etapas:

31

2.2.3.1. Caldeo. Fase en el cual se elimina el agua residual no eliminada en el secado, esta eliminación debe ser gradual o si el contenido del agua es muy elevado puede producirse roturas debido a la contracción. Dependiendo de la cantidad, tipo de material y humedad que contenga esta etapa puede durar entre 18 y 20 horas para llevar la temperatura desde 30 ºC hasta 150 ºC. En esta primera etapa de cocción cualquier irregularidad en el calentamiento produce vapor a alta presión en ciertas partes de la pieza que puede fracturarla. La eliminación del agua deberá ser realizada por completo a una temperatura lo más baja posible, ya que el vapor de agua formado bloquea las reacciones de oxidación y descomposición que comienza alrededor de los 400 °C. 2.2.3.2. Precocido. Etapa en que se oxida el material orgánico y ocurre la deshidroxilación de la arcilla esto ocurre entre 150 ºC hasta 450 ºC, lo cual puede durar entre 14 y 16 horas. 2.2.4. Etapa de cocción. También se denomina de fuego rápido o apurado, el rango de temperaturas es desde 450 ºC hasta 950 ºC o 1.050 ºC. Entre los 450 °C y 650 °C se elimina el agua químicamente combinada, se modifica la estructura del material arcilloso, produciendo una contracción y un endurecimiento irreversible. A los 573 °C tiene lugar la transformación alotrópica del cuarzo produciéndose una dilatación. Este proceso es reversible y tiene gran importancia en la etapa de enfriamiento. Entre 680 °C y 800 °C tiene lugar la descarbonatación de las arcillas calcáreas, que consiste en el desprendimiento rápido de CO2, puede producir roturas o burbujas, esta debe finalizar antes de iniciar la vitrificación para evitar florescencias posteriores. Esta etapa puede durar entre 30 y 36 horas, luego el horno es puyado (apurado térmicamente) hasta alcanzar la temperatura de 1.020 ºC. 2.2.4.1. Etapa de vitrificación. Es un proceso que dura entre 10 y 13 horas, empieza por encima de los 800 °C y consiste en la formación de la fase vítrea, en el cual algunos de los constituyentes más fácilmente

32

fundibles producen cantidades crecientes de líquidos, a medida que aumenta la temperatura. Este líquido al enfriarse forma una capa cristalina. El grado de vitrificación depende de las propiedades mineralógicas, composición química, distribución granulométrica y la composición del mineral no arcilloso. Para mejorar y darle mayor brillo a esta capa, cuando el horno ha alcanzado los 1.020 °C, se le agrega cierta cantidad de agua-sal, que por efecto de la alta temperatura se volatiliza y reacciona en la atmósfera del horno descomponiéndose en oxido de sodio y ácido clorhídrico, que se deposita sobre el material formando una capa de barniz salada y sutil (0,01mm) que es resistente al ataque de los ácidos. En el proceso de cocción deben controlarse las curvas temperatura - tiempo, si se desea buena calidad y bajo desperdicio de material: Debe tenerse especial cuidado cuando se llega a la proximidad de los 270 °C y 573 °C, puntos donde existen transformaciones químicas reversibles. Las curvas temperatura – tiempo se basan en algunos casos en la curva dilatométrica de la pasta, y se debe tener en cuenta que a mayor cambio de tamaño por grado temperatura, debe ser menor la velocidad de calentamiento o de enfriamiento. 2.2.4.2. Etapa de enfriamiento. El enfriamiento satisfactorio de las piezas maduras está vinculado a la consideración de aquellas transformaciones fisicoquímicas que puedan ocurrir. Un enfriamiento rápido puede dar lugar a la aparición de tensiones que ocasione agrietamiento, bien sea inmediatamente o durante los primeros días después de la extracción del horno. En esta etapa de enfriamiento hay que tener en cuenta los cambios bruscos de temperatura y evitarse velocidades de enfriamiento

superiores a los 10 °C/h , ya que pueden puede producir tensiones dentro de la pieza que causen agrietamientos.

2.2.5. Control de calidad del producto cocido. Las unidades de arcilla para mampostería no estructural deben cumplir con la norma NTC 4205 (ASTM C56, C212, C216), las unidades de arcilla macizas (tolete) para mampostería estructural deben cumplir con la norma NTC 4205 (ASTM

33

C652, C62) y las unidades (bloque) de perforación vertical de arcilla para mampostería estructural deben cumplir con la norma NTC 4205 (ASTM C34). La norma técnica colombiana NTC 4205 Unidades de mampostería de arcilla cocida, ladrillos y bloques cerámicos establece los requisitos que deben cumplir los ladrillos y bloques cerámicos utilizados como unidades de mampostería y fija los parámetros con que se determinan los distintos tipos de unidades. La norma técnica Colombiana NTC 4017 Métodos para muestreo y ensayos de unidades de mampostería y otros productos de arcilla cubre los procedimientos de muestreo y ensayo de unidades de mampostería de arcilla, bloques de arcilla y de otros productos tales como adoquines y tejas. Los ensayos incluyen tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas, resistencia a la compresión y módulo de rotura o flexión. 2.2.5.1. Absorción de agua o densidad del producto. El contenido de humedad es la masa de agua por unidad de volumen, la cual puede ser expresada en términos absolutos o en términos relativos a la densidad de la unidad cuando está seca. La capacidad de las unidades de mampostería para absorber agua se mide por dos parámetros principalmente la tasa de absorción inicial y la inmersión durante 24 horas. El primero representa la cantidad de agua requerida para saturar la unidad de mampostería, los valores estipulados

por la norma NTC 4205 debe ser inferior al 0.25 g/cm2/mín., mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10 debe ser inferior al

0.25 g/cm2/mín. y la segunda es la masa de agua por unidad de área y por unidad de tiempo, con un valor máximo permitido por la norma NTC 4205 para ladrillo de mampostería no estrucutral interior de 17.5% y de 13% para ladrillo de mampostería no estrucutral exterior, mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10 se encuentran por

34

encima del valor mínimo del 5% y por debajo del valor máximo del 17%1. 2.2.5.2. Resistencia mecánica. Esta propiedad también se relaciona en forma muy directa con el grado de sinterización logrado durante la cocción, en esta se mide la resistencia a la compresión y el módulo de rotura o flexión. La resistencia a la compresión de los ladrillos (f’cu) depende del material y del tipo de unidad. Por lo general, los valores de las resistencias a la compresión en unidades disminuyen drásticamente cuando hacen parte de los muros de mampostería. En la tabla 1, se muestran los valores de las resistencias a compresión de algunas unidades de mampostería. Tabla 1. Resistencia a la compresión de diferentes unidades de mampostería2.

MATERIAL INTERVALO, 𝐟′𝐂𝐔 (𝒕𝒐𝒏

𝒎𝟐 )

Piedra 4.000 < fću < 10.000 Hormigón Macizo 1.500 < fću < 2.500 Arcilla 500 < fću < 2.000 Hormigón Aligerado 400 < fću < 600 Adobe 100 < fću < 150

Fuente: J. Claro Lázaro Según la norma NTC 4205 la resistencia mínima promedio para ladrillo de mampostería no estructural es de 14 MPa ,mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10 establece una resistencia a la compresión mínima de 2,94 MPa y el módulo de rotura o flexión de 1,40 MPa.Si se tiene en cuenta que la resistencia a la flexión varía entre el 10 % al 30 % de la resistencia a la compresión3 establece una resistencia a la compresión mínima de 10 MPa, lo cual indica que tomando el intervalo

1 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Métodos para Muestreo y Ensayos de Unidades de Mampostería y Otros Productos de Arcilla NTC4017),» Bogota D.C., 2005.

2 J. Claro Lazaro, Resistencia de la mampostería reforzada exteriormente usando malla electrosoldada con fines de reforzamiento en viviendas de la ciudad de ocaña, Ocana: Universidad Francisco De Paula Santander Ocana, 2013.

3 C. Takeuchi, Comportamiento en la mampostería estructural, Bogota D.C.: Universidad Nacional deColombia, 2007.

35

bajo de resistencia se esperan resistencia a la flexión entre 1.0 a 1.4 MPa4, mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10 establece una resistencia a la flexión en el rango de 0,29 MPa a 0,88 MPa. 2.2.6. Combustión. El objetivo de una buena combustión es liberar y aprovechar todo el calor y la energía del combustible, tratando de minimizar pérdidas debidas a imperfecciones de combustión y aire superfluo. Para que exista una buena combustión debe existir suficiente temperatura para iniciar el proceso, turbulencia que permita una mezcla íntima entre las moléculas de oxígeno y elementos combustibles y suficiente tiempo para completar la combustión5. La mayoría de los combustibles, al margen de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, están compuestos, básicamente, por carbono e hidrógeno; además de estos componentes principales tienen otros como azufre, humedad, cenizas, etc. 3. El aire para los procesos de combustión en hornos, es la fuente de suministro de oxígeno, en el cual incluye también el nitrógeno, vapor de agua y una fracción muy pequeña de gases inertes como argón y helio3. El análisis de gases es muy útil para evaluar la calidad de la combustión y determinar las cantidades de aire y gases requeridas y producidas en un proceso de combustión3. Los aspectos a determinar son principalmente el aire necesario para la combustión y los productos de la combustión y su composición. Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustión que pueden darse.

4 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Unidades de Mampostería de Arcilla Cocida. LAdrillos y Bloques Cerámicos (NTC 4205),» Bogota D.C., 2000. 5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012.

36

La combustión completa conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de los combustibles los elementos que lo conforman son carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno, oxígeno, cenizas y humedad. Los productos resultantes de la oxidación son dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y material particulado5. Mientras que en la combustión incompleta los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son monóxido de carbono e hidrógeno, otros posibles inquemados son carbono y restos de combustible, etc.5. El oxígeno insuficiente es una razón obvia para la combustión incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando en la cámara de combustión hay más oxígeno del necesario para la combustión completa. Esto puede atribuirse al mezclado insuficiente en la cámara de combustión durante el limitado tiempo en que el oxígeno y el combustible quedan en contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual se vuelve importante a elevadas temperaturas6. El oxígeno es atraído con mayor fuerza hacia el hidrógeno que hacia el carbono. Por consiguiente, el hidrógeno en el combustible normalmente se quema por completo, formando agua, aun cuando exista menos oxígeno del necesario para la combustión completa. No obstante, una parte del carbono termina como monóxido de carbono o como simples partículas de hollín en los productos6. 2.2.6.1. Aire estequiométrico o teórico. Es la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible. De manera

5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012. 6 P. Fernández Díez, 2014. [En línea]. Available: http://files.pfernandezdiez.es/Termodinamica/PDFs/16Termod.pdf. [Último acceso: 20 Noviembre 2014].Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012. 7 Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012.

37

que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no estará presente el oxígeno sin combinar el producto de los gases. El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta o aire 100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con cantidad de aire menor está condenado a ser incompleto. El proceso de combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se conoce como combustión estequiométrica o teórica del combustible7. 2.2.6.2. Exceso de aire. En los procesos de combustión reales es una práctica común emplear más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de la cámara de combustión7. El exceso de aire evita la formación de inquemados sólidos y gaseosos como monóxido de carbono e hidrocarburos, sin embargo el exceso no puede ser grande se debe controlar el porcentaje de exceso de oxígeno en la salida de los productos, puesto que se pierde mucha energía del carbón en calentar nitrógeno del aire que se escapa al medio ambiente sin su aprovechamiento5. La cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiométrica se llama exceso de aire, esta suele expresarse en términos del aire estequiométrico como exceso de aire porcentual o aire teórico porcentual o también en términos de la relación de equivalencia, la cual es la proporción entre la relación real combustible y aire y la relación estequiométrica combustible y aire. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire, y se expresan a menudo como deficiencia de aire porcentual7. 2.2.6.3. Eficiencia de la combustión. La eficiencia de combustión se puede medir por medio de la concentración de dióxido de carbono en los humos, el cual se basa en la conversión teórica y real del carbono de los compuestos combustibles, en dióxido de carbono que aparece en los humos. Se compara la reacción real con la reacción completa del combustible y el comburente en la cual todo el carbono y el hidrógeno se

38

queman3. 2.2.6.4. Eficiencia del horno. Una forma de evaluar la eficiencia del horno es calculando la energía consumida del material con respecto a la energía de entrada por parte del combustible, de esta forma se obtiene la energía que está aprovechando el horno para procesar el material producido, el resto de energías son pérdidas57. 2.2.7. Normativa ambiental en Colombia. En Colombia el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial por medio de la resolución 909 estableció normas y estándares de emisión admisibles de contaminantes a la atmósfera por fuentes fijas al sector industrial cerámico ya que en sus procesos de producción generan gases contaminantes que deterioran el ambiente. La normatividad más importante contemplada en la resolución 909 es la siguiente: 2.2.7.1. Estándares de emisión. Los estándares de emisión admisibles para las industrias existentes de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla a condiciones de referencia y con oxígeno de referencia del 18% se establecen en el artículo 30 de la resolución 909, (Ver tabla 2). Dichos estándares deben cumplirse en cada uno de los puntos de descarga de las industrias para la fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla. Tabla 2. Estándares de emisión admisibles de contaminantes al aire para las industrias de fabricación de productos de cerámica8

Estándares de emisión admisibles (mg/m3)

5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012. 7 Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012.Ibíd. 8 Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogota D.C., 2008.

9 Ministerio De Ambiente y Desarrollo Sostenible, Resolución 802, Bogota D.C., 2014.

39

Combustible

Material particulado

SO2 NOx

Solido 250 550 550

Liquido 250 550 550

Gaseoso NO APLICA

NO APLICA

550

Fuente: Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogotá D.C., 2008. 2.2.7.2. Temperatura de los gases. La temperatura de los gases emitidos por las industrias de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla para hornos continuos no debe exceder 180 ºC. Para el caso de hornos discontinuos la temperatura no debe exceder 250 ºC durante la etapa de máximo consumo de combustible9, esto lo establece el artículo 30 de la resolución 909 y la resolución 802 de 2014 emanada por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. 2.2.7.3. Características de las mediciones directas en hornos. Las mediciones directas en hornos discontinuos de industrias de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla, debe realizarse de acuerdo a lo establecido en el Protocolo para el Control y Vigilancia de la Contaminación Atmosférica Generada por Fuentes Fijas según lo establecido en el artículo 34 de la resolución 909. 2.2.8. Métodos de evaluación de emisiones atmosféricas. Los estudios de emisiones atmosféricas son requeridos para determinar los

40

tipos y cantidad de contaminantes emitidos por las diferentes empresas que se encuentran en su área de jurisdicción. Los métodos de evaluación de emisiones contaminantes a la atmósfera de acuerdo con lo establecido en los decretos y resoluciones planteados en el marco legal incluyen medición directa, balance de masas y factores de emisión. 2.2.8.1. Medición directa. La medición directa se realiza a través de procedimientos donde se recolecta una muestra usando equipos muestreadores para su posterior análisis o mediante el uso de analizadores instrumentales en tiempo real. En este caso se utiliza el método del analizador instrumental utilizando el analizador de gases de combustión, el cual mide directamente la concentración de los contaminantes en la chimenea o ducto de emisión y reporta los valores de las emisiones de manera inmediata. 2.2.8.2. Métodos empleados para la medición directa. Los métodos empleados para evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes. Promulgados por el Código Federal de Regulaciones de los Estados Unidos (CFR) pueden verse en la tabla 3. Tabla 3. Métodos empleados para evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes

Métodos Descripción

Método 1 Ubicación del punto de muestro y Número de puntos de medición.

Método 2 Determinación de la velocidad de los gases de la chimenea.

Método 3

Análisis de las emisiones para determinar el porcentaje de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO) y peso molecular seco. (Procedimiento del analizador instrumental)

Método 4 Determinación de las emisiones de óxidos de nitrógeno en fuentes fijas (Procedimiento del analizador instrumental)

41

Método 5 Determinación de las emisiones de monóxido de carbono en fuentes fijas (Procedimiento del analizador instrumental)

Método 6 Determinación de la emisión de material particulado en chimeneas o ductos de fuentes fijas.

Fuente: Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogotá D.C., 2008 2.2.8.3. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de medición. Según el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios el número de pruebas o corridas para la ejecución de los métodos para la evaluación de emisiones de contaminantes en Fuentes fijas utilizando el método del Analizador instrumental es de 3 corridas. Donde una corrida es igual a un número de 4 mediciones cada 15 minutos. 2.3 ESTADO ACTUAL La población objeto del trabajo está constituida por 30 chircales activos que se encuentran en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander, el área de estudio comprende el Municipio de Ocaña con una extensión aproximada de 7.74 Km2,los chircales activos ubicados en diferentes zonas del casco urbano de la ciudad producen aproximadamente 1.027.600 productos/mes, los cuales se caracterizan por emplear procesos manuales y rudimentarios en las diferentes etapas para la fabricación de estas piezas de mampostería. Para el desarrollo del proyecto se consultó la información existente sobre la producción de materiales cerámicos (ladrilleras existentes, ubicación, método de explotación, tipos de hornos utilizados, capacidad de los hornos, producción de productos) en el municipio de Ocaña, información que se obtiene de la oficina de la Planeación y la unidad Técnica Ambiental UTA de la alcaldía municipal de Ocaña, (Ver tabla 4). Así como la realización de visitas de campo, en el que se observó el estado actual de funcionamiento de los hornos ubicados en el municipio de Ocaña.

42

Tabla 4. Inventario de las empresas de dedicadas a la explotación y transformación de arcilla en el municipio Ocaña10

Nº

Nombre del

Chircal

Vereda, corregimi

ento o Barrio

Tipo de

Horno

Total

Capacidad (Ladrillo-teja)

Producto final de

transformación

Cantidad de

Producto Transfor

mado Mensual

1 Bolívar El Hatillo Cuadra

do y circular

4 4.000 – 9.000

– 12.000 Ladrillo 20.000

2 La palma El Hatillo Cuadra

do 3 5.000 – 6.000 Ladrillo 10.000

3 Sánchez El Hatillo Cuadra

do 3

10.000 – 15.000

Ladrillo 15.000

4 Los

espineles El Hatillo Circular 1 4.000 Ladrillo 12.000

5 Bética La Pradera Cuadra

do 2 6.000 Ladrillo 10.000

6 Los

Lemus El Hatillito

Cuadrado

4 8.000 – 10.000

Ladrillo 20.000

7 Los

Sánchez El Hatillito

Cuadrado

5 5.000 – 6.000 Ladrillo 10.000

8 La

pradera El Hatillito

Cuadrado

6 8.000 Ladrillo 16.000

9 Los raros El Hatillo Cuadra

do 2

8.000 – 10.000

Ladrillo 16.000

10

Pasos abajo del terminal

La Carbonera

Cuadrado

2 4.000 – 8.000 Ladrillo 8.000

10 Alcaldia Municipal De Ocaña, «Plan Basico de Ordenamiento Territorial PBOT,» Ocana, 2011.

43

Nº

Nombre del

Chircal

Vereda, corregimi

ento o Barrio

Tipo de

Horno

Total


Producto final de

transformación

Cantidad de

Producto Transfor

mado Mensual

11

Los raros El Carbón Cuadra

do 2 5.000 – 7.000 Ladrillo 12.000

12

Granito de oro

El tejar Cuadra

do 1 9.000 Ladrillo 9.000

13

Las violetas

El tejar Cuadra

do 1 3.000 Teja 3.000

14

El Recreo 2

El tejar Circular 1 4.300 Ladrillo 8.600

15

Los mellos

La Circunvala

r

Cuadrado

2 7.000 -9.000 Ladrillo 16.000

16

El Recreo Los

Guayabitos

Cuadrado

3 6.000 – 15.000

Ladrillo 21.000

17

Los Guayabos

Los Guayabito

s Circular 2 5.000 Ladrillo 10.000

18

Estanco El Estanco Cuadra

do y circular

4 7.000 – 4.000

– 11.000 Ladrillo 15.000

19

Estanco 1 El Estanco Cuadra

do 4

7.000–12.000 – 16.000

ladrillo 28.000

20

Estanco 2 El Estanco Cuadra

do 3

9.000 – 10.000

Ladrillo 19.000

21

Estanco 3 El Estanco Circular 3 6.000 – 10.000- 16.000

Ladrillo 26.000

44

Nº

Nombre del

Chircal

Vereda, corregimi

ento o Barrio

Tipo de

Horno

Total


Producto final de

transformación

Cantidad de

Producto Transfor

mado Mensual

22

Ocaña La

Rinconada Hoffma

n 1 986 Apiles

Bloque de mamposterí

a 611.320

23

El Bosque El Ramal Cuadra

do y circular

2 10.000 Ladrillo 10.000

24

San Antonio

El Ramal Cuadra

do 1

10.000 – 20.000

Ladrillo, teja y

baldosa 20.000

25

El Líbano Vía a Aguas Claras

Cuadrado

2 4.000 – 5.000 Ladrillo 10.000

26

Los Pinos Aguas Claras

Cuadrado

3 4.000 Ladrillo 12.000

27

San Fernando

San Luis Cuadra

do y circular

4 5.000 – 10.000

Ladrillo 10.000

28

Villa Venecia

La Ermita Cuadra

do 2

8.000 – 12.000

Ladrillo 32.000

28

El tejar Bética Circular 2 3.000 – 5.000 Ladrillo 5.000

30

Buenavista

Buenavista Circular 3 6.000-7000 Ladrillo y

teja 13.000

Fuente: Alcaldía Municipal De Ocaña, Plan Básico de Ordenamiento Territorial PBOT Se realiza una visita de inspección a las diferente empresas ladrilleras (chircales) que operan en la región, con el propósito de determinar las

45

condiciones actuales de operación y se evidencia que los chircales existentes en el municipio de Ocaña, poseen hornos a cielo abierto que pierden la mayor parte de la energía térmica producida por el combustible y tienen capacidades de producción de bloque común, ladrillo H-10 y tejas que oscilan entre 5.000 a 10.000 ladrillos, excepto la ladrillera Ocaña que posee un horno continuo con una producción de 611.320 bloques. Estos hornos se caracterizan por tener dos cámaras de combustión, una se encuentra en la parte inferior seguida de la cámara de cocción, existe una parrilla que divide ambas cámaras y sirve como base para cargar los productos a quemarse. La descripción de las características físicas y de funcionamiento de los hornos tradicionales utilizados en el municipio de Ocaña son: los hornos no fueron construidos con materiales refractarios y aislantes, conduciendo a grandes pérdidas de calor al medio ambiente cuando se operan, pérdida que se ocurre por la parte superior y en las paredes de la cámara de cocción, quemándose más combustible de lo que se requiere e igualmente, se incrementa el tiempo de operación. En la cámara de cocción no hay una distribución uniforme de temperatura, existiendo un gradiente apreciable de la misma. Además, no poseen controles de temperatura, ni del proceso de combustión ni para los controles de aire y combustible. El combustible que se utiliza es carbón mineral sin procesar y aserrín, cuya alimentación en la mayoría de los casos se hace en forma manual. Los hornos no pueden quemar completamente el combustible, es decir no existe combustión completa por falta de oxígeno, originado por la ausencia de chimenea que mejoraría el tiro en el horno, y como consecuencia directa de ello es que no aprovecha eficientemente el combustible. Los gases productos de la combustión salen directamente al ambiente; algunos de estos tejares se ubican en áreas cercanas a las zonas urbanas, ocasionando problemas de salud, de convivencia y afectando el paisaje. Por otra parte, las ladrilleras presentan un inadecuado manejo de residuos sólidos, pues no poseen lugares especialmente

46

acondicionados para depositar los residuos sólidos de cenizas, ladrillos y tejas rotas. Tampoco hay programas para el reciclaje de estos materiales que pueden ser usados como abonos, en el caso de las cenizas y como insumos de la misma industria cerámica. Como consecuencia de las quemas deficientes se ofertan productos de baja calidad, pues la mezcla de cerámica no llega a la quema completa, quedando con un alto nivel de porosidad, baja resistencia al golpe, cizallamiento, abrasión y tracción. Sin contar la presencia de gránulos calcáreos o “caliche” que al quemarse generan nódulos de cal que por higroscopia rompen las estructuras de los ladrillos11. 2.4 MARCO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO La Existencia de referencias como el proyecto eficiencia energética en ladrilleras artesanales1212,promueve modelos integrales de desarrollo tecnológico entre productores de ladrilleras artesanales de América Latina. Este proyecto es muy importante, pues en su propósito busca implementar tecnologías más eficientes e innovadoras que ayuden a disminuir el uso de materias primas, menos consumo de energía y preservación del suelo, así como a implementar combustibles menos contaminantes para contribuir al mejoramiento de la calidad de sus ladrillos y entrada fuerte al mercado. Según el proyecto de orientación del uso eficiente de la energía y de diagnóstico energético de la Unidad de Planeación Minera Energética1313 , en el que se establece que la industria ladrillera Colombiana tiene un atraso con respecto a estándares internacionales desde los principios de los años 90 debido a la demanda en la construcción, las empresas

11 E. O. Cuellar Henriquez y J. C. Portillo Barrera, Evaluación de la Resistencia a la Fractura de los Ladrillos de Barro Fabricados por Compresión, San Salvador: Universidad Centroamericana Jose Simeon Cañes, 2006.

12 Agencia Suiza para el desarrollo y comperacion.,programa de eficiencia energetica en ladrilleras artesanales de america latina

para mitigar el cambio climatico. 13 Unidad de Planeación Minero Energética. Uso eficiente de la energia y de diagnóstico energético.

47

industriales tuvieron que tecnificar sus procesos con el fin de aumentar la calidad del producto, producción y disminuir costos a través de sistemas tecnificados de producción como uso de máquinas de extrusión de alta calidad y eficiente, implementación de secaderos naturales por artificiales, hornos más eficientes, los cuales consumen menos energía y aumentan la capacidad de producción1414. También gestiona buenas prácticas orientadas al uso eficiente de la energía en la industria de cerámicos. En el caso de los hornos, se presentan pautas que se deben tener en cuenta como son: controlar la temperatura de operación en los hornos de acuerdo a lo requerido por los procesos; programar la operación de los hornos a fin de minimizar la frecuencia de puesta en marcha y parada; regular el aire-combustible de quemadores en forma periódica; reparar y reforzar el aislamiento de las paredes del horno; y usar el calor residual para calentar el aire de combustión o proporcionar calor al proceso productivo. Por otra parte, el ministerio de energía y minas señala que en el sector industrial cerámico han visto grandes ahorros en facturación: de 4% - 12% en energía eléctrica; 3% - 15% en energía térmica. Tal potencial varía dependiendo del tamaño de la instalación, la naturaleza de los servicios y la política de gestión de energía en la institución. 2.5 DISEÑO METODOLÓGICO 2.5.1. Descripción de las ladrilleras seleccionadas. Los hornos utilizados actualmente en el sector cerámico en el municipio de Ocaña son hornos artesanales a cielo abierto y construidos de ladrillo común, excepto el horno continuo tipo Hoffman de la ladrillera Ocaña, y como estrategia de establecer las mejores prácticas que permitan la disminución del consumo de combustible, reducir el consumo de energía y disminuir la emisión de gases al ambiente se pueden realizar una serie de innovaciones o mejoras que se pueden aplicar fácilmente y tienen bajo costo de implementación, es posible introducir cambios operativos que conlleven a cambiar el diseño del horno que conduzca a la

14 Ministerio de Minas y. Energía, «http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/Guia12%20Cer%C3%83%C2%A1micos

48

reutilización de los gases de escape para ellos sería dirigirlos hacia el interior de otro horno ya preparado y cargado,) causando que los gases pasan a través del interior del horno antes de ir a la chimenea, así los gases calientes harían intercambio de calor entre sí, proporcionando un precalentamiento de la siguiente carga de productos y el secado de los productos. La producción de los hornos será de forma secuencial y en ciclos, elevando su temperatura y logrando que el gradiente de temperatura sea vertical. Este cambio requiere sólo unas pocas obras en la ladrillera. Teniendo en cuenta lo anterior en el balance termodinámico se escogieron dos empresas ladrilleras para el estudio, una artesanal, la ladrillera el Recreo 2 que posee un horno circular a cielo abierto y la ladrillera Ocaña, que cuenta con un horno continuo tipo Hoffman de forma rectangular, en la que se reutilizan los gases producto de la combustión. 2.5.1.1. Descripción ladrillera el recreo 2. La ladrillera el Recreo 2 está ubicada en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander, Colombia, a una altitud de 1.227 metros sobre el nivel del mar, bajo las coordenadas N 1073980 y W 1402088 con una temperatura promedio de 21°C. El horno de sección transversal circular tiene un diámetro interior de 2,12 metros y una altura de 4,52 metros con espesor de pared de 0,24 metros; la cantidad de ladrillos por quema es de 4.300 y tiene un consumo de carbón de 1.500 kg por cada cocción, (Ver figura 1).

49

Figura 1. Horno ladrillera el recreo 2

Fuente: S. A. Jacome Manzano 2.5.1.1.1. Proceso de producción. En el horno de la ladrillera el recreo 2 el proceso de producción se realiza de forma artesanal. El proceso inicia con la preparación de la arcilla en la que se utiliza una pileta con tierra seca y luego se deposita cierta cantidad de agua y se deja reposar por un determinado tiempo para que el material se logre humedecer. El proceso de mezclado utilizado es colocar a caminar caballos por un tiempo de dos horas, (Ver figura 2), para lograr que la arcilla quede en su punto adecuado para luego ser almacenada y moldeada. Figura 2. Preparación de la arcilla

Fuente: S. A. Jácome Manzano Para el moldeo del ladrillo, la arcilla preparada es llevada a un molde de forma manual (Ver figura 3), la cual se compacta manualmente, garantizando que no quede con espacios interiores que puedan dañar el bloque a la hora de la quema.

50

Figura 3. Moldeo del ladrillo

Fuente: S. A. Jácome Manzano Para el secado de los ladrillos, como no se cuenta con secaderos artificiales los ladrillos se dejan a la exposición directa con el sol para un secado natural (Ver figura 4), que por obvias razones puede durar varios días dependiendo de las condiciones climatológicas. Figura 4. Secado de los ladrillos

Fuente: S. A. Jácome Manzano En el cargue del ladrillo y combustible a medida que se carga el horno con ladrillos de forma ordenada, se deposita el combustible necesario

51

para la combustión en los espacios que quedan entre los ladrillos, (Ver figura 5). Figura 5. Cargue del ladrillo y combustible

Fuente: S. A. Jácome Manzano En el proceso de cocción, al terminar de cargar el horno se sella la puerta de cargue y descargue de productos a través de una pared de ladrillos, (Ver figura 6). Se da inicio a la combustión inyectándole aire por medio de un ventilador, hasta que se halla quemado todo el carbón mineral. Luego se abre la puerta del horno y se deja un periodo de enfriamiento para poder sacar el ladrillo. Figura 6. Sellado de la puerta de cargue y descargue de productos

Fuente: S. A. Jácome Manzano

52

2.5.1.2. Descripción ladrillera Ocaña. La ladrillera Ocaña está ubicada en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander, Colombia, a una altitud de 1.212 metros sobre el nivel del mar, bajo las coordenadas N 1075629 y W 1402587 con una temperatura promedio de 21°C. La ladrillera Ocaña está dedicada a la producción en serie de ladrillos para la construcción. Para ello cuenta con un horno tipo Hoffman de proceso continuo que está compuesto de 24 cámaras o puertas (12 en cada lado), (Ver figura 7). En cada puerta se le introduce hasta 5 apiles, de 620 ladrillos aproximadamente por apile, con una separación de 60 cm entre cada apile de ladrillos. El combustible utilizado para la cocción del material es carbón pulverizado, con un consumo de carbón por mes es

de 170 Ton

mes .

Figura 7. Esquema horno Hoffman


El proceso de producción en el horno Hoffman de la ladrillera Ocaña el proceso de producción es mecanizado. El proceso inicia trasportando la materia prima de la mina a la tolva de alimentación, para luego ser dosificado en proporciones establecidas por la extrusora y así, por medio de bandas trasportadoras ser guiadas por rodillos. En estos rodillos se transportan entre 11 a 16 toneladas hora de materia prima, (Ver figura 8).

53

Figura 8. Banda transportadora

Fuente: S. A. Jácome Manzano La disminución de tamaño de grano de la arcilla la realizan en el desterronador y el desintegrador. Estos equipos transforman la materia prima en granulometrías entre 5 a 20 mm, el equipo prepara de 15 a 30 toneladas de arcilla por hora, (Ver figura 9). Figura 9. Desterronador


54

Para la homogenización y mezclado de la arcilla se utilizan dos amasadoras, (Ver figura 10), que conducen la acilla final para entrar a la extrusora. Figura 10. Amasadora

Fuente: S. A. Jácome Manzano Para la extrusión de los bloques, la mezcla de arcilla cae por la parte superior de la extrusora, compuesta de un sistema de dos ejes paralelos con paletas y un tornillo sin fin que reciben la mezcla y se encargaran de impulsarla para la extrusión de la arcilla en un ladrillo compacto. Para cortar el material se utiliza una cortadora automática, encargada de realizar el corte del material ya extruido, esta realiza 4.000 cortes hora, (Ver la figura 11). Luego estos ladrillos finalmente son llevados y almacenado en los secadores.

55

Figura 11. Cortadora automática

Fuente: S. A. Jácome Manzano Después de la extrusión de los bloques, estos se llevan al secadero para disminuirles el porcentaje de humedad. Esto se realiza a través de un extractor que se encarga de inyectar o conducir los gases productos de la combustión al secadero. Luego se dispone a cárgalos en apiles en el horno bajo una configuración establecida, (Ver figura 12). Posteriormente se dispone a sellar las puertas con una pared provisional, (Ver figura 13). Figura 12. Configuración apile de bloques


56

Figura 13. Puerta de cargue y descargue de bloques

Fuente: S. A. Jácome Manzano El combustible utilizado en este horno es carbón mineral que se prepara a través de molinos de martillos transformándolo en partículas diminutas y se utiliza un sistema de bandas transportadoras para dirigir el carbón a la parte superior del horno. El carbón se inyecta al horno con dos Carbojet, los cuales son desplazados y recargados de carbón de forma manual por el operador durante un tiempo de una hora para el precalentamiento y requema de producto. Un carbojet inicia la inyección de carbón para el precalentamiento en dos cámaras antes que pase el segundo Carbojet requemando el bloque. Esto lo hacen por los agujeros ubicados en la cúpula del horno, (Ver figura 14), a través de mangueras metálicas que desplazan el combustible al interior del horno a razón de 8 kg a 12 kg de carbón por minuto, para mantener la temperatura requerida en el horno. Después que el Carbojet realice la quema de cierta cantidad de apiles, se dispone a tumbar las puertas de los apiles y a sacar el calor por medio de un ventilador, para retirar el material, almacenarlo y proceder a su respectiva comercialización.

57

Figura 14. Orificios de inyección de combustible en el horno Hoffman

Fuente: Autor 2.5.2. Diseño, programación e instalación del sistema de adquisición de temperaturas. Por medio de un sistema de adquisición de datos de temperatura, partir de un ejecutable del software manejador DAQ assistant del sistema embebido compact RIO, con una tarjeta de

58

adquisición E/S NI 9213 ensamblada al Chasis NI cDAQ-9184 soportadas por National instruments, permitirá el procesamiento analógico-digital de la información recibida de los termopares instalados, para luego ser almacenadas a través del software Lab view en el reporte de adquisición y generar los perfiles de temperatura. Los equipos de adquisición de temperatura, se colocan en un cuarto de monitoreo ubicado a una distancia cercana al horno seleccionado para la adquisición a través del cable de conexión, (Ver figura 15), Los equipos están conectados a la tarjeta de adquisición NI 9213 ensamblada al Chasis NI cDAQ-9184, para realizar el procesamiento analógico-digital de la información recibida por los termopares instalados, para luego ser almacenadas a través del software Lab view en el reporte de adquisición y generar los perfiles de temperatura. Figura 15. Ubicación equipos de monitoreo

Fuente: S. A. Jácome Manzano Para el testeo, configuración, visualización y reporte de los datos de adquisición se programa y diseña el panel frontal utilizando unas pantallas de bienvenida, inicio, testeo del hardware de adquisición, visualización, configuración, reporte, pantalla secundaria de visualización bloque 1 y pantalla secundaria de visualización bloque 2, (Ver figura 16).

59

Figura 16. Pantalla de bienvenida

Fuente: D. E. Marrugo C En la pantalla de testeo del sistema embebido se ejecuta un código que verifica si la conexión del sistema embebido está conectada al módulo de adquisición E/S NI 9213 y a su vez al chasis NI 9184 y al computador. Si no está conectado, aparecerá un cuadro de dialogo que le informa que el chasis no está disponible para la adquisición, (Ver figura 17). Figura 17. Pantalla de testeo del sistema embebido

Fuente: D. E. Marrugo C

60

En la ventana de reporte se muestra la barra de estado, de progreso y control de visualizaron de las gráficas de temperaturas individuales y las gráficas por bloque. El programa diseñado, muestra en la pantalla de monitoreo como se van realizando los perfiles de temperatura en tiempo real de las posiciones donde se ubicaron los termopares, (Ver figura 18). La ventana de configuración permite seleccionar el número de termopares a censar y el intervalo de tiempo o “delay” entre cada toma de temperatura y el informe de adquisición se genera en un archivo tipo .xlsx (Microsoft Excel)15 Figura 18. Monitor de temperaturas del instrumento virtual de la adquisición en la ladrillera el recreo 2

Fuente: Autor 2.5.3 Montaje de los instrumentos de medición. Los termopares utilizados para la medición de temperatura se montan en posiciones

15 D. E. Marrugo C, Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Generación de perfies de Temperatura en Hornos, Ocana: Universidad Francisco de Paula Santander Ocana, 2015.

61

representativas para realizar posteriormente el balance termodinámico. Para registrar las temperaturas internas presentadas en el proceso de cocción de cada horno seleccionado, se instalaron termopares de bulbo de aleación de cromo aluminio tipo K con aislamiento cerámico y para registrar las temperaturas externas en el horno se seleccionan termopares de alambre tipo K con recubrimiento “fiberglass” a 900 °F. Los equipos de adquisición de temperatura en el horno de la ladrillera el Recreo 2 se instalan en la casa aledaña al horno a una distancia de 9 m de la puerta de cargue y descargue de productos. Se censan para este caso 8 posiciones en el horno. Se utiliza una tarjeta o bloque de adquisición en la que se colocan 8 termopares. Para la medición de las temperaturas interiores se utilizan 4 termopares de bulbo, los cuales se instalaron simultáneamente con el proceso de cargue de ladrillos en el horno y 4 termopares de alambre que registraron las temperaturas exteriores, los cuales se instalaron al mismo tiempo en que se sellaba la puerta de cargue de productos.

La ubicación de los termopares fue de la siguiente manera: T1 temperatura del centro interior, T2 temperatura del piso interior, T3 temperatura de la pared interior, T4 temperatura de los gases, T5

temperatura centro exterior, T6 temperatura del piso exterior, T7 temperatura de la pared exterior y T8 temperatura ambiente, (Ver figura 19).

62

Figura 19. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera el recreo 2

Fuente: S. A. Jácome Manzano Los equipos de adquisición de temperatura en el horno de la ladrillera Ocaña se instalaron en un cuarto de monitoreo a una distancia de 10 m de la cámara de cocción seleccionada para el análisis termodinámico del horno, en la cual se censaron 8 posiciones en el horno. Se hace uso de una tarjeta o bloque de adquisición en la que se colocaron 8 termopares. Para la medición de las temperaturas interiores se utilizaron 4 termopares de bulbo, los cuales se instalaron simultáneamente con el proceso de cargue de ladrillos en el horno y 4 termopares de alambre que registraron las temperaturas exteriores, los cuales se instalaron al mismo tiempo en que se sellaba la puerta de cargue de productos. La

ubicación de los termopares fue de la siguiente manera: T1 temperatura

del centro interior, T2 temperatura del piso interior, T3 temperatura de la pared interior, T4 temperatura de los gases, T5 temperatura centro exterior, T6 temperatura del piso exterior, T7 temperatura de la pared exterior y T8 temperatura ambiente, (Ver figura 20 y 21).

63

Figura 20. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña

Fuente: S. A. Jácome Manzano Figura 21. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña

Fuente: Autor

64

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS El estudio tomó la población de los chircales que rodean la ciudad. Se realizaron 4 ensayos para la evaluación de las propiedades mecánicas de los ladrillos macizos y bloques cerámicos. Para cada ensayo se seleccionaron 5 muestras de ladrillos para un total de 375 muestras. Se realizó la adquisición de datos de temperatura, el balance termodinámico y el requerimiento de aire necesario para la combustión en el horno circular a cielo abierto de la ladrillera el recreo 2 y el horno continuo tipo Hoffman de la ladrillera Ocaña, así como la medición de gases contaminantes a 10 chircales. 3.1 ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA Y BLOQUES DE ARCILLA El propósito es la evaluación de las propiedades mecánicas de los ladrillos macizos y bloques cerámicos fabricados en el Municipio de Ocaña de forma artesanal. Se aplican pruebas estandarizadas de control de calidad no destructivas y destructivas de los ladrillos de mampostería que se seleccionaron de los diferentes chircales o unidades productivas del sector, utilizando para tal fin la norma técnica Colombina NTC-4017:2005 “Métodos para muestreo y ensayos de unidades de mampostería y otros productos de arcilla”, en donde se expone los procesos de selección y preparación de la muestra. Dichas pruebas o ensayos son: tasa de absorción inicial, ensayo de inmersión durante 24 horas, resistencia a la compresión y módulo de rotura o flexión. Se aplica a una muestra de 375 elementos seleccionados a partir de un proceso de fabricación. Se determina entonces la tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas y los valores máximos y mínimos de resistencia a la compresión y a la flexión, que permitan identificar las características y propiedades de los materiales que conforman los elementos estructurales, y establecer una comparación con los parámetros de absorción según la normatividad, así como la resistencia a la compresión y flexión, como parámetros que influyen directamente en la rigidez de las edificaciones y que concuerdan con las

65

investigaciones1616, todo esto amparado en el código Colombiano de construcción Norma Sismo Resistente del 2010 (NSR-10). Para el manejo de la base de datos se utilizó el reporte dado en Excel por la máquina Universal de ensayos tipo Pinzuar PU-100, equipo que pertenece a la Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña, y el software estadístico Statgraphics. 3.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial. El ensayo se aplica de acuerdo con la norma técnica colombiana NTC 4017, en las cinco (5) unidades de mampostería para cada uno de los fabricantes de cerámicos que hacen parte de la muestra de esta investigación (16 chircales y la ladrillera Ocaña), para un total de 90 muestras. La tasa de absorción inicial de agua (T.I.A.) dada en g/cm2/min, es una propiedad física estudiada en los ladrillos, tejas y bloques, esta mide la cantidad de agua que absorbe el ladrillo en 1 minuto417. Dado que los poros de los ladrillos funcionan como capilares en presencia de agua, cuando se coloca el mortero de pega o de relleno, los ladrillos succionan parte del agua del mortero, afectando su adherencia y el comportamiento del mortero. Una adherencia deficiente afecta la resistencia de la mampostería como también la durabilidad y la penetración de agua. El ensayo consistió en determinar el área de la superficie, la masa seca y la masa final de la muestra, (Ver figura 22). Para medir las muestras se utilizó un calibrador digital marca STANDARDGAGE de 350 mm con tolerancias de 0.1 µm y para pesarlos una balanza electrónica digital marca PINZUAR modelo PG89, que se encuentra en el laboratorio de materiales y sísmica de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña.

16 Asociación Colombiana De Ingeniería Sísmica AIS, Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10

4 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, Unidades de Mampostería de Arcilla Cocida. Ladrillos y Bloques Cerámicos NTC 4205, Bogota D.C., 2000.

66

Figura 22. Ensayo tasa de absorción inicial en unidades de mampostería

Fuente: Autor Las muestras seleccionadas se secaron durante 24 horas en un horno mufla marca PINZUAR, a temperatura entre 110 °C y 115°C. Luego se enfriaron en una cámara a una temperatura de 24 °C ± 8°C, con humedad entre el 30 y 70% durante 4 horas. Después se realiza la medición de sus longitudes y pesos, haciendo tres mediciones para cada dimensión (largo, ancho y alto) de cada muestra, estableciendo el promedio de cada longitud medida, con estas se determina el área de la superficie que va a estar en contacto con el agua, (Ver figura 23 y 24). Figura 23. Medición de las muestras seleccionadas

Fuente: Autor

67

Figura 24. Determinación de la masa seca de las muestras

Fuente: Autor Luego de pesados las muestras, se coloca la bandeja metálica sobre una superficie plana y se nivela. Se colocan los dos soportes metálicos rectangulares donde se apoyó la muestra, y se agrega agua hasta que su superficie estuviese a 3,2 mm por encima de la superficie de los soportes metálicos418 , (Ver figura 25 y 26). Figura 25. Nivelación de la bandeja metálica ensayo tasa de absorción inicial

Fuente: autor

4 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, Unidades de Mampostería de Arcilla Cocida. Ladrillos y

Bloques Cerámicos NTC 4205, Bogota D.C., 2000.

68

Figura 26. Ubicación soportes metálicos ensayo tasa de absorción inicial

Fuente: Autor Colocados los soportes metálicos y el nivel de agua indicado, se coloca cada muestra durante 60 segundos, para medir su capacidad de succión cuando estén en contacto con el mortero. Pasados 60 segundos se seca superficialmente y se toma su masa nuevamente, (Ver figura 27 y 28). Figura 27. Absorción de agua en la muestra durante 60 segundos

Fuente: Autor

69

Figura 28. Determinación masa de las muestras después de 60 segundos de inmersión

Fuente: Autor

Para la evaluación de la tasa de absorción inicial para cada muestra se utiliza la siguiente expresión:

T. I. A = G

A (1)

Donde:

T. I. A =Tasa de absorción inicial (g/cm2/mín.) G = Diferencia en gramos entre la masa inicial seca y final por cada

minuto ( g

min )

A = Área neta en contacto con el agua (cm2 )

El resultado del ensayo tasa de absorción inicial para cada una de las muestras, se muestran en la tabla 5 y 6, y los formatos para cada muestra se pueden ver en el anexo 1.

70

Tabla 5. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos

Absorción inicial

Ladrillera

Muestra Nº

Área de

contacto (

𝐜𝐦𝟐 )

Masa inicia

l ( g )

Masa final ( g )

T.I.A. (

g/𝐜𝐦𝟐/mín )

T.I.A. promedi

o (


Desviación

estándar

(g/𝐜𝐦𝟐/mín)

C.V.

(%)

El estanc

o 1

6 271,9

6 3.026,

00 3.147,

00 0,44

0,30 0,14 45,97

7 272,4

4 3.318,

00 3.358,

00 0,15

8 273,0

1 3.197,

00 3.305,

00 0,40

9 268,4

8 3.497,

00 3.591,

00 0,35

10 275,5

1 3.477,

00 3.521,

00 0,16

Los

espineles

6 271,1

4 3.064,

00 3.242,

00 0,66

0,51 0,10 19,50

7 276,0

1 3.322,

00 3.459,

00 0,50

8 271,2

2 3.153,

00 3.256,

00 0,38

9 268,4

5 3.141,

00 3.278,

00 0,51

10 272,2

5 3.188,

00 3.321,

00 0,49

El tejar

6 284,9

9 3.413,

00 3.506,

00 0,33

0,34 0,10 30,81

7 278,3

1 3.408,

00 3.496,

00 0,32

8 283,6

6 3.351,

00 3.423,

00 0,25

71

9 280,0

8 3.549,

00 3.628,

00 0,28

10 277,1

2 3.411,

00 3.555,

00 0,52

Sánchez

6 263,8

7 3.056,

00 3.191,

00 0,51

0,39 0,13 32,97

7 258,0

7 2.707,

00 2.822,

00 0,44

8 255,4

0 2.829,

00 2.942,

00 0,44

9 259,5

1 2.870,

00 2.974,

00 0,40

10 265,9

5 2.920,

00 2.966,

00 0,17

La palma

11 280,8

6 3.153,

00 3.262,

00 0,39

0,41 0,04 8,66

12 276,9

9 3.130,

00 3.246,

00 0,42

13 283,5

7 3.251,

00 3.383,

00 0,46

14 280,2

0 3.152,

00 3.260,

00 0,38

15 277,2

8 3.098,

00 3.204,

00 0,38

Los Sánch

ez

1 270,8

4 3.077,

00 3.141,

00 0,24

0,35 0,12 33,41

2 277,9

8 3.186,

00 3.269,

00 0,30

12 275,6

1 3.025,

00 3.131,

00 0,38

13 274,9

4 2.936,

00 3.017,

00 0,29

72

14 262,6

1 2.976,

00 3.117,

00 0,54

El estanc

o 2

7 270,1

5 3.209,

00 3.257,

00 0,18

0,27 0,07 27,63

9 289,8

0 3.586,

00 3.659,

00 0,25

11 270,9

2 3.457,

00 3.536,

00 0,29

13 267,5

7 3.343,

00 3.410,

00 0,25

17 279,5

7 3.328,

00 3.435,

00 0,38

La prader

a

1 255,5

1 3.519,

00 3.598,

00 0,31

0,56 0,18 31,55

2 254,1

2 3.328,

00 3.529,

00 0,79

3 254,4

4 3.294,

00 3.458,

00 0,64

5 260,2

4 3.255,

00 3.387,

00 0,51

8 252,5

7 3.126,

00 3.268,

00 0,56

Bética

1 248,5

5 2.888,

00 2.969,

00 0,33

0,42 0,13 30,16

3 257,5

1 3.357,

00 3.439,

00 0,32

6 250,7

0 3.010,

00 3.112,

00 0,41

8 255,5

3 3.007,

00 3.113,

00 0,41

9 250,2

7 2.982,

00 3.140,

00 0,63

73

Los raros

6 270,0

0 2.918,

00 3.017,

00 0,37

0,46 0,10 20,64

9 264,3

2 3.068,

00 3.223,

00 0,59

11 282,3

6 3.057,

00 3.171,

00 0,40

18 272,4

6 2.968,

00 3.082,

00 0,42

19 266,1

5 3.001,

00 3.146,

00 0,54

1 284,6

1 3.543,

00 3.650,

00 0,38

Pasos abajo

del termin

al

7 282,4

7 3.364,

00 3.551,

00 0,66

12 284,8

0 3.427,

00 3.537,

00 0,39

0,37 0,18 48,64

16 285,3

9 3.587,

00 3.638,

00 0,18

5 290,1

7 3.586,

00 3.659,

00 0,25

El estanc

o 3

1 272,9

2 3.100,

00 3.225,

00 0,46

0,27 0,15 55,56

7 268,8

0 3.120,

00 3.234,

00 0,42

12 282,4

4 3.137,

00 3.184,

00 0,17

16 275,9

9 3.211,

00 3.251,

00 0,14

5 270,5

1 3.209,

00 3.257,

00 0,18

1 277,5

0 3.157,

00 3.305,

00 0,53 0,53 0,02

3,77

74

El líbano

2 277,5

3 3.121,

00 3.262,

00 0,51

3 280,6

3 3.288,

00 3.435,

00 0,52

4 277,1

5 3.223,

00 3.365,

00 0,51

5 270,2

6 2.950,

00 3.100,

00 0,56

El

recreo 2

6 284,8

2 3.365,

00 3.455,

00 0,32

0,41 0,12 29,3

7 277,7

6 3.390,

00 3.480,

00 0,32

8 284,4

4 3.315,

00 3.482,

00 0,58

9 282,5

3 3.307,

00 3.445,

00 0,49

10 273,3

9 3.411,

00 3.511,

00 0,36

Los mellos

11 280,8

2 2.842,

00 2.949,

00 0,38

0,44 0,05 12,90

12 282,4

2 2.804,

00 2.954,

00 0,53

13 283,8

3 2.956,

00 3.072,

00 0,40

14 286,1

6 2.987,

00 3.111,

00 0,43

15 279,6

1 2.939,

00 3.066,

00 0,45 Granit

o de

6 272,8

4 3.194,

00 3.220,

00 0,09 0,24 0,08

33,33

7 272,8

1 3.138,

00 3.206,

00 0,24

75

Fuente: Autor Los resultados obtenidos en el ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos se pueden ver en la figura 29. Figura 29. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos

Fuente: Autor

00,10,20,30,40,50,6

0,3

0,51

0,340,390,41

0,35

0,27

0,56

0,42 0,46

0,37

0,27

0,53

0,41 0,44

0,24

T.I.

A.

(gr/

cm2 /

min

)

Muestra

Ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos

oro 8

274,23

3.035,00

3.121,00 0,31

9 271,8

9 3.122,

00 3.200,

00 0,28

10 272,3

3 3.113,

00 3.190,

00 0,28

76

Tabla 6. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques

Absorción inicial

Ladrillera

Muestra Nº

Área de

Contacto (

𝐜𝐦𝟐 )

Masa inicial ( g )

Masa final ( g )

T.I.A.


T.I.A. promedi

o (


Desviación

estándar


C.V. (%)

Ocaña

25 381,0

0 6.735,

00 6.872,

00 0,36

0,20

0,066

33

16 383,0

0 6.765,

00 6.835,

00 0,18

1 380,0

0 6.969,

00 7.011,

00 0,11

24 384,4

6 6.816,

00 6.887,

00 0,19

21 379,3

6 6.825,

00 6.917,

00 0,24

11 381,4

8 6.700,

00 6.773,

00 0,19

23 378,3

4 6.724,

00 6.799,

00 0,20

12 376,3

8 6.696,

00 6.765,

00 0,18

10 386,2

0 6.775,

00 6.849,

00 0,19

5 378,5

7 6.817,

00 6.872,

00 0,15

Fuente: Autor Los resultados obtenidos en el ensayo tasa de absorción inicial en bloques se pueden ver en la figura 30.

77

Figura 30.Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques

Fuente: Autor 3.1.2 Ensayo Inmersión durante 24 horas. El ensayo se realiza de acuerdo a la norma técnica colombiana NTC 4017, a las 5 unidades de mampostería para cada uno de los fabricantes de cerámicos que hacen parte de la muestra de esta investigación (18 chircales y la ladrillera Ocaña), para un total de 100 muestras. La absorción de agua, afecta la durabilidad de la unidad y de la mampostería. Si la unidad tiene absorción alta, puede presentar cambios volumétricos significativos o permeabilidad alta a la penetración de agua. Este ensayo consiste en obtener la masa seca y la masa final de la muestra que es sumergida en agua a 24 horas. Las muestras seleccionadas se secaron durante 24 horas en un horno mufla marca PINZUAR, que se encuentra en el laboratorio de materiales y sísmica de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, a temperatura entre 110 °C y 115°C. Luego se enfriaron en una cámara a

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

1 5 10 11 12 16 21 23 24 24

0,110,15

0,19 0,190,18 0,18

0,24

0,20,19

0,36

T.I.

A.

(gr/

cm2 /

min

)

Muestra

Ensayo tasa de absorción inicial en bloques de la ladrillera Ocaña

78

una temperatura de 24 °C± 8°C con humedad entre el 30 y 70% durante 4 horas. Después se determinó su masa seca, luego se sumergieron en un tanque con agua limpia a una temperatura de entre 15 °C y 30 °C durante 24 horas, (Ver figura 31 y 32)419. Figura 31. Determinación masa seca de la muestra

Fuente: Autor Figura 32. Inmersión de la muestra durante 24 horas

Fuente: Autor



79

Luego de 24 horas de inmersión, se sacó la muestra del tanque, se secó superficialmente y se determinó su masa saturada, (Ver figura 33). Figura 33. Determinación de la masa sumergida de la muestra

Fuente: Autor Para la evaluación de la absorción durante las 24 horas para cada muestra, se utiliza la siguiente expresión:

% absorción =(WSS−WS)

WS∗ 100 (2)

Donde:

% absorción = Absorción de agua de las muestras durante 24 horas Wss = Masa sumergida en agua del espécimen saturado luego de inmersión en agua fría ( g ) Ws = Masa seca del espécimen antes de inmersión ( g ) Los resultados del ensayo de inmersión durante 24 horas para cada una de las muestras se observan en la tabla 7,8 y 9 y los formatos para cada muestra se pueden ver en el anexo 2.

80

Tabla 7. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos

Absorción 24 horas

Ladrillera Muestra Nº

Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)

Absorción 24 horas prome

dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

El estanco 1

11 3.026,

00 4.056,0

0 34,04

21,30 8,21 38,5

4

12 3.318,

00 4.097,0

0 23,48

13 3.197,

00 3.846,0

0 20,30

14 3.497,

00 4.050,0

0 15,81

15 3.477,

00 3.924,0

0 12,86

Los

espineles

11 3.064,

00 3.758,0

0 22,65

16,82 4,05 24,0

8

12 3.322,

00 3.721,0

0 12,01

13 3.153,

00 3.658,0

0 16,02

14 3.141,

00 3.727,0

0 18,66

15 3.188,

00 3.658,0

0 14,74

El tejar 14

3.251,00

3.754,00

15,47 15,30 0,68 4,44

16 3.196,

00 3.667,0

0 14,74

81

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

17 3.215,

00 3.727,0

0 15,93

18 3.209,

00 3.732,0

0 16,30

20 3.195,

00 3.644,0

0 14,95

Sánchez

11 3.056,

00 3.345,0

0 9,46

21,77 9,65 44,3

3

12 2.707,

00 3.689,0

0 36,28

13 2.829,

00 3.409,0

0 20,50

14 2.870,

00 3.541,0

0 23,38

15 2.920,

00 3.482,0

0 19,25

La palma

6 3.153,

00 3.745,0

0 18,78

17,51 7,60 43,4

7 3.130,

00 3.717,0

0 18,75

8 3.251,

00 3.401,0

0 4,61

9 3.152,

00 3.807,0

0 20,78

10 3.098,

00 3.861,0

0 24,63

82

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

Bolívar

6 3.180,

00 3.756,0

0 18,11

16,54 1,41 8,52

7 3.217,

00 3.681,0

0 14,42

8 3.095,

00 3.599,0

0 16,28

9 3.143,

00 3.658,0

0 16,39

10 3.264,

00 3.835,0

0 17,49

Bética

4 2.902,

00 3.406,0

0 17,37

16,46 0,96 5,82

5 3.085,

00 3.587,0

0 16,27

7 3.106,

00 3.651,0

0 17,55

10 3.189,

00 3.688,0

0 15,65

13 3.089,

00 3.567,0

0 15,47

El estanco 2

2 3.387,

00 3.984,0

0 17,63

15,91 1,84 11,5

6 4

3.643,00

4.108,00

12,76

83

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

5 3.657,

00 4.254,0

0 16,32

6 3.694,

00 4.300,0

0 16,40

8 3.629,

00 4.225,0

0 16,42

La pradera

4 2.965,

00 3.983,0

0 34,33

20,35 7,83 38,4

6

6 3.285,

00 3.842,0

0 16,96

7 3.393,

00 3.977,0

0 17,21

9 3.345,

00 3.918,0

0 17,13

10 3.385,

00 3.931,0

0 16,13

Los Sánchez

3 3.206,

00 3.726,0

0 16,22

17,25 1,11 6,45

4 2.946,

00 3.487,0

0 18,36

5 2.851,

00 3.358,0

0 17,78

6 2.861,

00 3.316,0

0 15,90

9 2.828,

00 3.337,0

0 18,00

84

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

Los raros

1 3.030,

00 3.591,0

0 18,51

15,77 2,74 17,3

5

2 3.009,

00 3.563,0

0 18,41

10 2.965,

00 3.359,0

0 13,29

12 3.001,

00 3.383,0

0 12,73

15 3.041,

00 3.525,0

0 15,92


2 3.468,

00 4.020,0

0 15,92

15,40 0,48 3,12

6 3.418,

00 3.959,0

0 15,83

11 3.555,

00 4.080,0

0 14,77

17 3.426,

00 3.947,0

0 15,21

10 3.564,

00 4.108,0

0 15,26

El estanco 3

2 3.077,

00 3.548,0

0 15,31

15,77 1,34 8,45 6

3.195,00

3.630,00

13,62

85

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

11 3.361,

00 3.925,0

0 16,78

17 3.282,

00 3.830,0

0 16,70

10 3.311,

00 3.856,0

0 16,46

El recreo 2

6 3.283,

00 3.858,0

0 17,51

16,54 1,78 10,7

9

7 3.279,

00 3.866,0

0 17,90

8 3.369,

00 3.951,0

0 17,28

9 3.265,

00 3.705,0

0 13,48

10 3.350,

00 3.903,0

0 16,51

Los mellos

11 2.934,

00 3.572,0

0 21,75

21,02 1,53 7,28

12 2.966,

00 3.591,0

0 21,07

13 2.968,

00 3.513,0

0 18,36

14 2.901,

00 3.537,0

0 21,92

15 2.896,

00 3.533,0

0 22,00

86

Absorción 24 horas


Masa seca Ws ( g )

Masa sumerg

ida Wss ( g )

Absorción 24 horas

(%)


dio (%)

Desviación

estándar

(%)

C.V. (%)

El líbano

1 3.386,

00 4.014,0

0 18,55

18,99 1,07 5,63

2 3.255,

00 3.934,0

0 20,86

3 3.538,

00 4.182,0

0 18,20

4 3.649,

00 4.337,0

0 18,85

5 3.758,

00 4.453,0

0 18,49

Granito de Oro

6 2.988,

00 3.525,0

0 17,97

16,59 1,04 6,39

7 2.936,

00 3.425,0

0 16,95

8 3.053,

00 3.516,0

0 15,17

9 3.065,

00 3.562,0

0 16,22

10 2.965,

00 3.468,0

0 16,96

Fuente: Autor Los resultados del ensayo inmersión durante 24 horas en ladrillos se pueden ver en la figura 34.

87

Figura 34. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos

Fuente: Autor Tabla 8. Resultados ensayo inmersión 24 horas en tejas

Absorción 24 horas

Ladrillera

Muestra Nº

Masa seca Ws

( g )

Masa sumergida Wss

( g )

Absorción 24 horas

(%)

Absorción 24 horas

promedio

(%)

Desviación

estándar

(%)

C.V.

(%)

Las violetas

13 1.742,

00 2.026,00 16,30 16,79 0,40

2,36

0

5

10

15

20

2521,3

16,82

15,3

21,77

17,5116,54 16,46

15,91

20,35

17,25

15,7715,4 15,77 16,54

21,02

18,99

16,59

%A

bso

rció

n

Muestra

Ensayo inmersión 24 horas en ladrillos

88

15 1.825,

00 2.135,00 16,99

18 1.820,

00 2.119,00 16,43

19 1.919,

00 2.246,00 17,04

20 1.827,

00 2.141,00 17,19

Fuente: Autor Los resultados del ensayo inmersión durante 24 horas en tejas de la ladrillera las violetas se pueden ver en la figura 35. Figura 35. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en tejas de la ladrillera las violetas

Fuente: Autor Tabla 9. Resultados ensayo inmersión 24 horas en bloques

15,5

16

16,5

17

17,5

1315

1819

20

16,3

16,99

16,43

17,04 17,19

% A

bso

rció

n

Muestra

Ensayo inmersión durante 24 horas en tejas de la ladrillera las violetas

Absorción 24 horas

ladrillera

Muestra Nº

Masa inicial ( g )

Masa final ( g )

Absorción

24 horas

Absorción 24

Desviación

C.V. (%)

89

Fuente: Autor Los resultados del ensayo inmersión durante 24 horas en bloques de la ladrillera Ocaña se pueden ver en la figura 36. Figura 36. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en bloques de la ladrillera Ocaña

(%) horas promedi

o (%)

estándar

(%)

Ocaña

2 6.803,

00 7.650,00

12,45

12,55

3 6.743,

00 7.589,00

12,55

6 6.758,

00 7.615,00

12,68

7 6.867,

00 7.713,00

12,31

13 6.740,

00 7.595.00

12,69 0.14 1,12

14 6.768,

00 7.608,00

12,41

15 6.790,

00 7.642,00

12,55

17 6.837,

00 7.698,00

12,59

19 6.844,

00 7.700,00

12,51

20 6.729,

00 7.586,00

12,77

90

Fuente: Autor 3.1.3 Ensayo resistencia a la compresión. El ensayo se realizó de acuerdo a la norma técnica colombiana NTC 4017, en las 5 unidades de mampostería para cada uno de los fabricantes de cerámicos que hacen parte de la muestra de esta investigación (14 chircales y la ladrillera Ocaña), para un total de 85 muestras.

La resistencia a la compresión de ladrillo de arcilla f´cu , se usa como control de calidad en la elaboración (dosificación de los materiales, temperatura y tiempo de horneado), así como para conocer la calidad de los materiales y la calidad de la materia prima utilizados en la fabricación del ladrillo. El ensayo resistencia a la compresión consiste en llevar la muestra a la falla y registrar la carga de rotura en el área de contacto, para determinar el esfuerzo de compresión máximo420.



12

12,2

12,4

12,6

12,8

2 3 6 7 13 14 15 17 19 20

12,45

12,55

12,68

12,31

12,69

12,41

12,55 12,59

12,51

12,77

% A

bso

rció

n

Muestra

Ensayo inmersión durante 24 horas en bloques de la ladrillera Ocaña

91

El procedimiento inicia con el secado de las muestras, los cuales deben permanecer en un horno mufla durante 24 horas a una temperatura entre 110 °C y 115 °C, hasta que en dos pesajes sucesivos a intervalos de 2 horas, no se presente una pérdida de masa superior al 0,2% del último peso421, (Ver figura 37). Figura 37. Proceso de secado de las muestras en el horno mufla

Fuente: Autor Una vez secados las muestras se realiza el enfriamiento, que consiste en la introducción de las muestras en una cámara a una temperatura de 24 ± 8 °C, con humedad entre el 30% y 70 % durante 4 horas, (Ver figura 38).



92

Figura 38. Cámara de enfriamiento de las muestras

Fuente: Autor Luego de enfriadas las muestras se procedió a refrentarlas con yeso de secado rápido “supermold”, aplicando una capa delgada de 3,2 mm sobre cada una de las caras opuestas a la aplicación de la carga hasta quedar aproximadamente paralelas entre sí, con el objetivo de lograr uniformidad en la carga aplicada sobre la superficie de la muestra, (Ver figura 39). Figura 39. Refrentado de las muestras

Fuente: Autor Finalmente, se llevan las muestras a una máquina universal marca PINZUAR modelo PV-100-600 serie 109 con capacidad de 1.000 KN,

93

que se encuentra en el laboratorio de materiales y sísmica de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, y se aplica una carga en el área de contacto hasta llevarlas a la falla, (Ver figura 40 y 41). Figura 40. Máquina universal PV 100-60

Fuente: Autor Figura 41. Ensayo resistencia a la compresión

Fuente: Autor

94

Para cada una de las muestras ensayadas, la maquina universal suministra un formato con la gráfica: fuerza aplicada a la muestra vs tiempo, en la que registra el valor de resistencia a la compresión. Para la evaluación del cálculo de la resistencia a la compresión para cada muestra, se utilizó la siguiente expresión:

f ´cp =

W

A (3)

Dónde:

f ´cp = Resistencia de la muestra a la compresión ( MPa )

W = Carga máxima de rotura ( N ) A = Promedio de las áreas brutas de las superficies superior e inferior de

la muestra (mm2)

Los resultados obtenidos en el ensayo resistencia a la compresión para cada una de las muestras se observan en la tabla 10 y 11, y los formatos para cada muestra se pueden ver en el anexo 3. Tabla 10. Resistencia a la compresión en ladrillos

Resistencia a la compresión

Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

El

Estanco 1

16 27.762,4

9 78.410,0

0 2,82

3,76

0,58

15,38

17 26.693,3

1 109.920,

00 4,12

95


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

18 26.977,6

3 97.110,0

0 3,60

19 26.081,9

7 110.860,

00 4,25

20 27.048,2

0 108.910,

00 4,03

El tejar

11 27.266,9

7 77.200,0

0 2,83

2,93

0,10

3,38

12 26.872,4

3 81.500,0

0 3,03

13 27.266,4

0 82.960,0

0 3,04

15 27.233,0

4 78.500,0

0 2,88

19 26.806,4

1 76.850,0

0 2,87

La palma

16 27.296,3

8 107.750,

00 3,95

3,83

0,11

2,94

17 27.418,9

2 102.950,

00 3,75

18 27.706,0

2 107.600,

00 3,88

96


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

19 27.992,0

2 102.840,

00 3,67

20 27.852,4

7 108.470,

00 3,89

Los espineles

16 27.350,5

6 96.440,0

0 3,53

3,34

0,4

11,91

17 27.783,5

1 88.530,0

0 3,19

18 27.345,0

5 92.450,0

0 3,38

19 26.625,4

8 102.070,

00 3,83

20 27.071,1

6 74.890,0

0 2,77

Los Sánchez

15 23.383,0

0 94.340,0

0 4,03

4,05 1,07 26,42 16

26.920,00

155.330,00

5,77

17 27.025,0

0 102.120,

00 3,78

19 28.084,0

0 79.080,0

0 2,82

97


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

20 27.116,0

0 104.870,

00 3,87

Bética

11 25.228,0

0 93.200,0

0 3,69

4,32 0,57 13,29

14 27.055,0

0 100.010,

00 3,70

15 24.454,0

0 113.190,

00 4,63

17 25.623,0

0 121.590,

00 4,75

20 24.031,0

0 116.110,

00 4,83

Los raros

3 26.211,0

0 135.510,

00 5,17

5,23

2,57

49,17

7 26.285,0

0 124.990,

00 4,76

13 26.220,0

0 86.400,0

0 3,30

16 27.490,0

0 91.750,0

0 3,34

20 26.858,0

0 257.100,

00 9,57

98


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

El estanco 2

3 28.263,0

0 102.540,

00 3,63

4,26 0,59 13,87

12 27.008,0

0 110.790,

00 4,10

14 26.900,0

0 104.090,

00 3,87

15 26.778,0

0 136.640,

00 5,10

16 26.530,0

0 121.790,

00 4,59


3 28.353,0

0 182.640,

00 6,44

7,28 0,59 8,10

9 28.134,0

0 197.610,

00 7,02

14 28.238,0

0 218.070,

00 7,72

18 28.919,0

0 228.850,

00 7,91

15 28.188,0

0 201.325,

00 7,14

3

27.068,00

275.190,00

10,17 10,51 1,04 9,95

99


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

El estanco 3 9

26.431,00

311.810,00

11,80

14 27.061,0

0 297.610,

00 11,00

18 28.871,0

0 262.520,

00 9,09

15 28.263,0

0 282.354,

00 9,99

El recreo 2

6 28.060,0

0 254.380,

00 9,07

5,06 2,45 48,37

7 29.036,0

0 147.270,

00 5,07

8 28.175,0

0 128.290,

00 4,55

9 28.188,0

0 118.320,

00 4,20

10 28.304,0

0 68.660,0

0 2,43

Los mellos

11 28.181,0

0 254.380,

00 9,03

5,12 2,43 47,44

12 27.375,0

0 147.270,

00 5,38

100


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

13 28.107,0

0 128.290,

00 4,56

14 28.082,0

0 118.320,

00 4,21

15 28.136,0

0 68.660,0

0 2,44

El líbano

1 45.422,0

0 55.610,0

0 1,22

1,58 0,26 16,76

2 32.595,0

0 44.540,0

0 1,37

3 32.205,0

0 57.180,0

0 1,78

4 32.382,0

0 57.940,0

0 1,79

5 32.200,0

0 56.090,0

0 1,74

Granito de oro

6 26.283,0

0 105.390,

00 4,01

4,60 0,43 9,26 7

25.859,00

129.510,00

5,01

8 26.228,0

0 126.360,

00 4,82

101


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxima

W (N)

Resistencia

a la compresió

n 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resiste

ncia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

9 26.063,0

0 127.200,

00 4,88

10 26.202,0

0 112.830,

00 4,31

Fuente: Autor Los resultados del ensayo resistencia a la compresión en ladrillos para cada fabricante se muestran en la figura 42.

102

Figura 42. Resistencia a la compresión en ladrillos

Fuente: Autor Tabla 21. Resistencia a la compresión en bloques


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxim

a W

(N)

Resistencia a la

compresión 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resistencia a la

compresión

promedio 𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

22

38.120,00

51.980,00

1,36 1,63 0,626

38,41

26 38.215

,30 45.680,

00 1,20

0

2

4

6

8

10

12

3,762,93

3,833,34

4,05 4,325,23

4,26

7,28

10,51

5,06 5,12

1,58

4,6

f cp

(MP

a)

Muestra

Ensayo resistencia a la compresión en ladrillos

103


Ladrillera

Muestra Nº

Área A

(𝐦𝐦𝟐)

Carga máxim

a W

(N)

Resistencia a la

compresión

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Resistencia a la

compresión

promedio

𝐟’𝐜𝐩

(MPa)

Desviación

estándar

(MPa)

C.V. (%)

27 38.808

,90 50.480,

00 1,30

28 38.215

,30 71.680,

00 1,88

29 38.459

,90 54.050,

00 1,41

1 37.971

,50 43.820,

00 1,15

10 38.620

,80 66.910,

00 1,73

11 38.148

,60 96.010,

00 2,52

12 37.638

,80 94.740,

00 2,52

23 37.834

,10 59.579,

00 1,57

7 38.808

,90 80.330,

00 2,07

3 38.412

,08 79.410,

00 2,07

14 38.179

,20 52.960,

00 1,39

17 38.520

,00 3.710,0

0 0,10

6 38.135

,10 86.020,

00 2,26

Fuente: Autor

104

Los resultados del ensayo resistencia a la compresión en bloques para cada fabricante se muestran en la figura 43. Figura 43. Resistencia a la compresión en bloques

Fuente: Autor 3.1.4 Ensayo módulo de rotura o flexión. El ensayo se realiza de acuerdo a la norma técnica colombiana NTC 4017, a las 5 unidades de mampostería para cada uno de los fabricantes de cerámicos que hacen parte de la muestra de esta investigación (17 chircales y la ladrillera Ocaña), para un total de 100 muestras. El módulo de rotura o flexión es una propiedad importante como criterio de durabilidad y para entender el mecanismo de falla de la mampostería,

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 3 6 7 10 11 12 14 17 22 23 26 27 28 29

1,15

2,072,26

2,07

1,73

2,52 2,52

1,39

0,1

1,361,57

1,2 1,3

1,88

1,41

f cp

(MP

a)

Muestra

Ensayo resistencia a la compresión en bloques de la ladrillera Ocaña

105

cuando está solicitada a esfuerzos de compresión y flexión casos muy comunes en la mampostería. El ensayo de rotura o flexión consiste en que el ladrillo es sometido a carga puntual en el centro de la pieza con una velocidad de carga inferior

a 1,3 mm

mín , registrando la carga de rotura y obteniendo el módulo de

rotura MR. El procedimiento inicia con el secado de las muestras, las cuales deben permanecer en un horno mufla durante 24 horas a una temperatura entre 110 °C y 115 °C, hasta que en dos pesajes sucesivos a intervalos de 2 horas, no se presente una pérdida de masa superior al 0,2% del último peso. Una vez secados las muestras se realiza el enfriamiento, que consiste en la introducción de las unidades de mampostería en una cámara a una temperatura de 24 ± 8 °C, con humedad entre el 30% y 70 % durante 4 horas. Después de enfriadas las muestras se procede a refrentarlos, aplicando una capa delgada de yeso (no superior a 3 mm), sobre cada una de las caras opuestas a la aplicación de la carga, hasta quedar aproximadamente paralelas entre sí, con el objetivo de lograr uniformidad en la carga aplicada sobre la superficie de la muestra422.

Para la realización del ensayo módulo de rotura o flexión se utiliza la maquina universal PV-100-60 número de serie 109 que se encuentra en el laboratorio de materiales y sísmica de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña. El procedimiento inicia colocando dos barras solidas como soportes a aproximadamente 12,5 mm de los bordes de la muestra. Luego se coloca la muestra con el lado plano hacia abajo, es decir, que se aplica la carga en la dirección de la profundidad de la muestra, y se aplica la carga en el centro de la luz de la cara superior mediante una placa de acero de apoyo de 6 mm de espesor, (Ver figura 44 y 45).



106

Figura 44. Ubicación de soportes para realización ensayo módulo de rotura

Fuente: Autor Figura 45. Montaje ensayo módulo de rotura o flexión

Fuente: Autor Después de que ocurre la falla, se procede a realizar la medición del plano de falla en la que se realizan tres mediciones de este y se obtiene el promedio, (Ver figura 46 y 47).

107

Figura 46. Falla muestra ensayo de rotura o flexión

Fuente: Autor Figura 47. Diagrama de cuerpo libre para la deducción de la fórmula del módulo de rotura

Fuente: Autor Para cada una de las muestras ensayadas, la maquina universal suministra un formato con la gráfica fuerza aplicada a la muestra vs tiempo, véase el anexo 4.

108

Para la evaluación del módulo de rotura para cada muestra se utiliza la siguiente expresión:

MR =3W ∗ (

L2 − X)

b ∗ d2 (4)

Donde:

MR = Módulo de rotura de la muestra ( Pa ) W = Carga máxima de rotura ( N ) L = Distancia entre los soportes ( mm ) B = Ancho neto de la muestra en el plano de falla ( mm ) d = Profundidad de la muestra en el plano de falla ( mm ) X = Distancia promedio del plano de falla al centro de la pieza, medida en la dirección de la línea central de la superficie sometida a tensión ( mm ) Los resultados del ensayo módulo de rotura o flexión de las muestras se observan en la tabla 12, 13,14 y 15.

Tabla 32. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

El estanco

1

1 10.229,0

0 213,0

0 114,0

5 74,20 14,33

2 4.352,93 211,0

0 112,1

5 71,23 11,67

3 1.396,79 214,0

0 115,1

6 72,48 22,33

4 2.215,60 210,0

0 114,4

0 74,73 20,67

5 4.106,08 215,0

0 115,1

7 77,89 5,33

109

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

El tejar

1 3.425,75 214,0

0 114,3

4 75,24 45,33

2 3.124,72 218,0

0 113,1

4 94,73 25,00

3 3.040,43 217,0

0 115,4

2 76,08 14,00

4 3.016,35 215,0

0 114,1

4 72,93 10,67

5 4.377,01 213,0

0 113,7

3 72,38 11,00

La palma

1 5.551,04 209,0

0 116,2

2 67,62 16,00

2 2.974,20 214,0

0 116,1

2 68,81 29,33

3 4.286,70 213,0

0 115,4

7 69,35 18,33

4 1.667,72 213,0

0 115,4

9 71,22 3,33

5 3.552,18 211,0

0 115,8

4 69,70 14,00

Los espinele

s

1 1.366,69 216,0

0 112,2

8 72,23 5,67

2 2.215,60 214,0

0 111,5

3 71,23 4,67

3 1.788,13 216,0

0 112,5

7 71,66 6,00

4 1.806,20 213,0

0 111,5

8 72,05 17,67

5 1.721,91 217,0

0 112,1

9 70,61 27,00

110

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

Bolívar

1 6.123,00 210,0

0 113,3

5 69,48 9,00

2 5.888,20 214,0

0 111,9

8 69,58 20,90

3 9.018,93 209,0

0 112,2

3 69,67 8,67

4 6.694,96 214,0

0 111,0

7 69,22 16,33

5 4.226,50 211,0

0 112,3

5 67,94 3,33

Sánchez

1 1.968,75 214,0

0 112,5

2 67,62 12,33

2 3.937,51 215,0

0 110,5

4 67,56 8,67

3 2.594,90 217,0

0 111,0

3 74,30 18,33

4 2.071,10 217,0

0 111,7

6 65,87 8,33

5 3.786,99 213,0

0 111,7

9 74,54 3,00

El

estanco 2

1 3.293,20 225,0

0 115,7

7 77,27 5,33

19 3.510,00 224,0

0 114,7

0 78,60 16,67

10 2.606,94 225,0

0 117,9 76,13 5,67

18 5.587,16 226,0

0 113,0

0 78,03 30,00

111

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

20 2.841,70 225,0

0 115,6

7 76,67 10,67

Bética

12 3.588,30 225,0

0 106,6

7 61,77 26,67

18 2.986,20 224,0

0 109,3

3 67,33 17,00

19 2.167,40 225,0

0 108,3

3 56,33 30,67

2 1.577,40 225,0

0 106,3

3 57,70 31,67

16 1.806,19 224,0

0 108,3

3 67,53 18,00

Los Sánchez

10 4.485,30 227,0

0 110,7

0 65,70 21,67

7 3.485,90 223,0

0 110,9

0 67,50 24,00

8 3.516,00 225,0

0 111,8

0 70,67 18,67

11 2.095,10 225,0

0 115,9

7 69,77 15,67

18 2.679,10 223,0

0 115,5

3 73,40 11,67

La pradera

13 10.120,7

0 224,0

0 110,6

7 65,00 5,00

15 11.776,3

0 225,0

0 108,3

3 68,00 7,33

14 11.240,5

0 226,0

0 111,6

7 67,33 7,33

112

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

12 4.027,80 222,0

0 109,0

0 65,67 8,00

11 2.811,64 224,0

0 108,6

7 68,00 4,33

Los raros

1 2.179,40 223,0

0 110,8

3 67,27 9,67

19 4.045,80 225,0

0 113,5

0 68,15 13,00

10 3.166,80 226,0

0 113,0

0 66,17 6,30

18 2.257,70 226,0

0 113,8

3 67,33 24,33

20 3.341,46 225,0

0 115,4

0 67,17 24,67

Pasos abajo

terminal

4 1.456,99 241,0

0 115,2

0 72,40 30,30

8 6.454,14 244,0

0 117,2

0 72,50 13,60

13 2.763,48 242,0

0 116,8

0 75,00 10,00

19 1.318,52 224,0

0 114,4

0 72,00 62,30

20 3.510,04 224,0

0 114,7

0 78,60 16,67

4 4.666,00 242,0

0 112,0

3 72,00 20,00

8 6.454,14 243,0

0 115,1

7 73,00 22,66

113

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

El estanco

3

13 3.883,32 243,0

0 113,6

7 71,00 9,67

19 3.130,74 246,0

0 114,6

7 73,00 12,66

20 3.293.30 225,0

0 115,7

7 77,27 5,33

El Líbano

1 6.393,93 239,0

0 115,0

0 72,00 2,00

2 3.642,49 242,0

0 114,6

7 73,00 12,33

3 3.269,21 214,0

0 115,1

6 72,48 22,33

4 3.347,48 242,6

7 117,0

0 72,00 8,33

5 3.943,52 241,6

7 115,6

7 72,33 12,67

El recreo

2

6 2.920,01 258,0

0 131,3

3 69,67 34,00

7 1.709,86 253,0

0 130,0

0 66,67 13,00

8 2.739,39 256,6

7 131,6

7 64,00 18,67

9 3.136,75 255,3

3 130,0

0 66,67 13,00

10 2.366,11 257,3

3 131,0

0 63,00 23,00

Granito

de 6 3.823,11

237,00

115,00

67,33 12,67

114

Ladrillera

Muestra

Carga máxima

W (N)

L (mm)

B (mm)

d

(mm)

X

(mm)

oro 7 3.672,59

238,00

115,33

67,33 35,33

8 3.871,27 237,0

0 116,3

3 68,33 12,00

9 3.485,95 240,0

0 116,0

0 66,67 36,33

10 5.081,42 240,0

0 113,6

7 68,67 22,67

Los mellos

11 6.743,12 241,0

0 115,3

3 68,00 15,33

12 7.038,14 246,0

0 114,6

7 63,67 7,33

13 11.053,9

1 245,3

3 113,6

7 65,33 6,67

14 11.523,5

2 242,0

0 114,0

0 66,67 12,67

15 11.914,8

6 238,3

3 117,3

3 70,67 34,00

Fuente: Autor

115

Tabla 43. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

El estanco

1

10.229,00

4,50

1,98 1,55 78,03

2

4.352,93

2,15

3

1.396,79

0,59

4

2.215,60

0,88

5

4.106,08

1,80

El tejar

1

3.425,75

0,98

1,32 0,51 38,75

2

3.124,72

0,78

3

3.040,43

1,29

4

3.016,35

1,44

5

4.377,01

2,10

La palma

1

5.551,04

2,77

1,74

0,73

41,95

2

2.974,20

1,26

3

4.286,70

2,04

116

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

4

1.667,72

0,88

5

3.552,18

1,73

Los espinel

es

1

1.366,69

0,72

0,89 0,20 21,99

2

2.215,60

1,20

3

1.788,13

0,95

4

1.806,20

0,83

5

1.721,91

0,75

Bolívar

1

6.123,00

3,22

3,34 0,87 26,05

2

5.888,20

2,81

3

9.018,93

4,76

4

6.694,96

3,42

5

4.226,50

2,50

Sánche

z

1 1.968,

75 1,09 1,54 0,54 34,72

117

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

2

3.937,51

2,31

3

2.594,90

1,15

4

2.071,10

1,28

5

3.786,99

1,89

El estanco

1

3.293,20

1,53

1,49 0,32 21,35

19

3.510,00

1,42

10

2.606,94

1,22

18

5.587,16

2,02

20

2.841,70

1,28

Bética

12

3.588,30

2,27

1,53 0,51 33,25

18

2.986,20

1,72

19

2.167,40

1,55

2

1.577,40

1,08

118

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

16

1.806,19

1,03

Los

Sánchez

10

4.485,30

2,59

1,71 0,58 34,13

7

3.485,90

1,81

8

3.516,00

1,77

11

2.095,10

1,08

18

2.679,10

1,29

La pradera

13

10.120,70

6,95

5,17

2,71

52,40

15

11.776,30

7,42

14

11.240,50

7,04

12

4.027,80

2,65

11

2.811,64

1,81

Los raros

1

2.179,40

1,33 1,70 0,47 27,79

19

4.045,80

2,29

119

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

10

3.166,80

2,05

18

2.257,70

1,16

20

3.341,46

1,69

Pasos abajo

del terminal

4

1.456,99

0,65

1,45 1,38 95,17

8

6.454,14

3,41

13

2.763,48

1,40

19

1.318,52

0,33

20

3.510,04

0,13

El estanco

4

4.666,00

2,43

2,38

1,24

51,10

8

6.454,14

3,12

13

3.883,32

2,27

19

3.130,74

1,70

20

3.293.30

0,12

120

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

El líbano

1

6.393,93

3,78

2,21

0,91

41,36

2

3.642,49

1,94

3

3.269,21

1,37

4

3.347,48

1,87

5

3.943,52

2,11

El recreo 2

6

2.920,01

1,3

1,454

0,33

22,71

7

1.709,86

1,00

8

2.739,39

1,67

9

3.136,75

1,86

10

2.366,11

1,44

Granito de oro

6

3.823,11

2,32

2,16

0,44

20,42

7

3.672,59

1,76

8

3.871,27

2,27

121

Ladrillera

Muestra

Carga

máxima W (N)

Módulo de

rotura

MR (Pa)

Módulo de

rotura promedi

o MR (Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

9

3.485,95

1,69

10

5.081,42

2,76

Los

mellos

11

6.743,12

3,98

5,946

1,65

27,72

12

7.038,14

5,25

13

11.053,91

7,92

14

11.523,52

7,39

15

11.914,86

5,19

Fuente: Autor Los resultados del módulo de rotura o flexión en ladrillos para cada fabricante se muestran en la figura 48.

122

Figura 48. Módulo de rotura o flexión en ladrillos

Fuente: Autor Tabla 54. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques

Ladrillera

Muestra

Carga máxim

a W (N)

L (mm)

B (mm)

D

(mm)

X

(mm)

4 4.714,1

0 374,6

0 399,6

0 196,0

0 0,02

0

1

2

3

4

5

6

1,98

1,321,74

0,89

3,34

1,54 1,49 1,53 1,71

5,17

1,71,45

2,382,21

1,45

2,16

5,95

MR

(P

a)

Muestra

Ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos

123

Ladrillera

Muestra

Carga máxim

a W (N)

L (mm)

B (mm)

D

(mm)

X

(mm)

Ocaña

18 7.122,8

4 397,5

0 400,0

0 195,3

0 0,04

9 3.431,4

0 398,5

0 401,0

0 195,7

0 0,01

8 8.594.9

3 376,8

0 401,8

0 194,9

0 0,01

25 8.206,1

0 394,8

0 397,3

0 193,1

7 0,70

21 7.056,2

0 399,8

0 402,3

0 194,0

0 0,33

5 10.722,

80 393,5

0 396,0

0 193,0

0 1,37

24 1.549,3

0 402,2

0 404,7

0 195,3

0 0,80

16 9.247,7

0 393,5

0 396,0

0 195,7

0 1,13

30 7.616,1

0 375,0

0 409,0

0 194,0

0 0,09

13 1.780,0

0 373,0

0 398,0

0 195,0

0 11,67

2 5.590,0

0 374,0

0 399,0

0 196,3

0 4,37

20 7.380,0

0 376,0

0 401,0

0 194,3

0 13,67

19 7.190,0

0 375,0

0 400,0

0 195,0

0 124,3

3

15 13.230,

00 374,0

0 399,0

0 195,7

0 2,33

Fuente: Autor

124

Tabla 15. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques

Ladrillera

Muestra

Carga máxim

a W

(N)

Módulo de

rotura MR

(Pa)

Módulo de

rotura promedio MR

(Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

Ocaña

4 4.714,1

0 0,17

0,27 0,12 44,14

18 7.122,8

4 0,28

9 3.431,4

0 0,13

8 8.594,9

3 0,32

25 8.206,1

0 0,33

21 7.056,2

0 0,28

5 10.722,

80 0,43

24 1.549,3

0 0,33

16 9.247,7

0 0,36

30 7.616,1

0 0,28

13 1.780,0

0 0,06

2 5.590,0

0 0,20

20 7.380,0

0 0,25

19 7.190,0

0 0,09

125

Ladrillera

Muestra

Carga máxim

a W

(N)

Módulo de

rotura MR

(Pa)

Módulo de

rotura promedio MR

(Pa)

Desviación

estándar

(Pa)

C.V (%)

15 13.230,

00 0,48

Fuente: Autor Los resultados del módulo de rotura o flexión en bloques para cada fabricante se muestran en la figura 49. Figura 49. Módulo de rotura o flexión en bloques de la ladrillera Ocaña

Fuente: Autor

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

2 4 5 8 9 13 15 16 18 19 20 21 24 25 30

0,20,17

0,43

0,32

0,13

0,26

0,48

0,36

0,28 0,29

0,250,28

0,33 0,33

0,28

MR

(P

a)

Muestra

Ensayo módulo de rotura o flexión en bloques de la ladrillera Ocaña

126

3.2. VALIDACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL EN LOS HORNOS SELECCIONADOS. La analogía del proceso de cocción debe comenzar con el establecimiento de la curva ideal de temperaturas, que permita evitar las roturas de precalentamiento, cocción o enfriamiento. Estas roturas, lo mismo que sucede con las de secado, son producidas por tensiones de tracción derivadas de las diferencias de contracción o dilatación que tienen lugar en la misma pieza. Estas diferencias, dependen a su vez, de los gradientes térmicos que en un momento determinado puedan existir en la pieza, los cuales varían a lo largo del proceso de cocción en función de las reacciones endotérmicas o exotérmicas que se producen o de la mayor o menor difusividad térmica del material1723. La pieza responde a las tensiones de cocción deformándose elásticamente. La deformación elástica tiene un límite que se puede llegar a sobrepasar si el calentamiento o enfriamiento son muy rápidos. Entonces la pieza queda sometida a tensiones. Si dichas tensiones son superiores a la resistencia que el material es capaz de oponer a las mismas, se producirán grietas de cocción. Durante la cocción, la arcilla sufre profundas transformaciones que afectan tanto a su elasticidad como a su resistencia mecánica1724. Se procede al registro de datos en los hornos de las empresas seleccionadas, utilizando un computador portátil con el desarrollo de la aplicación HORNO TEST 1.2 producto del trabajo de grado y que es propiedad de la Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña y los driver para la comunicación del sistema embebido compact RIO. Una vez finalizado el montaje de los termopares, se conectaron los terminales de estos al módulo E/S NI 9213 acoplado al chasis NI 9184, y se procede

17 M. Fernandez, Cocción de Productos Céramicos, Laboratorio Técnico Céramico, 2000.

17 M. Fernandez, Cocción de Productos Céramicos, Laboratorio Técnico Céramico, 2000.

127

a testear y a ejecutar el programa dando inicio a la adquisición de datos de temperatura. En el horno de la ladrillera el recreo 2, se programa el software de adquisición para que registrará temperaturas en el intervalo de tiempo cada 5 minutos (300 segundos). El proceso de registro de los datos inicio el miércoles 22 día miércoles 22 de abril de 2015 a las 04:38:16 p.m., cuando empezó el proceso combustión del carbón en la parte inferior del horno y terminó hasta el final del proceso de cocción el sábado 25 día sábado 25 de abril de 2015 a las 12:07:32 p.m. El monitoreo en este horno tuvo una duración de dos días con diez y nueve horas. Para cada posición en el horno se registraron 798 datos para un total de 6.248 registros en el proceso de cocción. Los datos de adquisición se muestran en el anexo 5 y el perfil de temperatura generado en este horno se muestra en la figura 50. Figura 50. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera el recreo 2

Fuente: D. E. Marrugo C

(intervalo de tiempo cada cinco minutos)

Tem

pera

tura

(°C

)

128

En el horno de la ladrillera Ocaña se programa el software de adquisición para que registrará temperaturas en el intervalo de tiempo cada 3 minutos (180 segundos). El proceso de registro de los datos inicia el día sábado 25 de Marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. y termina en el final del proceso de cocción, el día domingo 26 de Marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m. El monitoreo en este horno tuvo una duración de veinte y dos horas y 38 minutos. Para cada posición en el horno se registraron 441 datos para un total de 7.056 registros en el proceso de cocción. Los datos de adquisición se muestran en el anexo 6 y el perfil de temperatura generado en este horno se muestra en la figura 51. Figura 51. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera Ocaña

Fuente: D. E. Marrugo C 3.3. EVALUACIÓN ENERGÉTICA EN LOS HORNOS DE LA LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCANA El balance energético tiene como objetivo estimar el intercambio de calor teniendo en cuenta todas las entradas y salidas de energía. Esto permite cuantificar el calor generado por fuentes externas, tales como la

(intervalo de tiempo cada tres minutos)

129

combustión de combustible. Esta energía se utiliza en los hornos para calentar la carga, evaporar la humedad, proporcionar el calor necesario para las reacciones endotérmicas, tales como deshidroxilación caolinita y la sinterización del material cerámico1825, así como para estimar la pérdida de energía en las paredes del horno.

En general, para mejorar los procesos térmicos de los hornos hay que tener en cuenta la energía suministrada por el combustible que se consume en las diferentes etapas del proceso de cocción de los hornos. El análisis se determina a partir de la siguiente expresión:

QT = Qo + Qcm + Qwm + Qdq + Qwc + Qac + Qwa + Qi + Qpa + Qh (5)

Donde: QT= Cantidad de calor total suministrado al horno Qo= Acumulación de calor en mampostería en el horno

Qcm= Calor por carga del material a cocer Qwm= Calor para sacar la humedad del material Qdq= Calor necesario para la descomposición química de arcilla

Qwc= Calor por humedad de carbón

Qac= Calor por agua formada en la combustión Qwa= Calor por humedad de aire Qi= Calor por inquemados Qpa= pérdida de calor por las paredes del horno

Qh= Calor por humos En consecuencia, lo importante es conseguir que el aporte de calor para las reacciones que se producen en los productos, y la cantidad de calor perdido por los gases en la chimenea y las paredes del horno sea baja. En este sentido, se garantizaría una mayor eficiencia térmica, lo que equivaldría a un menor consumo de combustible. 3.3.1. Calor de entrada. Es la energía liberada por la combustión del carbón utilizado durante la quema, y es igual al poder calorífico del

18 R. Oba, Análise Térmica Numérica e Experimental de um Forno Túnel, Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2011.

130

carbón multiplicado por el consumo de carbón durante el proceso de cocción, para la evaluación de este calor, se utiliza la siguiente expresión:

QH = Pc ∗ mc (6)

Donde:

QH= Calor de entrada ( kJ )

Pc= Poder calorífico del carbón ( kJ

kg )

Pc = 32.800,00 kJ

Kg 26 19

mc = Masa de combustible ( kg )

En la ladrillera el Recreo 2 se utilizaron 1.500,00 kg de carbón y en

ladrillera Ocaña se utilizaron 10.370,76 kg de carbón. El calor de entrada suministrado al horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

QH = 32.800,00 kJ

kg∗ 1.500,00 kg

QH = 49.200.000 kJ QH = 49,2 ∗ 106 kJ

De igual forma se evalúa el calor de entrada suministrado al horno de la

ladrillera Ocaña y su valor es QH = 340,16 ∗ 106 kJ. 3.3.2. Acumulación de calor en mampostería. El calor liberado dentro del horno se transfiere en parte a sus paredes y al piso. La diferencia de temperaturas entre las partes exterior e interior del horno mide el calor acumulado en el horno. La influencia de este calor acumulado en el consumo de combustible, es mayor en cuanto más frecuentes son las interrupciones en el trabajo del horno o en procesos de quemas no continuas. La influencia de este calor acumulado en el horno ayuda a disminuir el consumo de combustible.

19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.

131

Para la evaluación de este calor en el horno de la ladrillera el Recreo 2 se utiliza la siguiente expresión:

Q𝐨 = Qopa+ Qopis

(7)

Qopa= ρo ∗ Co ∗ Vpa ∗ TmPa (8)

Qopis= ρo ∗ Co ∗ Vpis

∗ TmPis (9)

Donde: Qo = Acumulación de calor en mampostería ( kJ ) Qopa

= Calor acumulado en la pared del horno ( kJ )

Qopis= Calor acumulado en el piso del horno ( kJ )

ρo= Densidad volumétrica del ladrillo del horno ( kg

m3 )

ρo = 1.922,00 kg

m3 27 19

Co= Calor específico del ladrillo del horno ( kJ

kg−°K )

Co = 0,79 kJ

kg−°K 28 19

Vpa= Volumen total de la pared del horno ( m3 )

Vpis= Volumen del piso del horno ( m3 )

TmPa= Temperatura media de la pared del horno ( ℃ )

TmPis= Temperatura media del piso del horno ( ℃ )

Para evaluar el calor sensible de los materiales, se toman las temperaturas máximas durante la prueba2029. Con las temperaturas de

la superficie exterior T7 e interior T3 de la pared, se evalúa la temperatura media de la pared del horno TmPa

; y con las temperaturas de la superficie

exterior T6 e interior T2 del piso, se evalúa la temperatura media del piso del horno TmPis

, las cuales se calculan usando las siguientes ecuaciones

y se muestran en la tabla 16:


20 British Estandar Test Code, Normas para el Cálculo del Balance Térmico en Hornos de Ladrillo.ano

132

TmPa=

T3máx + T7máx

2 (10)

TmPis=

T2máx + T6máx

2 (11)

Tabla 16. Temperatura media de la pared y el piso del horno

Punto de

medición

Temperatura interna ( °C )

Temperatura externa

( °C )

Temperatura media ( °C )

Pared 468,15 140,45 304,30

Piso 986,54 217,40 601,97

Fuente: D. E. Marrugo C Para evaluar el volumen del horno, el cual está compuesto por las paredes y el piso del horno, el volumen de la pared se evaluará restándole al volumen del cilindro el volumen de la puerta de cargue y descargue de productos, véase figura 61. La pared del horno es un cilindro de diámetro interno y externo de 2,60 m y 2,12 m respectivamente y altura de 4,40 m. La puerta de cargue tiene una altura de 2,50 m y el espesor de la pared es de 0,24 m, (Ver figura 52 y 53).

133

Figura 52.Puerta de cargue y descargue de productos


134

Figura 53.Dimensiones del horno

Dimensiones en centímetros Fuente: Autor El volumen del cilindro es:

Vci =π

4∗ (Do

2 − Di2) ∗ h (12)

El volumen de la puerta de cargue y descargue del horno es:

Vpu= SP ∗ hp ∗ tp (13)

El volumen del piso del horno es:

Vpis=

π

4∗ Do

2 ∗ tPis (14)

135

Donde:

Vci= Volumen del cilindro ( m3 ) Vpu

= Volumen de la puerta de cargue y descargue del horno ( m3 )

VPa= Volumen de la pared del horno ( m3 ) Vpis

= Volumen del piso del horno ( m3 )

Do = Diámetro exterior del horno ( m )

Do = 2,60 m

Di = Diámetro interior del horno ( m ) Di = 2,12 m

h= Altura del horno ( m )

h= 4,40 m SP = Longitud de arco de la puerta del horno ( m ) hp= Altura de la puerta de cargue del horno ( m )

hp= 2,50 m

tp= Espesor de la pared del horno ( m )

tp= 0,24 m

tPis= Espesor del piso del horno ( m )

tPis= 0,12 m

La longitud de arco de la puerta del horno es:

SP = r0 ∗ θ (15) Donde:

SP = Longitud de arco de la puerta del horno ( m ) r0= Radio exterior del horno ( m )

r0= 1,30 m θ = Posición angular de la puerta del horno ( rad )

θ = 38,35° La longitud de arco de la puerta del horno es:

SP = 1,3 m ∗ 38,35° ∗ 2π rad

360°

SP = 0,87 m

136

El volumen del cilindro es:

Vci =π

4∗ ((2,60 m)2 − (2,12 m)2) ∗ 4,40 m

Vci = 7,83 m3

El volumen de la puerta del horno es:

Vpu= 0,87 m ∗ 2,5 m ∗ 0,24 m

Vpu= 0,52 m3

El volumen de la pared del horno es:

VPa = Vci − Vpu (16)

VPa = 7,83 m3 − 0,52 m3

VPa = 7,31 m3 El volumen del piso del horno es:

Vpis=

π

4∗ (2,60 m2) ∗ 0,12 m

Vpis= 0,64 m3

El calor acumulado en la pared del horno es:

Qopa= 1.922,00

kg

m3∗ 0,79

kJ

kg − °K∗ 7,31 m3 ∗ 577,30 °K

Qopa= 6.407.659,26 kJ

Qopa= 6,41 ∗ 106 kJ

El calor acumulado en el piso del horno es:

Qopis= 1.922,00

kg

m3∗ 0,79

kJ

kg − °K∗ 0,64 m3 ∗ 874,97 °K

Qopis= 850.263,65 kJ

137

Qopis= 0,85 ∗ 106 kJ

La acumulación de calor en mampostería en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

Qo = 6,41 ∗ 106 kJ + 0,85 ∗ 106 kJ Qo = 7,26 ∗ 106 kJ

Mientras el horno Hoffman de la ladrillera Ocaña es un horno continuo de alta productividad, que se caracteriza por operar las 24 horas del día y los 365 días al año como ventaja respecto a los hornos tradicionales utilizados para la transformación de material cerámico en el municipio de Ocaña ,en el que se aprovecha el calor residual proveniente de la quema de las cámaras anteriores del horno2130, es aprovechado por las cámaras contiguas para conseguir un precalentamiento a la cámara de combustión del horno y secado de los productos cargados en esta cámara, ahorrando tiempo y energía en esta etapa inicial de la quema en el horno, generando un ahorro

en el consumo de combustible en las etapas de precalentamiento y secado. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Q𝐨 = Qopa+ Qotec

+ Qopis (17)

Qopa= ρo ∗ Co ∗ Vpa ∗ TmPa

(18)

Qotec= ρo ∗ Co ∗ Vtec ∗ Tmtec

(19)

Qopis= ρo ∗ Co ∗ VPis

∗ TmPis (20)

Donde:

Qo = Acumulación de calor en mampostería en el horno ( kJ ) Qopa

= Calor acumulado en la pared del horno ( kJ )

Qotec= Calor acumulado en el techo del horno ( kJ )

Qopis= Calor acumulado en el piso del horno ( kJ )

21 A. P. Dadam, Análise Térmica de um Forno Túnel Utilizado na Indústria de Ceramica Vermelha, Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2005.

138

Vpa= Volumen de la pared del horno ( m3 )

Vtec= Volumen del techo del horno ( m3 )

VPis= Volumen del piso del horno ( m3 ) TmPa

= Temperatura media de la pared del horno ( ℃ )

Tmtec= Temperatura media del techo del horno ( ℃ )

TmPis= Temperatura media del piso del horno ( ℃ )

Con las temperaturas de la superficie exterior T7 e interior T3 de la pared, se evalúa la temperatura media de la pared del horno TmPa

. Con las

temperaturas de la superficie exterior T8 e interior T4 del techo del horno, se evalúa la temperatura media del techo del horno Tmtec

. Y con las

temperaturas de la superficie exterior T6 e interior T2 del piso del horno, se evalúa la temperatura media del piso del horno TmPis

. Se calculan las

temperaturas medias usando las expresiones descritas a continuación y se muestran en la tabla 17:

TmPa=

T3máx + T7máx

2 (21)

Tmtec=

T4máx + T8máx

2 (22)

TmPis=

T2máx + T6máx

2 (23)

139

Tabla 67. Temperatura media de los puntos de medición

Punto de

medición

Temperatura interna ( °C )

Temperatura externa

( °C )

Temperatura media ( °C )

Pared 788,25 202,14 495,20

Techo 814,14 398,62 606,38

Piso 629,39 165,35 397,37

Fuente: D. E. Marrugo C El horno Hoffman está compuesto por dos cámaras de combustión para poder recircular y utilizar los gases producto de la combustión, (Ver figura 54). Figura 54.Cámaras de combustión en el horno

Fuente: Autor Para el análisis se toma una longitud de trabajo de 44,10 m. La sección transversal del horno está compuesta por una pared exterior de altura 1,80 m y un espesor 0,90 m, en donde se ubican 9 puertas de cargue e igual número de puertas de extracción de gases. Una pared central maciza de espesor 1,20 m y una cúpula elíptica de 2,70 m de semieje mayor y 1m de la mitad del semieje menor. Desde donde empieza la

140

cúpula hasta la parte superior donde termina el horno hay una altura de 1,90 m recubierta de ladrillo, (Ver figura 55 y 56). Figura 55.Dimensiones sección transversal del horno Hoffman

Fuente: Autor

141

Figura 56.Dimensiones puerta de cargue y descargue de productos en el horno Hoffman

Fuente: Autor En el techo del horno existen unos orificios por donde se inyecta combustible al horno. En total para el análisis, son 168 agujeros de diámetro 0,165 m y longitud promedio de 1,21 m, mientras que el piso del horno tiene un ancho de 2,70 m y un espesor de 0,15 m, (Ver figura 57 y 58).

142

Figura 57.Ubicación de orificios de inyección de combustible entre apiles de productos

Fuente: Autor Figura 58.Sección transversal cámaras de combustión, agujeros de inyección y apiles de productos

Fuente: Autor El volumen de la pared exterior se evaluará restándole al volumen de esta el volumen de las 9 puertas de cargue y descargue de productos y las 9 puertas de humos.

143


VPa = VPe+ VPc

− VPu− VPh

(24)

Donde:

VPa= Volumen de la pared del horno (m3) VPe

= Volumen de la pared exterior del horno (m3)

VPc= Volumen de la pared central del horno (m3)

VPu= Volumen de las puertas de cargue y descargue de productos (m3)

VPh= Volumen de las puertas de humos (m3)

El volumen de la pared exterior del horno es:

VPe

= L ∗ h ∗ tPe (25)

El volumen de la pared central del horno es:

VPc

= L ∗ h ∗ tPc (26)

El volumen de la pared de la puerta de cargue y descargue del horno es:

VPu

= a ∗ H ∗ tPe (27)

El volumen de la pared de la puerta de humos es:

VPh

= b ∗ z ∗ tPe (28)

Donde:

VPe= Volumen de la pared exterior del horno (m3)

VPc= Volumen de la pared central del horno (m3)

VPu= Volumen de las puertas de cargue y descargue de productos (m3)

VPh= Volumen de las puertas de humos (m3)

L= Longitud de trabajo del horno ( m ) L= 44,10 m h= Altura de la pared del horno ( m )

144

h= 1,80 m tPe

= Espesor de la pared exterior ( m )

tPe= 0,90 m

tPc= Espesor de la pared central ( m )

tPc= 1,20 m

a = Ancho de la puerta de cargue y descargue del horno ( m )

a = 1,30 m

H = Altura de la puerta de cargue y descargue del horno ( m ) H = 1,50 m b = Ancho de la puerta de humos ( m ) b = 0,46 m

z = Altura de la puerta de humos ( m ) z = 0,20 m

El volumen de la pared exterior del horno es:

VPe= 44,10 m ∗ 1,80 m ∗ 0,90 m

VPe= 71,44 m3

El volumen de la pared central del horno es:

VPc= 44,10 m ∗ 1,80 m ∗ 1,20 m

VPc= 95,26 m3

El volumen de la pared de la puerta de cargue y descargue del horno es:

VPu= 1,30 m ∗ 1,50 m ∗ 0,90 m

VPu= 1,76 m3

El volumen de la pared de la puerta de humos es:

VPh

= 0,46 m ∗ 0,20 m ∗ 0,90 m

VPh= 0,083 m3

145


VPa = 71,44 m3 + 95,26 m3−9 ∗ 1,76 m3− 9 ∗ 0,083 m3

VPa = 150,11 m3

El volumen del techo del horno es:

Vtec = Vsup − Vcup − Vtub (29)

Donde:

Vtec = Volumen del techo del horno (m3) Vsup = Volumen de la parte superior del horno (m3)

Vcup = Volumen de la cúpula del horno (m3)

Vtub = Volumen de los tubos de alimentación de combustible (m3) El volumen de la parte superior del horno es:

Vsup = L ∗ hsup ∗ dsup (30)

El volumen de la cúpula del horno es:

Vcup =π ∗ acup ∗ bcup ∗ L

2 (31)

El volumen de los tubos de alimentación de combustible es:

Vtub = π ∗ r2 ∗ Lt ∗ n (32)

Donde:

Vsup = Volumen de la parte superior del horno (m3)

Vcup = Volumen de la cúpula del horno (m3)

Vtub = Volumen de los tubos de alimentación de combustible (m3) L= Longitud de trabajo del horno ( m )

146

L= 44,10 m hsup= Altura de la pared superior del horno ( m )

hsup= 1,90 m

dsup= Ancho de la sección transversal del horno ( m )

dsup= 4,80 m

acup= Semieje mayor parábola de la cúpula ( m )

acup= 1,35 m

bcup= Semieje menor parábola de la cúpula ( m )

bcup= 1,00 m

r = Radio de los tubos de alimentación de combustible ( m ) r = 0,165 m

Lt = Longitud de los tubos de alimentación de combustible ( m ) Lt = 1,21 m n= Número de tubos de alimentación de combustible n= 168,00

El volumen de la parte superior del horno es:

Vsup = 44,10 m ∗ 1,90 m ∗ 4,80 m

Vsup = 402,19m3

El volumen de la cúpula del horno es:

Vcup =π ∗ 1,35 m ∗ 1,00 m ∗ 44,10 m

2

Vcup = 93,52 m3

El volumen de los tubos de alimentación de combustible es:

Vtub = π ∗ ( 0,165 m) 2 ∗ 1,21 m ∗ 168,00

Vtub = 17,39 m3

El volumen del techo del horno es:

Vtec = 402,19 m3 − 93,52 m3 − 17,39 m3

Vtec = 291,28 m3

147


VPis = L ∗ s ∗ tpis (33)

Donde:

VPis = Volumen del piso del horno (m3) L= Longitud de trabajo del horno ( m )

L= 44,10 m s = Ancho de la sección transversal del piso en el horno ( m )

s = 2,70 m tpis= Espesor del piso del horno ( m )

tpis= 0,15 m


VPis = 44,10 m ∗ 2,70 m ∗ 0,15 m VPis = 17,86 m3

El calor acumulado en la pared del horno es:

Qopa= 1.922,00

kg

m3∗ 0,79

kJ

kg − °K∗ 150,11 m3 ∗ 768,20 °K

Qopa= 175.091.233,50 kJ

Qopa= 175,09 ∗ 106 kJ

El calor acumulado en el techo del horno es:

Qotec= 1.922,00

kg

m3∗ 0,79

kJ

kg − °K∗ 291,28 m3 ∗ 879,38 °K

Qotec= 388.926.669,50 kJ

Qotec= 388,93 ∗ 106 kJ

El calor acumulado en el piso del horno es:

148

Qopis= 1.922,00

kg

m3∗ 0,79

kJ

kg − °K∗ 17,86 m3 ∗ 670,37 °K

Qopis= 18.179.272,51 kJ

Qopis= 18,18 ∗ 106 kJ

La acumulación de calor en mampostería en el horno de la ladrillera Ocaña es:

Q𝐨 = 175,09 ∗ 106 kJ + 388,93 ∗ 106 kJ + 18,18 ∗ 106 kJ Q𝐨 = 582,20 ∗ 106 kJ

3.3.3. Calor por carga del material a cocer. Es el calor necesario para la cocción de los productos. Para la evaluación de este calor por carga de los productos que se cargaron en el horno de la ladrillera el Recreo 2, se utiliza la siguiente expresión:

Qcm = Qcm b+ Qcm L (34)

Qcm b= mse b

∗ Com ∗ (Tmáx − Tmín) (35)

Qcm L = mse L ∗ Com ∗ (Tmáx − Tmín) (36)

Donde:

Qcm = Calor por carga a cocer ( kJ ) Qcm b

= Calor por carga a cocer de los bloques ( kJ )

Qcm L = Calor por carga a cocer de los ladrillos ( kJ )

mse b= Masa seca de los bloques ( kg )

mse L= Masa seca de los ladrillos ( kg )

Com= Calor específico del material del bloque y ladrillo ( kJ

kg−°K )

Com= 0,79 kJ

kg−°K31 19

Tmáx= Temperatura de salida de los materiales (℃)

Tmáx = 1034,53 ℃ Tmín= Temperatura de entrada de los materiales (℃)


149

Tmín = 47,77 ℃ La masa seca de los bloques y los ladrillos respectivamente es:

mse b= (1 − ym b

) ∗ mt b (37)

mse L = (1 − ym L) ∗ mt L (38)

Donde: mse b

= Masa seca de los bloques ( kg )


ym b= Humedad del bloque ( % )

ym L= Humedad del ladrillo ( % )

mt b= Masa total de los bloques ( kg )

mt L= Masa total de los ladrillos ( kg )

La humedad de los bloques es:

ym b= (

mh b− ms b

ms b

) ∗ 100% (39)

Donde: ym b

= Humedad del bloque ( % )

mh b= Masa húmeda de los bloques ( kg )

mh b= 4,10 kg

ms b= Masa seca de los bloques ( kg )

ms b= 3,80 kg

La humedad de los bloques es:

ym b= (

4,10 − 3,80

3,80) ∗ 100%

ym b= 7,90 %

La humedad de los ladrillos es:

150

ym L = (mh L − ms L

ms L

) ∗ 100% (40)

Donde: ym L

= Humedad del ladrillo ( % )

mh L = Masa húmeda de los ladrillos ( kg )

mh L = 9,35 kg

ms L= Masa seca de los ladrillos ( kg )

ms L = 9,14 kg

La humedad de los ladrillos es:

ym L= (

9,35 − 9,14

9,14) ∗ 100%

ym L = 2,30 %

La masa seca de los bloques es:

mse b= (1 − 0,079) ∗ 16.400, 00 kg

mse b= 15.104,40 kg

La masa seca de los ladrillos es:

mse L = (1 − 0,023) ∗ 2.805,00 kg

mse L = 2.740,49 kg

Los pesos promedios de cada uno de los productos al momento de ingresar y salir del horno 22 pueden verse en la tabla 1832.

22 S. A. Jacome Manzano, Evaluación Termodinámica del Proceso de Cocción y Analisis de Gases en Hornos a Cielo Abierto y Hoffman en Ocana, Ocana: Universidad Francisco de Paula Santander Ocana, 2015.

151

Tabla 78. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno

Ítem

Tipo de

material

Cantidad

Masa húmeda por

producto ( kg )

Masa húmeda

total ( kg )

Masa seca por

producto ( kg )

Humed

ad 𝐲𝐦 ( % )

Masa seca total ( kg )

1

Bloque

4.000,00

4,10 16.400,0

0 3,80 7,90

15.200,00

2 Ladrillo H-10

300,00 9,35 2.805,00 9,14 2,30 2.742,0

0

Total 4.300,0

0 Peso total de

carga 19.205,0

0

17.942,00

Fuente: S. A. Jácome Manzano El calor por carga del material a cocer de los bloques es:

Qcm b= 15.104,40 kg ∗ 0,79

kJ

kg − °K ∗ (1.034,53 − 47,77) °K

Qcm b= 11.774.490,02 kJ

Qcm b= 11,78 ∗ 106 kJ

El calor por carga del material a cocer de los ladrillos es:

Qcm L = 2.740,49 kg ∗ 0,79 kJ

kg − °K ∗ (1.034,53 − 47,77) °K

Qcm L = 2.136.3322,67 kJ

Qcm L = 2,14 ∗ 106 kJ

El calor por carga del material a cocer en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

Qcm = 11,78 ∗ 106 kJ + 2,14 ∗ 106 kJ Qcm = 13,92 ∗ 106 kJ

152

Mientras que para evaluar el calor por carga de los productos en el horno de la ladrillera Ocaña, se utiliza la siguiente expresión:

Qcm = Qcm L1+ Qcm L2

(41)

Qcm L1= mse L1


Qcm L2= mse L2


Donde:

Qcm = Calor por carga a cocer ( kJ ) Qcm L1

= Calor por carga a cocer de ladrillo H10x30 ( kJ )

Qcm L2= Calor por carga a cocer de ladrillo H10x40 ( kJ )

mse L1= Masa seca de ladrillos H10x30 ( kg )

mse L2= Masa seca de ladrillos H10x40 ( kg )

Com= Calor específico del material del ladrillo ( kJ

kg−°K )

Com= 0,79 kJ

kg−°K3319

Tmáx= Temperatura de salida de los materiales (℃)

Tmáx = 941,63 ℃ Tmín= Temperatura de entrada de los materiales (℃)

Tmín = 26,71 ℃ La masa seca de los ladrillos H10x30 y H10x40 respectivamente es:

mse L1= (1 − ym L1

) ∗ mt L1 (44)

mse L2= (1 − ym L2

) ∗ mt L2 (45)

Donde: mse L1

= Masa seca de los ladrillos H10x30 ( kg )

mse L2= Masa seca de los ladrillos H10x40 ( kg )

ym L1= Humedad del ladrillo H10x30 ( % )


mt L1= Masa total de los ladrillos H10x30 ( kg )


19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.Ibíd.

153

La humedad del ladrillo H10x30 es:

ym L1= (

mh L1− ms L1

ms L1

) ∗ 100% (46)

Donde: ym L1

= Humedad del ladrillo H10x30 ( % )

mh L1= Masa húmeda del ladrillo H10x30 ( kg )

mh b= 5,34 kg

ms L1= Masa seca del ladrillo H10x40 ( kg )

ms L1= 5,03 kg


ym L1= (

5,34 − 5,03

5,03) ∗ 100%

ym L1= 6,16 %


ym L2= (

mh L2− ms L2

ms L2

) ∗ 100% (47)

Donde: ym L2

= Humedad del ladrillo H10x40 ( % )

mh L2= Masa húmeda del ladrillo H10x40 ( kg )

mh L2= 6,98 kg

ms L2= Masa seca del ladrillo H10x40 ( kg )

ms L2= 6,78 kg


ym L2= (

6,98 − 6,78

6,78) ∗ 100%

154

ym L2= 2,95 %

La masa seca de los ladrillos H10x30 es:

mse L1= (1 − 0,0616) ∗ 144.500,40 kg

mse L1= 135.599,18 kg

La masa seca de los ladrillos H10x40 es:

mse L2= (1 − 0,0295) ∗ 13.820,40 kg

mse L2= 13.412,70 kg

Los pesos promedios de cada uno de los productos al momento de ingresar y salir del horno pueden verse en la tabla 19. Tabla 19. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno

Ítem

Tipo de

material

Cantidad

Masa húmeda por

producto ( kg )

Masa húmeda

total ( kg )

Masa seca por producto

( kg )

Humedad

𝐲𝐦 (% )

Masa seca total ( kg )

1

Ladrillo H-

10*30

27.060,00

5,34

144.500,40

5,03

6,16 136.111,80

2 Ladrillo

H-10*40

1.980,00 6,98

13.820,40

6,78

2,95 13.424,40

Total 29.040,0

0 Peso total de

carga

158.320,

80

149.536,20

Fuente: S. A. Jácome Manzano El calor por carga del material a cocer de los ladrillos H10x30 es:

155

Qcm L1= 135.599,18 kg ∗ 0,79

kJ

kg − °K ∗ (941,63 − 26,71 ) °K

Qcm L1= 98.009.297,39 kJ

Qcm L1= 98,01 ∗ 106 kJ

El calor por carga del material a cocer de los ladrillos H10x40 es:

Qcm L2= 13.412,70 kg ∗ 0,79

kJ

kg − °K ∗ (941,63 − 26,71) °K

Qcm L2= 9.694.522,51 kJ

Qcm L2= 9,70 ∗ 106 kJ

El calor por carga del material a cocer en el horno de la ladrillera Ocaña es:

Qcm = 98,01 ∗ 106 kJ + 9,70 ∗ 106 kJ Qcm = 107,71 ∗ 106 kJ

3.3.4. Calor para sacar la humedad del material. El material a cocer en el horno debe ser calentado a una temperatura predeterminada. Parte de este calor es el necesario para evaporar el agua del proceso, que se ha quedado después del secado. Esta energía se elimina sin ser reutilizada, por lo que debe ser calculada como una pérdida en el balance energético. Para evaluar el calor requerido para evaporar el agua de los productos, se toma la entalpía del vapor de agua a la temperatura de 150 ºC y la energía interna del material a cocer a 20 ºC 2034. Para la evaluación de este calor en el horno de la ladrillera el recreo 2, se utiliza la siguiente expresión:

Qwm = Qwm b+ Qwm L

(48)

20 British Estandar Test Code, Normas para el Cálculo del Balance Térmico en Hornos de Ladrillo.

156

Qwm b= mt b

∗ ym b∗ (hg − um) (49)

Qwm L= mt L

∗ ym L∗ (hg − um) (50)

Donde:

Qwm = Calor para sacar la humedad del material a cocer ( kJ ) Qwm b

= Calor para sacar la humedad de los bloques ( kJ )

Qwm L= Calor para sacar la humedad de los ladrillos ( kJ )

mt b= Masa total de los bloques ( kg )

mt b= 16.400,00 kg

mt L= Masa total de los ladrillos ( kg )

mt L= 2.805,00 kg

ym b= Humedad del bloque ( % )

ym b= 7,90 %

ym L= Humedad del ladrillo ( % )

ym L = 2,30 %

hg= Entalpía del vapor de agua ( kJ

kg )

hg = 2.587,75 kJ

kg3519

um= Energía interna del agua dentro del material a la temperatura de

20 ºC ( kJ

kg ) um =

83,95 kJ

kg 361937

El calor para sacar la humedad de los bloques es:

Qwm b= 16.400,00 kg ∗ 0,079 ∗ (2.587,75 − 83,95)

kJ

kg

Qwm b= 3.243.923,28 kJ

Qwm b= 3,24 ∗ 106 kJ

19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009. 19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.

157

El calor para sacar la humedad de los ladrillos es:

Qwm L= 2.805,00 kg ∗ 0,023 ∗ (2.587,75 − 83,95 )

kJ

kg

Qwm L= 161.532,66 kJ

Qwm L= 0,16 ∗ 106 kJ

El calor para sacar la humedad del material a cocer en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

Qwm = 3,24 ∗ 106 + 0,16 ∗ 106 kJ Qwm = 3,40 ∗ 106 kJ

Mientras que para la evaluación de este calor en el horno de la ladrillera Ocaña se utiliza la siguiente expresión:

Qwm = Qwm L1+ Qwm L2

(51)

Qwm L1= mt L1

∗ ym L1∗ (hg − um) (52)

Qwm L2= mt L2

∗ ym L2∗ (hg − um) (53)

Donde:

Qwm = Calor para sacar la humedad del material a cocer ( kJ ) Qwm L1

= Calor para sacar la humedad de los ladrillos H10x30 ( kJ )

Qwm L2= Calor para sacar la humedad de los ladrillos H10x40 ( kJ )






kg )

hg = 2.587,75 kJ

kg 3819


158

um= Energía interna del agua dentro del material a la temperatura de 20

ºC ( kJ

kg ) um = 83,95

kJ

kg 3919

El calor para sacar la humedad de los ladrillos H10x30 es:

Qwm L1= 144.500,40 kg ∗ 0,0616 ∗ (2.587,75 − 83,95)

kJ

kg

Qwm L1= 22.286.886,25 kJ

Qwm L1= 22,29 ∗ 106 kJ

El calor para sacar la humedad de los ladrillos H10x40 es:

Qwm L2= 13.820,40 kg ∗ 0,0295 ∗ (2.587,75 − 83,95 )

kJ

kg

Qwm L2= 1.020.803,77 kJ

Qwm L2= 1,02 ∗ 106 kJ

El calor para sacar la humedad del material a cocer en el horno de la ladrillera Ocaña es:

Qwm = 22,29 ∗ 106 + 1,02 ∗ 106 kJ Qwm = 23,31 ∗ 106 kJ

3.3.5. Calor necesario para la descomposición química de la arcilla. Es el calor que se requiere para la descomposición química de los carbonatos (caco3) 2340y la evaporación del agua combinada presentes en la arcilla.

23 A. Chandía Moraga, Desarrollo de un Ladrillo de Trayectoria Termica Maxima, Concepción: Universidad del BIO-BIO, 2004.

159

Para evaluar el calor necesario para romper la estructura molecular de la arcilla y liberar el agua de combinación de materiales se calculará a la temperatura de 600 °C2041. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qdq = Qdq b

+ Qdq L (54)

Qdq b= mse b

∗ Cdq (55)

Qdq L= mse L

∗ Cdq (56)

Donde: Qdq =Calor necesario para la descomposición de la arcilla ( kJ )

Qdq b=Calor necesario para la descomposición de la arcilla de los

bloques ( kJ ) Qdq L

=Calor necesario para la descomposición de la arcilla de los

ladrillos ( kJ ) mse b

= Masa seca de los bloques ( kg )

mse b= 15.104,40 kg


mse L=2.740,49 kg

Cdq = Calor específico por la combustión del CaCO3 ( kJ

kg )

Cdq = 393.56 kJ

kg 4224

El calor necesario para la descomposición de la arcilla de los bloques es:

Qdq b= 15.104,40 kg ∗ 393.56

kJ

kg

Qdq b= 5.944.487,66 kJ

Qdq b= 5,95 ∗ 106 kJ

El calor necesario para la descomposición de la arcilla de los ladrillos es:

20 British Estandar Test Code, Normas para el Cálculo del Balance Térmico en Hornos de Ladrillo. 24 C. Serrano Trillos, Estudio Teórico Práctico el Proceso de Combustión de los Hornos de Tiro Invertido para el Chircal San Luis de Cúcuta., San Jose de Cúcuta: Universidad Francisco de Paula Santander, 1980.

160

Qdq L= 2.740,49 kg ∗ 393.56

kJ

kg

Qdq L= 1.078.547,24 kJ

Qdq L= 1,08 ∗ 106 kJ

El calor necesario para la descomposición de la arcilla para sacar la humedad del material a cocer es:

Qdq = 5,95 ∗ 106 kJ + 1,08 ∗ 106 kJ

Qdq = 7,03 ∗ 106 kJ

Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qdq = Qdq L1+ Qdq L2

(57)

Qdq L1= mse L1

∗ Cdq (58)

Qdq L2= mse L2

∗ Cdq (59)

Donde: Qdq =Calor necesario para la descomposición de la arcilla ( kJ )

Qdq L1=Calor necesario para la descomposición de la arcilla de los

ladrillos H10x30 ( kJ ) Qdq L2

=Calor necesario para la descomposición de la arcilla de los

ladrillos H10x40 ( kJ ) mse L1

= Masa seca de los ladrillos H10x30 ( kg )

mse L2= Masa seca de los ladrillos H10x40 ( kg )

Cdq = Calor específico por la combustión del CaCO3 ( kJ

kg )

Cdq = 393,56 kJ

kg 4324

El calor necesario para la descomposición de la arcilla de los ladrillos

H10x30 es:

24 C. Serrano Trillos, Estudio Teórico Práctico el Proceso de Combustión de los Hornos de Tiro Invertido para el Chircal San Luis de Cúcuta., San Jose de Cúcuta: Universidad Francisco de Paula Santander, 1980.

161

Qdq L1= 135.599,18 kg ∗ 393,56

kJ

kg

Qdq L1= 53.366.413,28 kJ

Qdq L1= 53,37 ∗ 106 kJ

El calor necesario para la descomposición de la arcilla de los ladrillos H10x40 es:

Qdq L2= 13.412,70 kg ∗ 393,56

kJ

kg

Qdq L2= 5.301.300,43 kJ

Qdq L2= 5,30 ∗ 106 kJ

El calor necesario para la descomposición de la arcilla para sacar la humedad del material a cocer es:

Qdq = 53,37 ∗ 106 kJ +5,30 ∗ 106 kJ

Qdq = 58,67 ∗ 106 kJ

3.3.6. Calor por humedad del carbón. Cuando se quema carbón se puede asumir que la humedad contenida en él, es calentada a la temperatura de ebullición de 100ºC, evaporada y finalmente, recalentada a la temperatura de los gases de escape, por lo que es una pérdida de calor debida a la humedad del carbón. Para la evaluación del calor necesario para evaporar el agua del proceso se utiliza la siguiente expresión:

Qwc = mc ∗ yc ∗ (hga − uc) (60)

Donde:

Qwc =Calor por humedad del carbón ( kJ ) mC= Masa de carbón consumida en cada período de tiempo ( kg )

mC = 11,11 kg yC= Humedad del carbón ( % )

162

yC = 3,67 %44 2513

hga = Entalpia del vapor de agua a la temperatura de los gases de la

chimenea ( kJ

kg )

uC= Energía interna del agua en el carbón ( kJ

kg )

uC = 83,95 kJ

kg 45 19

Desde el inicio al final de la cocción transcurrieron dos días con diez y

nueve horas, con un intervalo de tiempo de 30 minutos para efectos de evaluar el calor por humedad del carbón en la que se evaluaron 135 pérdidas de calor por humedad del carbón en todo el proceso y se utiliza un total de 1.500 Kg para el consumo total de combustible, dando como relación un resultando de consumo de combustible de 11,11 kg cada 30 minutos. El calor por humedad del carbón para el primer instante es:

Qwc 1= 11,11 kg ∗ 0,0367 ∗ (2.587,75 − 83,95)

kJ

kg

Qwc 1= 1.020,89 kJ

Se inicia el cálculo del calor por humedad del carbón para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:38:16 p.m., arrojando un valor de temperatura de los gases en la chimenea de 47,77

°C y una entalpia de los gases de hga = 2.587,75 kJ

kg .

El anexo 7 contiene los resultados del calor por humedad del carbón

tomados cada 30 minutos desde el inicio de la cocción, el día miércoles 22 de Abril de 2015 a las 04:38:16 p.m., hasta el final del proceso el día sábado 25 de Abril de 2015 a las 12:07:32 p.m. En el anexo se muestran

25 L. E. Vera Duarte, Analisis Termodinamico y Simulación de un Horno Tipo Colmena de Tiro Invertido, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003. 19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.

163

las temperaturas de los gases de escape y las entalpias del vapor de agua a la temperatura de los gases de la chimenea. Las pérdidas de calor debidas a la humedad contenida en el carbón son:

Qwc = 160.323,53 ∗ 106 kJ Qwc = 0,16 ∗ 106 kJ


Qwc = mc ∗ yc ∗ (hga − uc) (61)

Donde:

Qwc =Calor por humedad del carbón ( kJ ) mC= Masa de carbón consumida en cada período de tiempo ( kg )

mC = 458,88 kg yC= Humedad del carbón ( % )

yC = 3,67 %46 2513

hga = Entalpia del vapor de agua a la temperatura de los gases de la

chimenea ( kJ

kg )

uC= Energía interna del agua en el carbón ( kJ

kg )

uC = 83,95 kJ

kg 47 19

Desde el inicio hasta el final de la cocción transcurrieron veinte y dos

horas con treinta y ocho minutos (22:38). Se considera un intervalo de una (1) hora para evaluar el calor por humedad del carbón, por lo que se evaluaron 23 perdidas de calor por humedad del carbón en todo el proceso y donde el consumo total de combustible es de 10.370,76 kg, resultando un consumo de combustible de 458,88 kg cada hora.

25 L. E. Vera Duarte, Analisis Termodinamico y Simulación de un Horno Tipo Colmena de Tiro Invertido,

Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003. 19 Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.

164

El calor por humedad del carbón para el primer instante es:

Qwc 1= 458,88 kg ∗ 0,0367 ∗ (2.600,10 − 83,95)

kJ

kg

Qwc 1= 42.374,22 KJ

Se inicia el cálculo del calor por humedad del carbón para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m., en la que la temperatura de los gases en la chimenea es de 55,00 °C y la

entalpia de los gases en esta es hga = 2.600,10 kJ

kg .

Los resultados del calor por humedad del carbón cada hora, desde el inicio de la cocción el día sábado 25 de Marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el día domingo 26 de Marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., con sus respectivas temperaturas de los gases de escape y entalpias del vapor de agua a la temperatura de los gases de la chimenea, se muestran en el anexo 7. Las pérdidas de calor debidas a la humedad contenida en el carbón son:

Qwc = 1.033.561,86 kJ Qwc = 1,03 ∗ 106 kJ

3.3.7. Calor por agua formada en la combustión. Es el calor que absorbe el agua producto de la combustión con el hidrógeno del combustible, para efectos de calentarse, evaporarse y sobrecalentar hasta la temperatura a la cual son expulsados los humos. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qac = mcu ∗ mac ∗ (hg − um) (62)

Donde:

Qac = Calor por agua formada en la combustión ( kJ )

165

mcu= Masa de carbón consumida por período de evaluación ( kg ) mcu=11,11 kg

mac = Masa del agua formada en la combustión ( kg H2O

kg Comb. )

hg= Entalpía del vapor de agua en todo el proceso ( kJ

kg )


20 ºC ( kJ

kg )

um = 83,95 kJ

kg 4819

La masa del agua formada en la combustión es:

mac = 9 ∗ (H2 −O2

8) (63)

Donde:


kg Comb. )

H2= Porcentaje de hidrógeno en el carbón ( % )

H2 = 5,80 %492614

O2= Porcentaje de oxígeno en el carbón ( % )

O2 = 6,60 %505126

Para la composición elemental del carbón se eligen factores de emisión de los combustibles colombianos, relacionados por la Unidad de Planeación Minero Energética, (Ver tabla 20).


25 F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos, Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003. 26 F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos, Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003.

166

Tabla 20. Composición química del carbón del Norte de Santander

Composición Porcentaje

(%)

C 78,00 H2 5,80 O2 6,60 N2 1,60 S 1,00

Cenizas 7,00 Humedad 0,00

Total 100

Fuente: F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas La masa del agua formada en la combustión es:

mac = 9 ∗ (0,058 −0,060

8)

mac = 0,46 kg H2O

kg comb.

El calor por agua formada en la combustión para el primer instante es:

Qac 1 = 11,11 kg ∗ 0,46 kg H2O

kg comb.∗ (2.587,75 − 83,95)

kJ

kg

Qac 1 = 12.795,92 kJ

Se indica el cálculo del calor por el agua formada en la combustión para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:38:16 p.m., y para la cual la temperatura de los gases en la chimenea corresponde a 47,77 °C, mientras que la entalpia de los gases en esta

es de hga = 2.587,75 kJ

kg .

Los resultados del calor por agua son tomados con un intervalo de

30 minutos para la combustión y se toman desde el inicio de la cocción

167

el miércoles 22 día miércoles 22 de abril de 2015 a las 04:38:16 p.m. hasta el final del proceso el sábado 25 día sábado 25 de abril de 2015 a las 12:07:32 p.m. Los valores respectivos a temperaturas de los gases y la entalpía del vapor de agua en todo el proceso, se muestran en el anexo 8. Las pérdidas de calor por agua formada en la combustión son:

Qwc = 2.009.504,68 kJ Qwc = 2,01 ∗ 106 kJ

Para la evaluación de este calor, se utiliza la siguiente expresión:

Qac = mcu ∗ mac ∗ (hg − um) (64)

Donde:

Qac = Calor por agua formada en la combustión ( kJ ) mcu= Masa de carbón consumida en cada período de tiempo ( kg ) mcu= 458,88 kg


kg Comb. )

mac = 0,46 kg H2O

kg comb.

hg= Entalpía del vapor de agua en todo el proceso ( kJ

kg )


20 ºC ( kJ

kg )

um = 83,95 kJ

kg 5219

El calor por agua formada en la combustión para el primer instante es:

Qac 1 = 458,88 kg ∗ 0,46 kg H2O

kg comb.∗ (2.600,10 − 83,95)

kJ

kg


168

Qac 1 = 531.121,02 KJ

Se inicia el cálculo del calor por humedad del carbón para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m. del proceso, en la que la temperatura de los gases en la chimenea es de

55,00 °C y la entalpia de los gases en esta es hga = 2.600,10 kJ

kg .

Los resultados del calor por humedad del carbón cada hora desde el inicio de la cocción el día sábado 25 de Marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el día domingo 26 de Marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., con sus respectivas temperaturas de los gases de escape y entalpias del vapor de agua a la temperatura de los gases de la chimenea, se muestran en el anexo 8. Las pérdidas de calor por agua formada en la combustión son:

Qwc = 12.954.726,32 kJ Qwc = 12,96 ∗ 106 kJ

3.3.8. Calor por humedad del aire. Es el calor que se requiere para sacar la humedad que presenta el aire, la humedad depende de las condiciones atmosféricas del lugar, este calor produce una pérdida de energía cuando se realiza la combustión. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qwa = mwa ∗ mrm ∗ mcu ∗ (hg − hwa) (65)

Donde:

Qwa =Calor por humedad del aire ( kJ )

mwa = Masa de humedad del aire ( kg H2O

kg Aire )

mrm= Masa de aire seco ( kg Aire

kg Comb. )

mcu= Masa de carbón consumida en cada período de tiempo ( kg ) mcu=11,11 kg

169


Kg )

hwa= Entalpía del agua ( kJ

kg Aire )

El horno está ubicado en la ciudad de Ocaña, ciudad con una humedad relativa de = 75,30 %. La temperatura de bulbo seco de Tbs= 27,60 ℃ , con estos valores en el diagrama psicrométrico se encuentra la masa

de humedad del aire, que corresponde a mwa = 0,0175 kg H2O

kg Aire seco53 127,

mientras que, la entalpía del agua hwa = 71,20 kJ

kg Aire seco .

Para la combustión del carbón, el oxígeno teórico en volumen es:

OoV = [C

12+

H2

4+

S − O2

32] ∗ 22,4

m3n O2

kg Comb. (66)

Donde:

OoV = Oxígeno teórico en volumen ( m3n O2

kg Comb. )

C = Porcentaje de carbono en el carbón ( % )

C =78,00 %5426


H2 = 5,80 %5526

S = Porcentaje de azufre en el carbón ( % )

S = 1,00 %5626


O2 = 6,60 %5726

El oxígeno teórico en volumen es:

27 C. Muller, Manual de Aire Acondicionado y Calefacción, México: Alfaomega, 2010. 26 F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos, Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003.

170

OoV = [0,78

12+

0,058

4+

0,010 − 0,066

32] ∗ 22,4

m3n O2

kg Comb.

OoV = 1,74 m3n O2

kg Comb.

El volumen de humos para el oxígeno teórico es:

VgOo = [C

12+

H2

3+

S

32+

N2

28+

W

18] ∗ 22,4

m3 n humos

kg Comb. (67)

Donde:

VgOo= Volumen de humos para el oxígeno teórico (m3n humos

kg Comb. )


C =78,00 %5826


H2 = 5,80 %5926


S = 1,00 %6026

N2= Porcentaje de nitrógeno en el carbón ( % )

N2=1,60 %6126

W = Porcentaje de humedad en el carbón ( % ) El volumen de humos para el oxígeno teórico es:

VgOo = [0,78

12+

0,058

3+

0,010

32+

0,016

28+

0

18] ∗ 22,4

m3n humos

kg Comb.

26 F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos, Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003.

171

VgOo = 1,91 m3n humos

kg Comb.

El volumen de humos de aire teórico es:

VgA0 = VgOo + 3,76 ∗ Oov m3n humos

kg Comb. (68)

Donde:

VgAo = Volumen de humos de aire teórico (m3n humos

kg Comb. )

VgOo= Volumen de humos para el oxígeno teórico (m3n humos

kg Comb. )


kg Comb. )

El volumen de humos de aire teórico es:

VgA0 = 1,91 + 3,76 ∗ 1,74 m3n humos

kg Comb.

VgA0 = 8,45 m3 N humos

kg Comb.

El factor de aire es:

λ = 1 +(VgAr − VgA0)

4,762 ∗ OoV (69)

Donde:

λ = Factor de aire

VgAr = Volumen de humos de aire real (m3n humos

kg Comb. )

VgAo = Volumen de humos de aire teórico (m3n humos

kg Comb. )


kg Comb. )

172

El volumen recomendado real medido en hornos ladrilleros es:

VgAr = 14,75 m3n humos

kg Comb.62 28

El factor de aire es:

λ = 1 +(14,75 − 8,45)

4,762 ∗ 1,74

λ = 1,76 La masa de aire teórico es:

mom = [C

12+

H2

4+

S − O2

32] ∗

32

0,23 (70)

Donde:

mom = Masa de aire teórico ( kg Aire

kg Comb. )


C =78,00 %6326


H2 = 5,80 %6426


S = 1,00 %6526


O2= = 6,60 %6626 La masa de aire teórico es:

28 J. A. Meneses Calderon, Evaluación de las Perdidas de Energía en los Hornos Tipo Colmena de Tiro Invertido, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003. 14 F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos, Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003.

173

mom = [0,78

12+

0,058

4+

0,01 − 0,066

32] ∗

32

0,23

mom = 10,82 kg Aire

kg Comb.

La masa de aire seco es:

mrm = λ ∗ mom (71) Donde:

mrm = Masa de aire seco ( kg Aire

kg Comb. )

mom = Masa de aire teórico ( kg Aire

kg Comb. )

λ = Factor de aire La masa de aire seco es:

mrm = 1,76 ∗ 10,82 kg Aire

kg Comb.

mrm = 19,04 kg Aire

kg Comb.

El calor por humedad del aire para el primer instante es:

Qwa 1 = 0,0175kg H2O

kg Aire ∗ 19,04

kg Aire

kg Comb.∗ 11,11 kg Comb.

∗ (2.587,75 − 71,20 )kJ

kg

Qwa 1 = 9.315,90 kJ

Se indica el cálculo del calor por humedad del aire para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:38:16 p.m., en cuyo

174

momento la temperatura de los gases en la chimenea es de 47,77 °C y

la entalpia de los gases en esta es hga = 2.587,75 kJ

kg .

Los resultados del calor por humedad del aire cada 30 minutos, desde el inicio de la cocción el día miércoles 22 de Abril de 2015 a las 04:38:16 p.m. hasta el final del proceso el día sábado 25 de Abril de 2015 a las 12:07:32 p.m., con sus respectivas temperaturas de los gases y la entalpía del vapor de agua en todo el proceso, se muestran en el anexo 9. El calor por humedad de aire es:

Qwa = 1.461.999,36 kJ Qwa = 1,46 ∗ 106 kJ


Qwa = mwa ∗ mrm ∗ mcu ∗ (hg − hwa) (72)

Donde:

Qwa =Calor por humedad de aire ( kJ )

mwa = Masa de humedad del aire ( kg H2O

kg Aire )

mwa = 0,0175 kg H2O

kg Aire seco

mrm= Masa de aire seco ( kg Aire

kg Comb. )

mrm= 19,04 kg Aire

kg Comb.

mcu= Masa de carbón consumida en cada período de tiempo ( kg ) mcu= 458,88 kg


Kg de agua )

hwa= Entalpía del agua ( kJ

kg de agua )

El calor por humedad de aire para el primer instante es:

175

Qwa 1 = 0,0175kg H2O

kg Aire ∗ 19,04

kg Aire

kg Comb.∗ 458,88 kg Comb.

∗ (2.600,10 − 71,20 )kJ

kg

Qwa 1 = 386.665,82 kJ

Se indica el cálculo del calor por humedad de aire para el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m. del proceso, en la que la temperatura de los gases en la chimenea es de 55,00 °C y

la entalpia de los gases en esta es hga = 2.600,10 kJ

kg .

Los resultados del calor por humedad del aire cada hora desde el inicio de la cocción el día sábado 25 de Marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el día domingo 26 de Marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., con sus respectivas temperaturas de los gases de escape y entalpias del vapor de agua a la temperatura de los gases de la chimenea, se muestran en el anexo 9. El calor por humedad de aire es:

Qwa = 9.430.514,88 kJ Qwa = 9,43 ∗ 106 kJ

3.3.9. Calor por inquemados. Es el carbón que queda sin quemar en las cenizas. Esto ocurre por la no uniformidad del tamaño de las partículas del carbón y por la mala distribución de este en el horno, presentándose una combustión incompleta. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qi = mc ∗ Ce ∗ Pf ∗ Pcq (73)

Donde:

Qi = Calor por inquemados ( kJ ) mc= masa total de carbón ( kg )

176

mc= 1500,00 kg Ce= Cenizas residuales ( % )

Ce = 20,00 %67 25

Pf= Pérdida al fuego ( % )

Pf = 15,80 % 25

Pcq= Poder calorífico del carbón como quemado ( KJ

Kg )

Pcq = 29.205,60 KJ

Kg 6825

El calor por inquemados es:

Qi = 1.500,00 kg ∗ 0,20 ∗ 0,158 ∗ 29.205,60 kJ

kg

Qi = 1.384.345,44 kJ Qi = 1,38 ∗ 106 kJ


Qi = mc ∗ Ce ∗ Pf ∗ Pcq (74)

Donde:

Qi = Calor por inquemados ( kJ ) mc= masa total de carbón ( kg ) mc= 10.370,76 kg Ce= Cenizas residuales ( % )

Ce = 20,00 % 25 Pf= Pérdida al fuego ( % )

Pf = 15,80 % 6925

Pcq= Poder calorífico del carbón como quemado ( KJ

Kg )

Pcq = 29.205,60 KJ

Kg 25

25 L. E. Vera Duarte, Analisis Termodinamico y Simulación de un Horno Tipo Colmena de Tiro Invertido, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003.

177

El calor por inquemados es:

Qi = 10.370,76 kg ∗ 0,20 ∗ 0,158 ∗ 29.205,60 kJ

kg

Qi = 9.571.142,88 kJ Qi = 9,57 ∗ 106 kJ

3.3.10. Pérdida de calor por las paredes. La pérdida de calor por conducción en la pared se presenta por la diferencia de temperatura entre la pared y el medio ambiente. Para la evaluación de la pérdida del calor por conducción en las paredes se considerará el flujo de calor unidimensional, en la dirección radial y en estado transitorio. La conductividad térmica de la pared de ladrillo común se considerará como

homogénea y de valor k = 0,72 W

m−°K 70 19.


Qpa = Upa ∗ (T3i − T7e) ∗ t (75)

Donde: Qpa =Pérdida de calor por las paredes del horno ( kJ )

Upa =Coeficiente global de transferencia de calor en las paredes del

horno ( W

°K )

T3i= Temperatura interior de la pared del horno ( ℃ )

T7e= Temperatura exterior de la pared del horno ( ℃ ) t = Periodo de tiempo de trabajo ( s ) t =1.800,00 s La resistencia térmica por conducción de la pared de forma cilíndrica del horno es:


178

Rk pa=

ln (ro

ri)

2πkh (76)

Donde:

Rk pa= Resistencia térmica por conducción de la pared del horno (

°K

W )

ro = Radio exterior del horno ( m )

ro = 1,30 m

ri = Radio interior del horno ( m ) ri = 1,15 m h= Altura del horno ( m )

h= 4,40 m

k = Conductividad térmica de la pared de ladrillo del horno ( W

m−°K )

k = 0,72 W

m−°K

La resistencia térmica por conducción en la pared del horno es:

Rk pa=

ln ( 1,30 m 1,15 m

)

2π ∗ 0,72 W

m − °K ∗ 4,40 m

Rk pa= 0,0062

°K

W

El coeficiente global de transferencia de calor para la pared del horno es:

Upa =1

Rk pa

(77)

Donde: Upa= Coeficiente global de transferencia de calor para la pared del

horno(W

°K )

179

Rk pa= Resistencia térmica por conducción de la pared del horno (

°K

W )

Rk pa= 0,0062

°K

W

El coeficiente global de transferencia de calor para la pared del horno es:

Upa =1

0,0062°KW

Upa = 162,36 W

°K

La pérdida de calor por las paredes del horno para el primer periodo de 30 minutos es:

Qpa 1 = 162,36 W

°K∗ (101,17 − 63,84) °K ∗ 1800,00 s

Qpa 1 = 10.908,977,14 J

Qpa 1 = 0,011 ∗ 106 kJ

Se indica el cálculo la pérdida de calor por las paredes del horno en el periodo de tiempo comprendido entre el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:38:16 p.m. y el segundo instante de adquisición del proceso a las 05:08:16 p.m., en la que las temperaturas

de la pared interna y externa corresponde a 101,17 ℃ y 63,84 ℃ respectivamente. Los resultados de la pérdida de calor por las paredes del horno en un

lapso de tiempo de 30 minuto, desde el inicio de la cocción el día miércoles 22 de abril de 2015 a las 04:38:16 p.m., hasta el final del proceso el día sábado 25 de abril de 2015 a las 12:07:32 p.m., se presentan en el anexo 10. La pérdida de calor por las paredes del horno es:

180

Qpa = 5.198.473,90 kJ

Qpa = 5,20 ∗ 106 kJ

Para la evaluación de este calor a través de las paredes y techo se utiliza la siguiente expresión:

Qpa = Upa ∗ (T3i − T7e) ∗ t (78)

Qtec = Utec ∗ (T4i − T8e) ∗ t (79) Donde: Qpa =Pérdida de calor por las paredes del horno ( kJ )

Qtec =Pérdida de calor por el techo del horno ( kJ ) Upa =Coeficiente global de transferencia de calor de las paredes exterior

y central del horno ( W

°K )

Utec =Coeficiente global de transferencia de calor del techo del horno

( W

°K )

T3i= Temperatura interior de la pared del horno ( ℃ ) T7e= Temperatura exterior de la pared del horno ( ℃ )

T4i= Temperatura interior del techo del horno ( ℃ ) T8e= Temperatura exterior del techo horno ( ℃ ) t = Periodo de tiempo de trabajo ( s ) t =7.200,00 s La resistencia térmica, por conducción en las paredes planas exterior y central del horno respectivamente, es:

Rk pa

= Rk pe+ Rk pc

(80)

Rk pa=

tPe

K ∗ (APe− APu

− APh)

+tPc

K ∗ APc

(81)

Rk pa=

tPe

K ∗ (h ∗ L − H ∗ a ∗ n − b ∗ z ∗ n)+

tPc

K ∗ h ∗ L (82)

181

Donde: Rk pa

= Resistencia térmica por conducción de las paredes del

horno ( °K

W )

Rk pe= Resistencia térmica por conducción de la pared exterior del

horno ( °K

W )

Rk pc= Resistencia térmica por conducción de la pared central del

horno ( °K

W )

APe= Área de la pared exterior del horno ( m2 )

APu= Área de las puertas de cargue y descargue del horno ( m2 )

APh= Área de las puertas de humos del horno ( m2 )

tPe= Espesor de la pared exterior del horno ( m )

tPe= 0,90 m

tPc= Espesor de la pared central del horno ( m )

tPc= 1,20 m

k = Conductividad térmica de la pared de ladrillo ( W

m−°K )

k = 0,72 W

m−°K7119

h= Altura de la pared del horno ( m )

h= 1,80 m

L= Longitud de trabajo del horno ( m ) L= 44,10 m H = Altura de la puerta de cargue y descargue del horno ( m ) H = 1,50 m

a = Ancho de la puerta de cargue y descargue del horno ( m ) a = 1,30 m n = Número de puertas de cargue y descargue y de humos del horno n= 9

b = Ancho de la puerta de humos ( m )


182

b = 0,46 m z = Altura de la puerta de humos ( m ) z = 0,20 m

La resistencia térmica por conducción en las paredes exterior y central del horno da como resultado:

Rk pa

=0,90 m

0,72 W

m − °K ∗ (1,80 m ∗ 44,10 m − 1,30 m ∗ 1,50 m ∗ 9 − 0,46 m ∗ 0,20 m ∗ 9)

+1,20 m

0,72 W

m − °K ∗ 1,80 m ∗ 44,10 m

Rk pa=

0,90 m

0,72 W

m − °K∗ 61,00 m2

+1,20 m

0,72 W

m − °K∗ 79,38 m2

Rk pa= 0,021

°K

W+ 0,021

°K

W

Rk pa= 0,042

°K

W

Para determinar la resistencia térmica por conducción en el techo del horno, se hace el equivalente como si la forma fuese cilíndrica. Por lo que la resistencia térmica por conducción de la pared de forma cilíndrica del horno es:

Rk tec=

Ln ( re

rn )

2πKL (83)

Donde:

Rk tec= Resistencia térmica por conducción del techo del horno (

°K

W )

re = Radio exterior equivalente del techo del horno ( m ) rn = Radio interior equivalente del techo del horno ( m )

183

k = Conductividad térmica de la pared de ladrillo del horno ( W

m−°K )

k = 0,72 W

m−°K

L= Longitud de trabajo del horno ( m )

L= 44,10 m El área elíptica de la cúpula del horno es:

Acup =π ∗ acup ∗ bcup

2 (84)

Donde:

Acup = Área elíptica de la cúpula del horno ( m2 )


acup= 1,35 m


bcup= 1,00 m

El área de la cúpula del horno es:

Acup =π ∗ 1,35 m ∗ 1,00 m

2

Acup = 2,12 m2

El radio interior equivalente del techo del horno es:

Acup =π ∗ rn

2

2 (85)

Donde:

Acup = Área elíptica de la cúpula del horno ( m2 )

rn = Radio interior equivalente del techo del horno ( m ) El radio interior equivalente del techo del horno es:

rn = √2 ∗ 2,12 m2

π

184

rn = 1,16 m El área del techo del horno es:

Atec = Asup − Acup − Atub (86)

Donde:

Atec = Área del techo del horno (m2)

Asup = Área de la parte superior del horno (m2)

Acup = Área de la cúpula del horno (m2)

Atub = Área de los tubos de alimentación de combustible (m2) El área del techo del horno es:

Atec = hsup ∗ dsup −π∗acup∗ bcup

2− π ∗ r2 ∗ N (87)

Donde:

Atec = Área del techo del horno (m2) hsup= Altura de la pared superior del horno ( m )

hsup= 1,90 m

dsup= Ancho de la sección transversal del horno ( m )

dsup= 4,80 m


acup= 1,35 m


bcup= 1,00 m

r = Radio de los tubos de alimentación de combustible ( m ) r = 0,165 m N = Número de tubos de alimentación en la sección transversal del horno N = 4

185

El área del techo del horno es:

Atec = 1,90 m ∗ 4,80 m −π ∗ 1,35 m ∗ 1,00 m

2− π ∗ (0,165 m)2 ∗ 4

Atec = 6,66 m2 El radio exterior equivalente del techo del horno es:

Atec =π ∗ re

2

2 (88)

Donde:

Atec = Área elíptica de la cúpula del horno ( m2 ) re = Radio exterior equivalente del techo del horno ( m )

El radio exterior equivalente del techo del horno es:

re = √2 ∗ 6,66 m2

π

re = 2,06 m La resistencia térmica por conducción del techo del horno es:

Rk tec=

Ln ( 2,06 m1,16 m

)

2π ∗ 0,72 W

m − °K ∗ 44,10 m

Rk tec= 0,0029

°K

W

El coeficiente global de transferencia de calor de las paredes exterior y central del horno es:

186

Upa =1

Rk pa

(89)

Upa =1

0,042 °KW

Upa = 24,11 W

°K

El coeficiente global de transferencia de calor del techo del horno es:

Utec =1

Rk tec

(90)

Utec =1

0,0029 °KW

Utec = 344,83 W

°K

La pérdida de calor por las paredes exterior y central del horno, para el primer periodo de tiempo de 1 hora es:

Qpa 1 = 24,11 W

°K∗ (30,39 − 19,86) °K ∗ 7.200,00 s

Qpa 1 = 1.827.923,76 J

Qpa 1 = 0,0018 ∗ 106 kJ

Se indica el cálculo la pérdida de calor por las paredes del horno en el periodo de tiempo comprendido entre el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m. y el segundo instante de adquisición del proceso a las 05:42:08 p.m., en la que las temperaturas

de la pared interna y externa es 30,39 ℃ y 19,86 ℃ respectivamente. Los resultados de la pérdida de calor por las paredes del horno cada hora desde el inicio de la cocción el sábado 25 día sábado 25 de marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el día domingo 26 de marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., se presentan en el anexo 10.

187

La pérdida de calor por las paredes exterior y central del horno es:

Qpa = 1.085.710,07 kJ

Qpa = 1,09 ∗ 106 kJ

La pérdida de calor por el techo del horno, para el primer periodo de tiempo de 1 hora es:

Qtec 1= 344,83

W

°K∗ (75,05 − 32,49) °K ∗ 7.200,00 s

Qtec 1 = 105.666.946,60 J

Qtec 1 = 0,11 ∗ 106 kJ

Se indica el cálculo la pérdida de calor para el techo del horno en el periodo de tiempo comprendido entre el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m. y el segundo instante de adquisición del proceso a las 05:42:08 p.m., en la que las temperaturas

tanto de la pared interna y como de la pared externa es 30,39 ℃ y 19,86 ℃ respectivamente. Los resultados de la pérdida de calor por las paredes del horno cada hora, desde el inicio de la cocción el sábado 25 día sábado 25 de marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el día domingo 26 de Marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., se indican en el anexo 10. La pérdida de calor por el techo del horno es:

Qtec = 14.452.661,17 kJ Qtec = 14,45 ∗ 106 kJ

3.3.11. Calor por humos. Es el calor desaprovechado de los gases de la combustión que salen del horno y son evacuados por la chimenea. Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qh = Pg ∗ Cg ∗ ∆T (91)

Donde:

188

Qh = Calor por humos ( kJ ) Pg= Peso de gases producidos ( kg )

Cg = Calor específico de gases de escape ( kJ

kg−°K )

∆T = Diferencia de temperatura entre los gases de escape y el medio

ambiente ( °K ) El peso de gases producidos es:

Pg =Pg

t∗ t (92)

Donde: Pg = Peso de gases producidos ( kg Humos) Pg

t= Peso de humos producidos por unidad de tiempo (

kg Humos

h )

t = Periodo de tiempo de trabajo ( h )

t =0,50 h El peso de humos producidos por unidad de tiempo es:

Pg

t=

mc

t∗ Pgu (93)

Donde: Pg

t = Peso de gases producidos en la unidad de tiempo (

kg Humos

h )

Pgu= Peso de gases producidos por unidad de tiempo ( kg Humos

kg Comb. )

Pgu= mrm

Pgu= 19,04 kg Humos

kg Comb.

mc

t= Masa de carbón consumida por periodo de tiempo (

kg Comb.

h )

mc

t=11,11

Kg Comb.

h

189

El peso de humos producidos por unidad de tiempo es:

Pg

t= 11,11

Kg Comb.

h∗ 19,04

kg Humos

kg Comb.

Pg

t= 211,53

kg Humos

h

El peso de humos producidos es:

Pg = 211,53 kg Humos

h∗ 0,5 h

Pg = 105,77 kg Humos

El calor por humos para el primer periodo de 30 minutos es:

Qh 1 = 105,77 kg Humos ∗ 0,23241 kJ

kg − °K∗ (48,23 − 20,30)℃

Qh 1 = 686,58 kJ

El cálculo del calor por humos en el horno en un periodo de tiempo comprendido entre el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:38:16 p.m. y el segundo instante de adquisición del proceso a las 05:08:16 p.m. Se toma la temperatura de los gases de la combustión que salen del horno y se evacuan por la chimenea, así como la temperatura del medio ambiente en la primera hora corresponde a

48,23 ℃ y 20,30 ℃ respectivamente. Los resultados del calor por humos en un intervalo de tiempo de

30 minuto desde el inicio de la cocción el miércoles 22 día miércoles 22 de abril de 2015 a las 04:38:16 p.m., hasta el final del proceso el día sábado 25 de abril de 2015 a las 12:07:32 p.m., se registran en el anexo 11. El calor de los gases de escape es:

Qh = 910.729,82 kJ

190

Qh = 0,91 ∗ 106 kJ Para la evaluación de este calor se utiliza la siguiente expresión:

Qh = Pg ∗ Cg ∗ ∆T (94)

Donde:

Qh = Calor por humos ( kJ ) Pg= Peso de gases producidos ( kg )

Cg = Calor específico de gases de escape ( kJ

kg−°K )

∆T = Diferencia de temperatura entre los gases de escape y el medio ambiente ( °K ) El peso de gases producidos es:

Pg =Pg

t∗ t (95)

Donde: Pg = Peso de gases producidos ( kg Humos) Pg

t= Peso de humos producidos por unidad de tiempo (

kg Humos

h )

t = Periodo de tiempo de trabajo ( h )

t =1,00 h El peso de humos producidos por unidad de tiempo es:

Pg

t=

mc

t∗ Pgu (96)

Donde: Pg

t = Peso de gases producidos en la unidad de tiempo (

kg Humos

h )

Pgu= Peso de gases producidos por unidad de tiempo ( kg Humos

kg Comb. )

Pgu= mrm

191

Pgu= 19,04 kg Humos

kg Comb.

mc

t= Masa de carbón consumida por periodo de tiempo (

kg Comb.

h )

mc

t=458,88

Kg Comb.

h

El peso de humos producidos por unidad de tiempo es:

Pg

t= 458,88

Kg Comb.

h∗ 19,04

kg Humos

kg Comb.

Pg

t= 8.737,08

kg Humos

h

El peso de humos producidos es:

Pg = 8.737,08 kg Humos

h∗ 1,00 h

Pg = 8.737,08 kg Humos

El calor por humos para el primer periodo de 30 minutos es:

Qh 1 = 8.737,08 kg Humos ∗ 0,23287 kJ

kg − °K∗ (57,404 − 23,60)°K

Qh 1 = 68.769,61 kJ

Para el cálculo del calor por los humos en el periodo de tiempo comprendido entre el primer instante de adquisición del proceso de cocción a las 04:42:08 p.m. y el segundo instante de adquisición del proceso a las 05:42:08 p.m., en la que la temperatura de los gases de la combustión en el horno que salen por la chimenea y la temperatura

ambiente en la primera hora es de 57,40 ℃ y 23,60℃, respectivamente. Los resultados del calor por humos cada hora desde el inicio de la cocción el sábado 25 día sábado 25 de marzo de 2015 a las 04:42:08 p.m. hasta el final del proceso el domingo 26 día domingo 26 de marzo de 2015 a las 03:18:50 p.m., se aparecen en el anexo 11. El calor de los gases de escape es:

192

Qh = 2.729.123,83 kJ Qh = 2,73 ∗ 106 kJ

3.3.12. Pérdidas intangibles. Es la energía pérdida por los fenómenos que presentan cierta dificultad para determinarse como puede ser: hidrogeno, hidrocarburos por los humos negros y la radiación hacia el exterior. Esta pérdida se calculará como el excedente o diferencia entre la energía disponible por el combustible y la sumatoria de los flujos de energía calculados anteriormente. Para la evaluación de la perdida intangible se utiliza la siguiente expresión:

Qin = QH − QT (97) Donde:

Qin = Perdidas intangibles ( kJ ) QH= Calor de entrada ( kJ ) QT =Sumatoria flujos de energía ( kJ ) Las pérdidas intangibles en el horno de la ladrillera el recreo 2 son:

QH = 49,2 ∗ 106 kJ QT = 42,73 ∗ 106 kJ

Qin = 49,20 ∗ 106 kJ − 42,73 ∗ 106 kJ Qin = 6,46 ∗ 106 kJ

De igual forma se evalúa las pérdidas intangibles en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es:

QH = 340,16 ∗ 106 kJ QT = 240,95 ∗ 106 kJ

Qin = 99,21 ∗ 106 kJ

193

3.3.13. Rendimiento del horno. El rendimiento por calor utilizado para la cocción del material está dado por la relación entre el calor real utilizado para la cocción del material y el calor aportado por el combustible. Para la evaluación del rendimiento del horno se utiliza la siguiente expresión:

ηc =Qcm + Qwm + Qdq

QT∗ 100 (98)

Donde:

ηc = Rendimiento por calor utilizado para la cocción del material (% ) Qcm = Calor por carga a cocer ( kJ ) Qwm = Calor para sacar la humedad del material a cocer ( kJ ) Qdq =Calor necesario para la descomposición de la arcilla ( kJ )

QT =Sumatoria flujos de energía ( kJ )

El rendimiento por calor utilizado para la cocción del material en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

Qcm = 13,92 ∗ 106 kJ Qwm = 3,40 ∗ 106 kJ Qdq = 7,03 ∗ 106 kJ

QT = 42,73 ∗ 106 kJ

ηc =( 13,92 ∗ 106 kJ + 3,40 ∗ 106 kJ + 7,03 ∗ 106 kJ )

42,73 ∗ 106 kJ∗ 100

ηc = 56,99 % De igual forma se evalúa el rendimiento por calor utilizado para la cocción del material en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es:

Qcm = 107,71 ∗ 106 kJ Qwm = 23,31 ∗ 106 kJ

194

Qdq = 58,67 ∗ 106 kJ

QT = 240,95 ∗ 106 kJ

ηc = 78,73 % El rendimiento por cantidad de material cocido, está dado por la relación entre el calor aportado por el combustible y la masa húmeda total por carga. Corresponde a la ecuación que se relaciona a continuación:

ηm =QT

Masa humeda total por carga (99)

Donde:

ηm = Rendimiento por cantidad de material cocido (% ) QT =Sumatoria flujos de energía ( kJ ) El rendimiento por cantidad de material cocido en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

η = 42,73 ∗ 106 kJ

19.205,00 kg

η = 2.224,94 kJ

kg material

De igual forma se evalúa el rendimiento por cantidad de material cocido

en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es η = 1.521,91 kJ

kg material

3.4. REQUERIMIENTOS ENERGÉTICOS Y DE AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTIÓN En los hornos tradicionales a cielo abierto, utilizados para la producción de material cerámico en el municipio de Ocaña, se presenta el problema de la combustión incompleta de los combustibles suministrados en la cámara de cocción del horno, por la falta de oxígeno para la combustión

195

completa. Esto es originado por la falta de chimenea, solo la posee el horno de la ladrillera Ocaña. La existencia de un buen tiraje permite una buena circulación de oxígeno en el interior del horno y en consecuencia se obtiene una buena combustión, quemando completamente el combustible. Su ineficiencia trae consigo la emisión de gases tóxicos como el monóxido de carbono, dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno, gases que contaminan la atmósfera contribuyendo con el calentamiento global y la destrucción del ecosistema2972. Con la combustión completa se garantiza la concentración de O2 en los rangos permitidos, pues un exceso de aire provoca que el horno se enfríe y los gases calientes sean extraídos del horno antes de transferir su calor a los productos3073. Para el análisis del problema se determina la relación másica aire-combustible, y para ello se asume que la combustión es estequiométrica y por lo tanto completa. Los productos de la combustión contienen CO2, H2O, SO2 y N2 solamente, la ceniza se ignora y los gases de combustión se consideraron como gases ideales. Para evaluar los números de moles de los constituyentes del carbón, se elige la composición elemental del carbón de la base de datos de la UPME, para carbones del Norte de Santander. 3.4.1. Requerimientos energéticos y de aire necesario para la combustión. Para determinar el número de moles de carbono se utiliza la expresión:

29 J. L. Jaya Sucozhañay y J. L. Gomezcoello Vasquez, Analisis Comparativo de la Contamibación Atmosfetrica Producida por la Combustión en Ladrilleras Artesanales Utilizando Tres Tipos de Combustible, Cuenca: Universidad Politecnica Saleciana, 2012.

30 R. Nava Mena, Analisis Teorico del Secado de Ladrillos en un Horno Continuo, Distrito Federal: Instituto

Politecnico Nacional, 2002.

196

NC =C ∗ mC

MC (100)

Donde:

NC = Número de moles de carbono ( kmol ) C = Porcentaje de carbono en el carbón ( % ) C = 78,00 %

mc = Masa de carbón ( kg )

MC= Peso molecular del carbono ( kg

kmol )

MC= 12,00 kg

kmol

En la ladrillera el Recreo 2 se utilizaron 1.500,00 kg de carbón y en ladrillera Ocaña se utilizaron 10.370,76 kg de carbón. El número de moles de carbono en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

NC =0,78 ∗ 1.500,00 kg

12,00 kg

kmol

NC =1.170,00 kg

12,00 kg

kmol

NC = 97,50 kmol De igual forma se evalúa el número de moles de carbono en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es

674,10 kmol. El número de moles de hidrógeno es:

NH2=

H2 ∗ mc

MH2

(101)

197

Donde: NH2

= Número de moles de hidrógeno ( kmol )

H2= Porcentaje de hidrógeno en el carbón ( % ) H2= 5,80 % mc = Masa de carbón ( kg )

MH2= Peso molecular del hidrógeno (

kg

kmol )

MH2= 2,00

kg

kmol

El número de moles de hidrógeno en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

NH2=

0,058 ∗ 1.500,00 kg

2,00 kg

kmol

NH2=

87,00 kg

2,00 kg

kmol

NH2= 43,50 kmol

De igual forma se evalúa el número de moles de hidrógeno en el combustible utilizado el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es

300,75 kmol. El número de moles de oxígeno es:

NO2=

O2 ∗ mc

MO2

(102)

Donde: NO2

= Número de moles de oxígeno ( kmol )

O2= Porcentaje de oxígeno en el carbón ( % ) O2= 6,60 % mc = Masa de carbón ( kg )

MO2= Peso molecular del oxígeno (

kg

kmol )

MO2= 32,00

kg

kmol

198

El número de moles de oxígeno en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

NO2=

0,066 ∗ 1.500,00 kg

32,00 kg

kmol

NO2=

99,00 kg

32,00 kg

kmol

NO2= 3,09 kmol

De igual forma se evalúa el número de moles de oxígeno en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es

21,39 kmol. El número de moles de nitrógeno es:

NN2=

N2 ∗ mc

MN2

(103)

Donde: NN2

= Número de moles de nitrógeno( kmol )

N2= Porcentaje de nitrógeno en el carbón ( % )

N2= 1,60 % mc = Masa de carbón ( kg )

MN2= Peso molecular del nitrógeno(

kg

kmol )

MN2= 28,00

kg

kmol

El número de moles para el nitrógeno en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

NN2=

0,016 ∗ 1.500,00 kg

28,00 kg

kmol

199

NN2=

24,00 kg

28,00 kg

kmol

NN2= 0,86 kmol

De igual forma se evalúa el número de moles de nitrógeno en el combustible utilizado el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es

5,93 kmol. El número de moles de azufre es:

NS =S ∗ mc

MS (104)

Donde:

NS = Número de moles de azufre ( kmol )

S = Porcentaje de azufre en el carbón ( % ) S = 1,00 % mc = Masa de carbón ( kg )

MN2= Peso molecular del azufre (

kg

kmol )

MN2= 32,00

kg

kmol

El número de moles de azufre en el combustible utilizado en el horno de la ladrillera el Recreo 2 es:

NS =0,010 ∗ 1.500,00 kg

32,00 kg

kmol

NS =15,00 kg

32,00 kg

kmol

NS = 0,47 kmol

200

De igual forma se evalúa el número de moles de azufre en el combustible

utilizado en el horno de la ladrillera Ocaña y su valor es 3,24 kmol. La ecuación de combustión en el horno de la ladrillera el Recreo 2 y ladrillera Ocaña respectivamente se puede escribir como:

97,50 ∗ C + 43,50 ∗ H2 + 3,09 ∗ O2 + 0,86 ∗ N2 + 0,47 ∗ S + a ∗ (O2 +3,76 ∗ N2)→ X ∗ CO2 + Y ∗ H20 + Z ∗ SO2 + W ∗ N2 (104)

674,10 ∗ C + 300,75 ∗ H2 + 21,39 ∗ O2 + 5,93 ∗ N2 + 3,24 ∗ S + a ∗ (O2 +3,76 ∗ N2)→ X ∗ CO2 + Y ∗ H20 + Z ∗ SO2 + W ∗ N2 (105)

Realizando el balance de masa para los constituyentes, se obtiene los coeficientes de balanceo: El coeficiente de balanceo para el carbono en el horno de la ladrillera el

Recreo 2 y ladrillera Ocaña respectivamente es :

X = 97,50 kmol

X = 674,10 kmol El coeficiente de balanceo para el hidrógeno en el horno de la ladrillera

el Recreo 2 y ladrillera Ocaña respectivamente es :

Y = 43,50 kmol Y = 300,75 kmol

El coeficiente de balanceo para el azufre en el horno de la ladrillera el


Z = 0,47 kmol

Z = 3,24 kmol

201

El coeficiente de balanceo para el oxígeno en el horno de la ladrillera el


3,09 + a = X + 0,50 ∗ Y + Z (106)

3,09 + a = 97,50 + 0,50 ∗ 43,50 + 0,47

a = 116,63 kmol

21,39 + a = X + 0,50 ∗ Y + Z (107)

21,39 + a = 674,10 + 0,50 ∗ 300,75 + 3,24 a = 806,33 kmol

El coeficiente de balanceo para el nitrógeno en el horno de la ladrillera

el Recreo 2 y ladrillera Ocaña respectivamente es :

W = 0,86 + a ∗ 3,76 (108)

W = 0,86 + 116,63 ∗ 3,76 W = 439,39 kmol

W = 5,93 + a ∗ 3,76 (109)

W = 5,93 + 806,33 ∗ 3,76 W = 3.037,73 kmol

La ecuación balanceada de combustión en el horno de la ladrillera el


97,50 ∗ C + 43,50 ∗ H2 + 3,09 ∗ O2 + 0,86 ∗ N2 + 0,47 ∗ S + 116,63 ∗(O2 + 3,76 ∗ N2)→ 97,50 ∗ CO2 + 43,50 ∗ H20 + 0,47 ∗ SO2 + 439,39 ∗ N2

674,10 ∗ C + 300,75 ∗ H2 + 21,39 ∗ O2 + 5,93 ∗ N2 + 3,24 ∗ S + a ∗(O2 + 3,76 ∗ N2)→ 674,10 ∗ CO2 + 300,75 ∗ H20 + 3,24 ∗ SO2 +

3.037,73 ∗ N2

Las fracciones molares de los gases producto de la combustión se determinan como:

202

Ng = X + Y + Z + W (110)

Donde: Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

X = Coeficiente de balanceo para el carbono ( kmol ) Y = Coeficiente de balanceo para el hidrógeno ( kmol ) Z = Coeficiente de balanceo para el azufre ( kmol )

W = Coeficiente de balanceo para el nitrógeno ( kmol ) La fracción molar de los gases en el horno de la ladrillera el Recreo 2 y

ladrillera Ocaña respectivamente es :

Ng = 97,50 kmol + 43,50 kmol + 0,47 kmol + 439,39 kmol

Ng = 580,86 kmol

Ng = 674,10 kmol + 300,75 kmol + 3,24 kmol + 3.037,73 kmol

Ng = 4.015,82 kmol

La fracción molar para el dióxido de carbono es:

YCO2=

X

Ng (111)

Donde: YCO2

= Fracción molar para el dióxido de carbono

X = Coeficiente de balanceo para el carbono ( kmol ) Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

La fracción molar para el dióxido de carbono en el horno de la ladrillera

el Recreo 2 y ladrillera Ocaña es :

YCO2=

97,50 kmol

580,86 kmol

YCO2

= 0,17

203

La fracción molar para el agua es:

YH2O =Y

Ng (112)

Donde: YH2O

= Fracción molar para el agua

Y = Coeficiente de balanceo para el hidrógeno ( kmol ) Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

La fracción molar para el agua en el horno de la ladrillera el Recreo 2 y

ladrillera Ocaña es :

YH2O =43,50 kmol

580,86 kmol

YH2O = 0,075 kmol

La fracción molar para el dióxido de azufre es:

YSO2=

Z

Ng (113)

Donde: YSO2

= Fracción molar para el dióxido de azufre

Z = Coeficiente de balanceo para el azufre ( kmol ) Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

La fracción molar para el dióxido de azufre en el horno de la ladrillera el

Recreo 2 y ladrillera Ocaña es :

YSO2=

0,47 kmol

580,86 kmol

YSO2

= 0,00081 kmol

204

La fracción molar para el nitrógeno es:

YN2=

W

Ng (114)

Donde: YN2

= Fracción molar para el nitrógeno

W = Coeficiente de balanceo para el nitrógeno ( kmol ) Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

La fracción molar para el nitrógeno en el horno de la ladrillera el Recreo

2 y ladrillera Ocaña es :

YN2=

439,39 kmol

580,86 kmol

YN2= 0,76 kmol

La masa molar aparente de los gases producto de la combustión es:

M =mg

Ng (115)

M ma =X ∗ M CO2

+ Y ∗ M H2O + Z ∗ M SO2 + W ∗ M N2

Ng (116)

Donde:

M ma = Masa molar aparente de los gases ( kg

kmol )

mg = Masa de los gases ( kg )

Ng = Fracción molar de los gases ( kmol )

X = Coeficiente de balanceo para el carbono ( kmol ) Y = Coeficiente de balanceo para el hidrógeno ( kmol )

Z = Coeficiente de balanceo para el azufre ( kmol ) W = Coeficiente de balanceo para el nitrógeno ( kmol )

M CO2= Peso molecular del dióxido de carbono (

kg

kmol )

205

M CO2= 44,00

kg

kmol

M H2O = Peso molecular del agua ( kg

kmol )

M H2O = 18,00 kg

kmol

M SO2 = Peso molecular dióxido de azufre ( kg

kmol )

M SO2 = 64,00 kg

kmol

M N2 = Peso molecular del nitrógeno ( kg

kmol )

M N2 = 28,00 kg

kmol

La masa molar aparente de los gases producto de la combustión en el

horno de la ladrillera el Recreo 2 y ladrillera Ocaña es :

M =(97,50 ∗ 44,00 + 43,50 ∗ 18,00 + 0,47 ∗ 64,00 + 439,39 ∗ 28,00) kg

580,86 kmol

M =17.406,00 kg

580,86 kmol

M = 29,97 kg

kmol

La relación másica aire-combustible es:

AC =m Aire

m c (117)

Donde:

AC = Relación másica aire-combustible ( kg Aire

kg Comb. )

m Aire = Masa de aire ( kg ) m c = Masa de combustible ( kg ) La masa de aire es:

m Aire = a ∗ N aire ∗ M aire (118)

206

Donde:

m Aire = Masa de aire ( kg ) a = Coeficiente de balanceo para el oxígeno N aire= Número de moles de aire ( kmol )

N aire = O2 + 3,76 N2 N aire = 4,76 kmol

M aire = Peso molecular del aire ( kg

kmol )

M aire = 29,00 kg

kmol

La masa de aire en el horno de la ladrillera el Recreo 2 y ladrillera Ocaña

respectivamente es :

m Aire = 116,63 ∗ 4,76 kmol ∗ 29,00 kg

kmol

m Aire = 16.099,61 kg Aire

m Aire = 806,33 ∗ 4,76 kmol ∗ 29,00 kg

kmol

m Aire = 111.305,79 kg Aire La relación másica aire-combustible en el horno de la ladrillera el Recreo

2 y ladrillera Ocaña es :

AC =16.099,61 kg Aire

1.500,00 kg Comb.

AC = 10,73 kg Aire

kg Comb.

Es decir, se deben suministran 10,73 kg de aire por cada kg de carbón en el horno. La comparación en los resultados de la relación aire-combustible en las ladrilleras el recreo 2 y Ocaña se muestran en la tabla 21 y 22.

207

Tabla 81.Numero de moles constituyentes del carbón en el horno de la ladrillera el recreo 2 y la ladrillera Ocaña

Ladrillera Numero de moles constituyentes del carbón

𝐂 𝐇𝟐 𝐎𝟐 𝐍𝟐 𝐒

El recreo 2 97,50 43,50 3,09 0,86 0,47

Ocaña 674,10 300,75 21,39 5,93 3,24

Fuente: Autor Tabla 92.Coeficientes de balanceo en el horno de la ladrillera el recreo 2 y la ladrillera Ocaña

Ladrillera Coeficientes de balanceo

𝐂 𝐇𝟐 𝐎𝟐 𝐍𝟐 𝐒

El recreo 2 97,50 43,50 0,47 116,63 439,39

Ocaña 674,10 300,75 3,24 806,33 3.037,73

Fuente: Autor 3.5. PROCEDIMIENTOS DE MEDICIÓN DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS Para la medición directa de la concentración de los contaminantes en la chimenea o ducto de emisión en los hornos seleccionados se utiliza el método del analizador instrumental haciendo uso de un analizador de gases de combustión UEi EAGLE, el cual reporta los valores de las emisiones de manera inmediata. Este permite la realización de pruebas de evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes de CO (%), CO2 (%), O2 (%) y NO (PPM). 3.5.1. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de medición. Las ladrilleras de la muestra fueron visitadas con anterioridad para verificar condiciones de trabajo, donde se coordinó una fecha para el monitoreo de emisiones de los gases. La toma de muestras se hizo siguiendo los pasos estipulados según la normatividad vigente en la legislación colombiana. Según el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial en el protocolo para el

208

control y vigilancia de la contaminación atmosférica generada por fuentes fijas, el número de pruebas o corridas para la ejecución de los métodos de evaluación de emisiones contaminantes en fuentes fijas aplicando el método del Analizador instrumental es de 3 corridas. Por cada corrida se hacen 4 mediciones con intervalo de tiempo de 15 minutos. Se realizaron mediciones en 8 empresas para un total de 24 corridas3174. Los puntos de medición establecidos en el horno Hoffman son los 3 ductos o niples ubicados en la chimenea establecidos para tal fin, y para los hornos artesanales las mediciones se hicieron en la parte superior. 3.5.2. Medición de emisiones de gases en los hornos. En la ladrillera Ocaña las mediciones se hicieron en los agujeros ubicados en la parte superior de la chimenea, (Ver figura 59 y 60). Figura 59.Chimenea horno Hoffman


31 Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, «Protocolo para el Control y Vigilancia de la Contaminación Atmosférica Generada por Fuentes Fijas,» Bogota D.C., 2010.

209

Figura 60.Medición de emisiones en ductos o niples en la ladrillera Ocaña

Fuente: S. A. Jácome Manzano La medición de gases en la chimenea del horno de la ladrillera Ocaña se efectúa el día 26 de mayo del 2015, y las mediciones de emisiones de gases se muestran en la tabla 32. En la ladrillera el recreo 2, las mediciones se hicieron en la parte superior del horno por donde salen los gases producto de la combustión, (Ver figura 61). Figura 61.Medición de emisiones en la ladrillera el recreo 2

210

Fuente: S. A. Jácome Manzano La medición de gases en el horno de la ladrillera Ocaña y el recreo 2 se realiza el día 28 de mayo del 2015, y las mediciones de emisiones de gases se muestran en la tabla 23 y 24.

211

Tabla 103.Emisiones de gases en la ladrillera Ocaña

Medición ladrillera Ocaña Total

# Corrida

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Hora

4:15

P.M.

4:30

P.M.

4:45

P.M.

5:00

P.M.

5:15

P.M.

5:30

P.M.

5:45

P.M.

6:00

P.M.

6:15

P.M.

6:30

P.M.

6:45

P.M.

6:00

P.M.

Contaminante

O2 ( % )

2,70

2,80

6,40

2,00

4,40

16,40

18,10

12,10

9,70

7,30

5,40

4,70

0,80

0,70

3,90

8,20

7,50

2,70

1,70

8,50

9,60

10,10

13,60

2,70

1,80

2,10

4,50

6,10

6,30

8,50

10,20

10,60

9,20

9,60

10,20

4,50

Total

1,77

1,87

4,93

5,43

6,07

9,20

10,00

10,40

9,50

9,00

9,73

3,97

6,82

CO ( % )

5,78

6,66

4,66

4,63

10,37

3,42

4,68

6,19

4,00

4,86

4,80

5,62

4,63

2,24

3,77

4,35

3,14

5,61

3,50

5,90

4,29

6,44

6,99

6,83

4,80

4,60

4,80

4,60

8,60

4,20

4,20

6,10

3,80

5,20

6,20

6,10

Total

5,07

4,50

4,41

4,53

7,37

4,41

4,13

6,06

4,03

5,50

6,00

6,18

5,18

212

CO2 ( % )

17,50

18,50

19,40

19,30

18,20

11,80

15,60

16,30

12,90

12,80

13,70

15,60

19,30

11,50

16,40

12,70

13,10

18,10

12,50

16,40

13,40

17,90

18,40

17,50

18,46

14,79

17,00

14,37

18,69

13,12

12,35

20,33

13,57

16,25

18,23

15,25

Total

18,42

14,93

17,77

15,46

16,66

14,34

13,48

17,67

13,29

15,65

16,77

16,12

15,88

NO

( ppm

)

77,00

68,00

33,00

66,00

19,00

9,00

20,00

26,00

10,00

12,00

14,00

15,00

50,00

96,00

17,00

11,00

7,00

19,00

8,00

14,00

9,00

8,00

11,00

17,00

64,00

88,00

26,00

42,00

16,00

18,00

17,00

22,00

10,00

11,00

12,00

17,00

Total

63,67

84,00

25,33

39,67

14,00

15,33

15,00

20,67

9,67

10,33

12,33

16,33

25,53

T ( °C

)

192,60

232,70

223,20

251,20

226,80

530,70

210,60

83,50

178,20

194,50

208,60

214,20

277,80

275,80

248,10

553,30

589,90

261,90

354,60

227,70

479,60

320,30

409,50

276,60

210,20

240,50

230,50

420,50

510,00

480,10

280,10

230,80

420,50

320,30

210,20

250,60

Total

226,87

249,67

233,93

408,33

442,00

424,23

281,77

180,67

359,43

278,37

276,10

247,13

309,04

Fuente: Autor

213

Tabla 114.Emisiones de gases en la ladrillera el recreo 2

Medición ladrillera el recreo 2 Total

# Corri

da 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Hora

9:00 A.M.

9:15 A.M.

9:30 A.M.

9:45 A.M.

10:00 A.M.

10:15 A.M.

10:30 A.M.

10:45 A.M.

11:00 A.M.

11:15 A.M.

11:30 A.M.

11:45 A.M.

Contaminante

O2

( % )

18,10

6,90

20,20

20,50

16,40

8,20

14,20

14,90

13,20

15,00

12,10

10,70

11,10

9,70

13,90

7,30

5,70

14,60

9,20

13,90

14,60

13,30

12,20

10,80

10,50

9,40

11,20

9,60

11,60

13,20

10,50

14,20

13,50

14,20

11,90

10,50

Total

13,23

8,67

15,10

12,47

11,23

12,00

11,30

14,33

13,77

14,17

12,07

10,67

12,42

CO ( %

)

3,15

3,24

3,64

0,00

3,31

3,29

3,33

3,31

3,33

3,36

3,32

3,33

3,29

7,24

1,45

0,00

0,90

2,81

3,66

3,02

3,29

3,29

3,28

3,30

3,10

6,25

2,80

0,00

2,11

3,05

3,50

3,17

3,31

3,33

3,30

3,32

Total

3,18

5,58

2,63

0,00

2,11

3,05

3,50

3,17

3,31

3,33

3,30

3,32

3,01

214

CO

2 ( %

)

7,00

13,50

10,70

0,00

4,30

12,20

6,40

5,80

7,40

5,70

8,50

9,80

9,40

11,90

5,00

0,00

9,00

7,40

8,50

7,20

6,10

7,30

8,40

9,70

7,38

11,57

7,77

0,00

3,25

8,02

7,77

6,58

6,62

6,66

8,68

9,76

Total

7,93

12,32

7,82

0,00

5,52

9,21

7,56

6,53

6,71

6,55

8,53

9,75

7,52

NO

( ppm)

23,00

31,00

20,00

73,00

10,00

16,00

11,00

9,00

6,00

4,00

7,00

8,00

30,00

19,00

17,00

74,00

10,00

10,00

8,00

9,00

4,00

5,00

7,00

8,00

27,20

26,20

19,50

72,80

10,00

12,50

10,10

9,00

4,80

4,60

7,00

8,00

Total

26,73

25,40

18,83

73,27

10,00

12,83

9,70

9,00

4,93

4,53

7,00

8,00

17,52

T ( °C

)

66,40

70,60

67,50

52,00

65,40

64,20

76,50

64,20

65,80

66,20

65,40

66,70

71,30

64,10

71,00

63,20

51,30

73,10

75,70

64,30

63,60

63,40

68,20

65,50

66,20

68,50

68,70

55,20

59,20

66,60

75,50

64,40

63,90

65,20

67,00

66,20

Total

67,97

67,73

69,07

56,80

58,63

67,97

75,77

64,30

64,43

65,07

66,87

66,13

66,15

Fuente: Autor

215

Los resultados de las emisiones de gases en las otras ladrilleras se muestran en el anexo 12. 3.5.3.Corrección a condiciones de referencia. Los resultados de las mediciones de los diferentes contaminantes deben ser corregidos a condiciones de referencia: a 25ºC y presión de 760 mm. Hg, de acuerdo con lo establecido en el artículo 86 de la resolución 909 del 5 de junio de 2008 emanada por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, por medio de la siguiente ecuación:

C CR = C CL ∗ ( T CL ∗ P CR

T CR ∗ P CL ) (119)

Donde:

C CR= Concentración del contaminante a condiciones de referencia ( mg

m3 )

C CL = Concentración del contaminante a condiciones locales ( mg

m3 )

T CL = Temperatura de los gases a la salida del ducto (°K) T CR = Temperatura a condiciones de referencia (°K) T CR = 298,00 °K P CL = Presión de los gases a la salida del ducto ( mm Hg ) P CR = Presión a condiciones de referencia ( mm Hg ) P CR = 760,00 mm Hg Se indican las correcciones a condiciones de referencia del óxido nítrico en la ladrillera el recreo 2 y para encontrar la concentración de óxidos de nitrógeno

a condiciones locales en mg

m3 se utilizará la siguiente expresión:

C CL = C CL p.p.m.∗

P. M.

24,45 (120)

Donde:

C CL = Concentración de óxidos de nitrógeno a condiciones locales ( mg

m3 )

216

C CL p.p.m= Concentración de óxidos de nitrógeno a condiciones locales

( p. p. m. ) C CL p.p.m

= 17,52 p. p. m.

P. M. =Peso molecular de óxidos de nitrógeno ( g ) P. M. = 30,00 g

La concentración de óxidos de nitrógeno a condiciones locales en mg

m3 es:

C CL = 17,52 ∗ 30,00

24,45

C CL = 21,50 mg

m3

La presión barométrica en la ciudad de Ocaña es de 93,20 ∗ 103 Pa o 699,06 mm Hg753271. La presión de los gases a la salida del ducto es de 701,99 mm Hg y la temperatura de los gases a la salida de la chimenea es de 66,15 °C . Por lo tanto, la corrección de óxidos de nitrógeno contaminante a condiciones de referencia es:

C CR = 21,50 mg

m3∗ (

339,15 °K ∗ 760,00 mm Hg

298,00 °K ∗ 701,99 mm Hg )

C CR = 26,49 mg

m3

Una vez obtenida la corrección a condiciones de referencia se procede a hacer la corrección a condiciones de oxígeno de referencia del 18%, de acuerdo con lo establecido en el artículo 88 de la resolución 909 emanada por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, por medio de la siguiente ecuación:

C CR(O2 ref ) = C CR (X %) ∗ ( 21,00 − % O2 ref

21,00 − X % ) (121)

32 NASA, «https:/eosweb.larcnasa.gov,» [En línea]. [Último acceso: 23 Julio 2016].

217

Donde: C CR(O2 ref )= Concentración del contaminante a condiciones de referencia

( mg

m3 )

C CR (X %) = Concentración del contaminante a condiciones de referencia ( mg

m3 )

C CR (X %) = 26,49 mg

m3

X % = Oxígeno medido a la salida de los gases (%) X % = 12,42 % La corrección a condiciones de referencia con oxígeno de referencia del 18% es:

C CR(O2 ref ) = 26,49 mg

m3 ∗ ( 21,00−18,00

21,00−12,42 )

C CR(O2 ref ) = 9,27 mg

m3

3.5.4. Exceso de aire. El exceso de aire evita la formación de inquemados sólidos y gaseosos como monóxido de carbono e hidrocarburos, sin embargo, el exceso no puede ser grande y se debe controlar el porcentaje de exceso de O2 en la salida de los gases de combustión, puesto que se pierde mucha energía del carbón en calentar el nitrógeno del aire que se escapa al medio ambiente sin su aprovechamiento. El cálculo del exceso de aire que está avalado por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial es el método 3 análisis de las emisiones para determinar el porcentaje de dióxido de carbono, oxígeno y monóxido de carbono. Para calcular el exceso de aire se utilizan los resultados del análisis de los gases producto de la combustión y para su evaluación se utiliza la siguiente expresión:

% E. A. =(% O2) − (0,5 ∗ % CO)

0,264 ∗ (% N2) − (% O2 − 0,5 ∗ % CO)∗ 100 (122)

Donde:

218

% E. A. = Exceso de aire ( % ) O2= Porcentaje de oxígeno en los gases de combustión ( % ) CO = Porcentaje de monóxido de carbono en los gases de combustión ( % )

N2= Porcentaje de nitrógeno en los gases de combustión ( % ) El exceso de aire para en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

% E. A. =12,42 − 0,50 ∗ 3,01

0,264 ∗ 77,05 − (12,42 − 0,50 ∗ 3,01)∗ 100

% E. A. = 115,79 % Los resultados del exceso de aire en los hornos de las otras ladrilleras se pueden ver en la tabla 37. 3.5.5. Eficiencia de la combustión. La eficiencia de combustión se puede medir por medio de la concentración de monóxido de carbono en los humos, el cual se basa en la conversión teórica y real del carbono de los compuestos combustibles, en dióxido de carbono que aparece en los humos. Se compara la reacción real con la reacción completa del combustible y el comburente en la cual todo el carbono y el hidrógeno se queman, para la evaluación de la eficiencia de combustión se utiliza la siguiente expresión:

ɳC =(% CO2)real

(% CO2)teorico (123)

ɳC =CO2

α0 (124)

Donde:

ɳC = Eficiencia de combustión ( % ) (% CO2)real= Reacción real del combustible y el comburente ( % ) (% CO2)teorico= Reacción completa del combustible ( % )

(% CO2)teorico= α0 Para la evaluación de la reacción completa del combustible y el comburente se utiliza la siguiente expresión:

219

α0 = 0,21

0,79 ∗ 1 +3C ∗ ( H2 −

O2 − S8 ) + 0,21 ∗ (1 −

3N2

7C ) (125)

Donde:

α0= Reacción completa del combustible ( % ) C = Porcentaje de carbono en el carbón

C =78,00 % H2= Porcentaje de hidrógeno en el carbón ( % ) H2 = 5,80 % S = Porcentaje de azufre en el carbón ( % )

S = 1,00 % N2= Porcentaje de nitrógeno en el carbón ( % ) N2 = 1,60 % La reacción completa del combustible y el comburente es:

α0 = 0,21

0,79 ∗ 1 +3

78,00 ∗ ( 5,80 −6,60 − 1,00

8 ) + 0,21 ∗ (1 −3 ∗ 1,60

7 ∗ 78,00 )

α0 = 0,18 La eficiencia de combustión en el horno de la ladrillera el recreo 2 es:

ɳC =7,52

0,18

ɳC = 41,78 % 3.6. MEJORAS EN LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE CERÁMICOS POR LA IMPLEMENTACIÓN DE BUENAS PRÁCTICAS El enfoque de las mejoras en las actividades de ladrilleras artesanales se hace desde el punto de vista de generar un ahorro de combustible, otra mejora es el cambio de combustible que conducirá a mejoras en la salud y

220

la calidad de vida; pero de manera que los procesos sean los más ecoeficientes3376 posibles y permitan promover la formalización de los microempresarios. 3.6.1. Factores de influencia en el mejoramiento de la producción de cerámicos. Los factores que influyen en el exceso de consumo de combustible y altos índices de contaminación ambiental por la industria ladrillera en el municipio de Ocaña y que pueden ser mejorados son: 3.6.1.1. Ubicación de la planta productora. La mayoría de los chircales en el municipio de Ocaña están ubicados en las afueras de la ciudad. Sin embargo la tendencia es instalar los chircales lo más cercanos posible a las canteras de arcilla con los mejores rendimientos para la fabricación de ladrillos para obtener productos más homogéneos y de mejor calidad. 3.6.1.2. Materia prima. No promover la explotación irracional de las canteras para extraer la arcilla y tierra utilizada como materia prima, debido a que afecta la morfología y estabilidad de los suelos generando procesos erosivos y riesgos de deslizamientos. 3.6.1.3. Tipo de combustible utilizado. Eliminar el uso de combustibles altamente contaminantes como llantas, plásticos, aceites y utilice combustible más ecoeficiente en la quema o cocción como gas natural, gas licuado, combustibles líquidos con bajo contenido de azufre como diésel, carbón de Piedra, aserrín de madera y cáscara de arroz y café logrando disminuir las emisiones de contaminantes a la atmósfera por uso de un combustible más limpio y más eficiente y una combustión eficiente aprovechando al máximo la energía disponible en el combustible. Identificar a los proveedores que suministren combustibles de buena calidad, asegura el aprovisionamiento de combustible sin impurezas

33 S. L. Mantilla Parra y L. Ardila Sanchez , Desarrollo de una Propuesta de Optimización Energetica de los Hornos Colmena de la Empresa Ladrillos y Acabados S.A.S., Bucaramanga: Universidad Industríal de Santander, 2011.

221

indeseables y evita problemas ambientales, generando ahorros de combustible por requerirse menor cantidad de combustible por ladrillo a quemar. Comprar combustible en lotes grandes directamente al productor conduciendo a ahorros por volumen de compra y en el flete del transporte del combustible y asegura el abastecimiento de combustible de buena calidad a precios competitivos. Implementar prácticas de orden y limpieza en los lugares de almacenamiento y manipulación, disponer de espacios distintos para almacenar materias primas, productos, residuos y combustible y Llevar un control de su uso y un inventario permanente de las cantidades existentes a fin de programar la frecuencia y oportunidad de las adquisiciones le permitirá tener un control permanente de las existencias, para programar las compras de materia prima y combustible. Implementar sistemas para medir y controlar la dosificación de combustible, colocando medidores de flujo para el caso de combustibles líquidos o gaseosos y balanzas de pesaje para combustibles sólidos , disminuyendo el consumo de combustible por dosificación adecuada y logrando el mejor control de la cocción por exceso o falta de combustible respectivamente.

3.6.1.4. Tecnología de fabricación empleada preparación de ladrillo crudo, mezcla y moldeo. Tamizar la materia prima para eliminar piedras, raíces, pedazos de madera, y otros elementos indeseables que afectan la calidad de la mezcla y del producto final, elimina impurezas que reducen las propiedades de los productos. Determinar las proporciones de los componentes de la mezcla que de mejores resultados según el tipo de producto que se quiere producir, logrando mayor productividad y estandarización de la mezcla.

Implementar el uso de equipos mecánicos como mezcladora, amasadora, etc. para mejorar el proceso de mezcla y amasado incrementando la

222

producción por reducción en el tiempo de amasado y mejor acabado de los productos sus propiedades. 3.6.1.5. Tecnología de proceso empleada en la cocción. Utilizar combustibles limpios o de bajo impacto ambiental en el proceso de cocción o quema de ladrillos evita la contaminación atmosférica, multas y sanciones de los organismos de control ambiental. Aumentar el espesor de las paredes y cúpula de los hornos para lograr una mayor eficiencia de quemado, evitar pérdida de calor y ahorrar combustible. 3.6.1.6. Gestión de recursos. Establecer espacios para depositar en forma segregada los residuos generados en el proceso (cenizas, escombros, etc.), con la posibilidad para de reciclar y reutilización interna. 3.6.1.7. Higiene, seguridad y protección personal. Utilizar elementos de protección individual en la prevención y disminución de riesgos laborales. Entrenar y capacitar al personal en la aplicación del manual de higiene y seguridad industrial, para minimizar riesgos laborales y mejorar el rendimiento colectivo.

223

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1. ANÁLISIS EN ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA Y BLOQUES DE ARCILLA. 4.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial. Se encuentra que el valor mínimo y máximo en la tasa de absorción inicial de agua se presenta en las muestras

de la ladrillera Ocaña y la pradera con valores de 0,20 g/𝐜𝐦𝟐/mín. y 0,56

g/𝐜𝐦𝟐/mín. respectivamente. El valor promedio global de todos las muestras

seleccionadas es de 0,38 g/𝐜𝐦𝟐/mín. Sólo la ladrillera granito de oro, de las 16 ladrilleras que producen unidades de mampostería, cumple lo estipulado

por la norma con un valor de 0,25 g/𝐜𝐦𝟐/mín. representando el 6,25 %, mientras que el 93,75 % de las ladrilleras no cumplen con lo estipulado por la norma. En las unidades de perforación horizontal H-10 no se cumple con la

norma con un valor de 0,20 g/𝐜𝐦𝟐/mín. superior a lo establecido en la norma

de 0,10 g/𝐜𝐦𝟐/mín. Las muestras ensayadas de los fabricantes de la ladrillera los espineles, la pradera y el Líbano, presentan una tasa de absorción inicial de agua alta con

valores de 0,51 g/cm2/mín., 0,56 g/cm2/mín. y 0,51 g/cm2/mín respectivamente, lo cual influye en altos tiempos de pre humedecimiento de las piezas; mientras los resultados de los ensayos realizados a los muestras de los fabricantes de la ladrillera Ocaña, el estanco 1,2 y 3 y granito de oro presentan tasa de absorción inicial de agua más ajustadas a las recomendadas en la norma NTC 4205, lo que significa menores tiempos de pre humedecimiento para las piezas. 4.1.2. Ensayo inmersión durante 24 horas. Se encuentra que el valor mínimo y máximo en el ensayo inmersión 24 horas se presenta en las muestras de la ladrillera Ocaña y Sánchez, con valores de 12,55 % y 21,77 % respectivamente. El valor promedio global de todos las muestras seleccionadas es de 17,30 %. Para ladrillo de mampostería no estrucutral interior, 13 de las 19 ladrilleras cumplen lo estipulado por la norma

224

representando el 68,42 %, mientras que el 31,58 % de las ladrilleras no cumplen con lo estipulado por la norma. En el producto de ladrillo de mampostería no estrucutral exterior, solo la ladrillera Ocaña cumple lo estipulado por la norma representando el 5,26 %, mientras que el 94,74 % de las ladrilleras no cumplen con lo estipulado por la norma. El valor promedio para las unidades de perforación horizontal H-10 es de 12,55 %, dato que se encuentran por encima del valor mínimo del 5% y por debajo del valor máximo del 17%, cumpliendo lo estipulado por la norma. Las muestras ensayadas de los fabricantes de las ladrilleras el estanco 1, Sánchez, la pradera y los mellos, presentan una absorción final alta con valores de 21,30 %, 21,77 %, 20,35 % y 21,02 % respectivamente, superior a lo establecido en la norma de 17,50 %. 4.1.3. Ensayo resistencia a la compresión. La resistencia a la compresión en piezas de ladrillo macizo de arcilla cocida, tiene una variación en la resistencia que oscila entre 1,58 MPa a 10,51 MPa, con un valor promedio de todas las muestras seleccionadas de 4,71 MPa inferior a lo establecido por la norma que es un valor igual a 14 MPa. Mientras que la resistencia a la compresión para las unidades de perforación horizontal H-10 e s d e 1 , 6 3 MPa inferior a lo establecido por la norma de 2,94 MPa. Se encuentra que el valor mínimo y máximo en la resistencia a la compresión en piezas de ladrillo macizo se presenta en las muestras de la ladrillera el Líbano y el estanco 3, con valores de 1,58 MPa y 10,51 MPa respectivamente. Ninguna de las 13 ladrilleras que fabrican ladrillo macizo cumple el valor estipulado por la norma de 14 MPa. 4.1.4. Ensayo módulo de rotura o flexión. Se encuentra que el valor mínimo y máximo en la resistencia a la flexión en piezas de ladrillo macizo se presenta en las muestras de la ladrillera los espineles y los mellos, con valores de 0,89 MPa y 5,95 MPa respectivamente, y con un valor promedio de todas las muestras seleccionadas de 2,24 MPa. Solo la ladrillera los espineles, de las 17 ladrilleras, no cumple lo estipulado por la norma representando el 5,88 %;

225

mientras que el 94,12 % de las ladrilleras satisface por encima lo establecido en la norma, en el rango de 1 MPa a 1,40 MPa. Por otro lado, el valor promedio en el módulo de rotura o flexión en las unidades de perforación horizontal H-10 e s d e 0 , 2 7 M P a , e s d e c i r , p o r f u e r a d e l rango de 0,29 MPa a 0,88 MPa permitido por la norma. 4.1.5. Análisis estadístico en los ensayos de unidades de mampostería de arcilla y bloques de arcilla. Se realizó un análisis estadístico utilizando el software de paquete estadístico SPSS para observar si existe correlación entre las variables resistencia a la compresión, tasa de absorción inicial, módulo de rotura e inmersión durante 24 horas, primero se realizó una regresión lineal entre las variables y después con los resultados de varios modelos curvilíneos que proporcionó el software se escogió el modelo que más se ajusta y se realizó el análisis a cada caso. En el análisis de correlación lineal múltiple se establece una relación funcional

entre una variable dependiente 𝑌 y una serie de variables independientes 𝑋1, 𝑋2, 𝑋3, … , 𝑋𝑛, que se expresa formalmente como:

𝑌 = 𝛼 + 𝛽1𝑋1 + 𝛽2𝑋2 + 𝛽3𝑋3+. . . +𝛽𝑛𝑋𝑛 + 𝑒 (126) 4.1.5.1. Correlación lineal entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 25 y 26. Tabla 125.Coeficientes de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

Parámetro

Estimado Error T Valor-P

Intercepto

5,55477 2,70612 2,05267 0,0626

Pendiente

-2,12822 6,61675 -0,32164 0,7533

226

Fuente: Autor Tabla 26 .Análisis de varianza de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente Suma de cuadrados

Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,496832 1 0,496832 0,10 0,7533 Residuo 57,6301 12 4,80251

Total (Corregido

)

58,1269 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = -0,0924519 R-cuadrada = 0,854736 % R-cuadrado ajustado = - 7,40737 % Error estándar del estimado = 2,19146 Error absoluto medio = 1,31938 Estadístico Durbin-Watson = 1,19131 Auto correlación de residuos en retraso 1 = 0,392689 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial es:

Resistencia a la compresión= 5,55477 − 2,12822 ∗ tasa de absorción inicial (127)

227

Puesto que el valor-P en la tabla 26 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre la resistencia a la compresión y la tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más. Los valores estadísticos encontrados de R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 0,854736% de la variabilidad en la resistencia a la compresión. El coeficiente de correlación es igual a -0,0924519, indicando una relación relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 2,19146. El error absoluto medio MAE de 1,31938 es el valor promedio de los residuos. El estadístico de Durbin-Watson DW examina los residuos para determinar si hay alguna correlación significativa basada en el orden en el que se presentan en el archivo de datos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de un auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver figura 62 y 63). Figura 62.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor

Gráfico del Modelo Ajustado

compresion = 5,55477 - 2,12822*T.I.A

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

0

2

4

6

8

10

12

co

mp

resio

n


(MP

a)

228

Figura 63. Residuos entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor La prueba de falta de ajuste está diseñada para determinar si el modelo seleccionado es adecuado para describir los datos observados, o si se debería utilizar un modelo más complicado. La prueba se realiza comparando la variabilidad de los residuos del modelo actual con la variabilidad entre observaciones hechas en valores repetidos de la variable independiente. Puesto que el valor-P para la carencia de ajuste en la tabla 27 es menor que 0,05, existe una carencia de ajuste estadísticamente significativa con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver tabla 27). Tabla 27.Análisis de varianza con carencia de ajuste entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,496832 1 0,496832 0,10 0,7533

Gráfico de Residuos

compresion = 5,55477 - 2,12822*T.I.A

0,27 0,32 0,37 0,42 0,47 0,52 0,57

T.I.A

-5

-3

-1

1

3

5

Red

idu

o E

stu

den

tizad

o


229

Residuo 57,6301 12 4,80251 Carencia de

ajuste 57,4728 10 5,74728 73,07 0,0136

Error puro 0,1573 2 0,07865 Total

(corregido) 58,1269 13

Fuente: Autor Los resultados de ajustar varios modelos curvilíneos a los datos se muestran en la tabla 28. Tabla 138.Comparación de modelos alternos entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Modelo Correlación

R-Cuadrada

Inversa-Y cuadrado-X 0,4236 17,95% Inversa de Y 0,4001 16,00%

Inversa-Y log-X 0,3717 13,82% Doble inverso -0,3411 11,63%

Log-Y cuadrado-X -0,2968 8,81% Exponencial -0,2714 7,36%

Logarítmico-Y raíz cuadrada-X

-0,2581 6,66%

Multiplicativa -0,2448 5,99% Curva S 0,2194 4,82%

Raíz cuadrada-X cuadrado-X

-0,2075 4,31%

Raíz cuadrada de Y -0,1813 3,29% Raíz cuadrada doble -0,1684 2,84%

Raíz cuadrada-Y log-X -0,1561 2,44%

230

Raíz cuadrada-Y inversa de X

0,1339 1,79%

Cuadrado de X -0,1191 1,42% Lineal -0,0925 0,85%

Cuadrado-Y inversa de X -0,0811 0,66% Raíz cuadrada de X -0,0800 0,64%

Logaritmo de X -0,0685 0,47% Cuadrado-Y log-X 0,0662 0,44% Cuadrado-Y raíz

cuadrada-X 0,0561 0,31%

Inversa de X 0,0494 0,24% Cuadrado de Y 0,0444 0,20% Cuadrado doble 0,0174 0,03%

Inversa-Y raíz cuadrada-X sin ajuste Logístico sin ajuste Log probit sin ajuste

Fuente: Autor De los modelos ajustados, el modelo Y-inversa X-cuadrada es el que arroja el valor más alto de R-Cuadrada con 17,9464%. Este es 17,0917% mayor que el modelo lineal seleccionado. 4.1.5.2. Correlación inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión inversa se presentan en la tabla 29 y 30. Tabla 29.Coeficientes de regresión inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

231

Parámetro


Intercepto

0,135922 0,0791314

1,71767 0,1115

Pendiente

0,702457 0,433599

1,62006 0,1312

Fuente: Autor Tabla 30.Análisis de varianza de regresión inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,0368111 1 0,0368111 2,62 0,1312 Residuo 0,168305 12 0,0140254

Total (corregido

)

0,205116 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión inversa a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = 0,423633 R-cuadrada = 17,9464 % R-cuadrado ajustado = 11,1087 % Error estándar del estimado = 0,118429 Error absoluto medio = 0,0730745 Estadístico Durbin-Watson = 1,49166 Auto correlación de residuos en retraso 1 = 0,236927

232

La ecuación del modelo cuadrado ajustado para describir la relación entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial es:


= 1

(0,135922 + 0,702457 ∗ (tasa de absorción inicial2)) (128)

Puesto que el valor-P en la tabla 30 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre la resistencia a la compresión y la tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 17,9464% de la variabilidad en la resistencia a la compresión. El coeficiente de correlación es igual a 0,423633, indicando una relación relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 0,118429. El error absoluto medio MAE de 0,0730745.Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver figura 64 y 65). Figura 64.Modelo ajustado inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

233

Fuente: Autor Figura 65.Residuos al modelo ajustado inverso-cuadrado entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor En la prueba de falta de ajuste, puesto que el valor-P para la carencia de ajuste en la tabla 31 es menor que 0,05, existe una carencia de ajuste estadísticamente significativa con un nivel de confianza del 95,0%.


compresion = 1/(0,135922 + 0,702457*T.I.A^2)

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

0

2

4

6

8

10

12

co

mp

resio

n


compresion = 1/(0,135922 + 0,702457*T.I.A^2)

0,27 0,32 0,37 0,42 0,47 0,52 0,57

T.I.A

-6

-4

-2

0

2

4

6

Red

idu

o E

stu

den

tizad

o


(MP

a)


234

Tabla 31.Análisis de varianza con carencia de ajuste al modelo inversa-cuadrada a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,0368111 1 0,0368111 2,62 0,1312 Residuo 0,168305 12 0,0140254

Carencia de ajuste

0,167861 10 0,0167861 75,58 0,0131

Error puro 0,00044422 2 0,00022211 Total

(corregido) 0,205116 13

Fuente: Autor 4.1.5.3. Correlación lineal entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 32 y 33. Tabla 142.Coeficientes de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

Parámetro


Intercepto

1,32022 1,12955

1,16881 0,2620

Pendiente

1,75063 2,80589

0,623913 0,5427

Fuente: Autor

235

Tabla 33.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,416322 1 0,416322 0,39 0,5427 Residuo 14,9731 14 1,0695

Total (corregido

)

15,3894 15

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = 0,164477 R-cuadrada = 2,70526 % R-cuadrado ajustado = - 4,24437 % Error estándar del estimado = 1,03417 Error absoluto medio = 0,658086 Estadístico Durbin-Watson = 2,41501 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,215356 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial es:

Módulo de rotura = 1,32022 + 1,75063 ∗ tasa de absorción inicial (129) Puesto que el valor-P en la tabla 33 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre módulo de rotura y la tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más.

236

Los valores estadísticos R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 2,70526% de la variabilidad en el módulo de rotura. El coeficiente de correlación es igual a 0,164477, indicando una relación relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 1,03417. El error absoluto medio MAE de 0,658086. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver figura 66 y 67). Figura 66.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor Figura 67.Residuos entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.


roturaflexion = 1,32022 + 1,75063*T.I.A

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

0

1

2

3

4

5

6

rotu

rafl

exio

n

T.I.A.(g/𝐜𝐦𝟐/mín)

(MP

a)

237

Fuente: Autor En la prueba de falta de ajuste, puesto que el valor-P para la carencia de ajuste en la tabla 34 es menor que 0,05, el modelo parece ser adecuado para los datos observados con un nivel de confianza del 95,0%. Tabla 34.Análisis de varianza con carencia de ajuste a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,416322 1 0,416322 0,39 0,5427 Residuo 14,9731 14 1,0695

Carencia de ajuste

14,3681 12 1,19734 3,96 0,2192



Fuente: Autor Los resultados de ajustar varios modelos curvilíneos a los datos se muestran en la tabla 35.


roturaflexion = 1,32022 + 1,75063*T.I.A

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-6

-4

-2

0

2

4

6

Red

idu

o E

stu

den

tizad

o


238

Tabla 35.Comparación de modelos alternos a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Modelo Correlación

R-Cuadrada

Cuadrado-Y inversa de X

-0,2046 4,19%

Cuadrado-Y log-X 0,2027 4,11% Cuadrado-Y raíz

cuadrada-X 0,1982 3,93%

Cuadrado de Y 0,1914 3,66% Logaritmo de X 0,1725 2,97% Cuadrado doble 0,1714 2,94%

Inversa de X -0,1713 2,94% Raíz cuadrada deX 0,1696 2,88%

Lineal 0,1645 2,71% Cuadrado de X 0,1480 2,19%

Raíz cuadrada-Y log-X 0,1464 2,14% Raíz cuadrada doble 0,1450 2,10%

Raíz cuadrada-Y inversa de X

-0,1429 2,04%

Raíz cuadrada de Y 0,1414 2,00% Raíz cuadrada-X

cuadrado-X 0,1283 1,65%

Logarítmico-Y raíz Cuadrada-X

0,1142 1,30%

Multiplicativa 0,1138 1,30% Exponencial 0,1126 1,27%

Curva S -0,1074 1,15% Log-Y cuadrado-X 0,1040 1,08%

Inversa-Y cuadrado-X -0,0523 0,27% Inversa de Y -0,0502 0,25%

Inversa-Y raíz cuadrada-X

-0,0471 0,22%

Inversa-Y log-X -0,0426 0,18%

239

Doble inverso 0,0300 0,09% Logístico sin ajuste Log probit sin ajuste

Fuente: Autor De los modelos ajustados, el modelo Y-cuadrada X-inversa es el que arroja el valor más alto de R-Cuadrada con 4,18747%. Este es 1,48221% mayor que el modelo lineal seleccionado. 4.1.5.4. Correlación cuadrada-inversa a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión cuadrada se presentan en la tabla 36 y 37. Tabla 156.Coeficientes regresión cuadrada-inversa a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

Parámetro


Intercepto

9,97919 6,5808 1,51641 0,1517

Pendiente

-1,84425 2,35771

-0,78222 0,4471

Fuente: Autor Tabla 37.Análisis de varianza de regresión cuadrada-inversa a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 25,1985 1 25,1985 0,61 0,4471

240

Residuo 576,562 14 41,183 Total

(corregido)

601,761 15

Fuente: Autor Del análisis de la regresión cuadrada-inversa a la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = -0,204633 R-cuadrada = 4,18747 % R-cuadrado ajustado = -2,65628 % Error estándar del estimado = 6,4174 Error absoluto medio = 3,64906 Estadístico Durbin-Watson = 2,36916 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,190221 La ecuación del modelo cuadrada –inversa ajustado para describir la relación entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial es:

Módulo de rotura = √9,97919 − 1,84425

tasa de absorción inicial (130)

Puesto que el valor-P en la tabla 37 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre el módulo de rotura y la tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 4,18747% de la variabilidad en el módulo de rotura. El coeficiente de correlación es igual a -0,204633, indicando una relación

241

relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 6,4174. El error absoluto medio MAE de 3,64906. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de un auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver figura 68 y 69). Figura 68.Modelo ajustado cuadrada- inversa al variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor Figura 69.Residuos al modelo ajustado cuadrada- inversa entre la variable dependiente módulo de rotura y la variable independiente tasa de absorción inicial.


roturaflexion = sqrt(9,97919 - 1,84425/T.I.A)

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

0

1

2

3

4

5

6

rotu

rafl

exio

n

.(g/𝐜𝐦𝟐/mín)

(MP

a)

242

Fuente: Autor 4.1.5.5. Correlación lineal entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 38 y 39. Tabla 168.Coeficientes de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

Parámetro


Intercepto

18,7646 2,52973

7,41761 0,0000

Pendiente

-2,79632 6,28407

-0,44498

5

0,6631

Fuente: Autor


roturaflexion = sqrt(9,97919 - 1,84425/T.I.A)

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-9

-6

-3

0

3

6

9

Red

idu

o E

stu

den

tizad

o


243

Tabla 39.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 1,06222 1 1,06222 0,20 0,6631 Residuo 75,1018 14 5,36441

Total (corregido

)

76,164 15

Fuente: Autor

Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = -0,118095 R-cuadrada = 1,39464 % R-cuadrado = -5,64859 % Error estándar del estimado = 2,31612 Error absoluto medio = 1,82658 Estadístico Durbin-Watson = 1,85907 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,0106938 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial es:

Inmersión durante 24 horas= 18,7646 − 2,79632 ∗ tasa de absorción inicial (131)

Puesto que el valor-P en la tabla 39 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre Inmersión durante 24 horas y la

244

variable independiente tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 1,39464% de la variabilidad en Inmersión durante 24 horas. El coeficiente de correlación es igual a -0,118095, indicando una relación relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 2,31612. El error absoluto medio MAE de 1,82658. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%, (Ver figura 70 y 71). Figura 70.Modelo lineal ajustado entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial

Fuente: Autor Figura 71.Residuos entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial


Absorfinal = 18,7646 - 2,79632*T.I.A

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

15

17

19

21

23

Ab

so

rfin

al


(%)

245

Fuente: Autor En la prueba de falta de ajuste, puesto que el valor-P para la carencia de ajuste en la tabla 40 es menor que 0,05, existe una carencia de ajuste estadísticamente significativa con un nivel de confianza del 95,0%. Tabla 40.Análisis de varianza con carencia de ajuste a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente Sumade cuadrados

Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 1,06222 1 1,06222 0,20 0,6631 Residuo 75,1018 14 5,36441

Carencia de ajuste

74,0695 12 6,17246 11,96 0,0797



Fuente: Autor


Absorfinal = 18,7646 - 2,79632*T.I.A

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-2,5

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

Re

did

uo

Es

tud

en

tiza

do


246

Los resultados de ajustar varios modelos curvilíneos a los datos se observan en la tabla 41 se observan. De los modelos ajustados, el modelo cuadrado doble es el que arroja el valor más alto de R-Cuadrada con 2,33355%. Este es 0,938901% mayor que el modelo lineal seleccionado. Tabla 41.Comparación de modelos alternos entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Modelo Correlación

R-Cuadrada

Cuadrado doble -0,1528 2,33% Cuadrado de X -0,1507 2,27%

Raíz cuadrada-X cuadrado-X

-0,1494 2,23%

Log-Y cuadrado-X -0,1477 2,18% Inversa-Y cuadrado-X 0,1437 2,07%

Cuadrado de Y -0,1199 1,44% Lineal -0,1181 1,39%

Raíz cuadrada de Y -0,1168 1,37% Exponencial -0,1153 1,33% Inversa de Y 0,1116 1,24%

Cuadrado-Y raíz cuadrada-X

-0,1039 1,08%

Raíz cuadrada de X -0,1024 1,05% Raíz cuadrada doble -0,1013 1,03% Logarítmico-Y raíz

Cuadrada-X -0,1000 1,00%

Inversa-Y raíz cuadrada-X

0,0965 0,93%

Cuadrado-Y log-X -0,0888 0,79% Logaritmo de X -0,0877 0,77%

Raíz cuadrada-Y log-X -0,0868 0,75% Multiplicativa -0,0856 0,73%

Inversa-Y log-X 0,0826 0,68%

247

Inversa de X 0,0625 0,39% Cuadrado-Y inversa de

X 0,0625 0,39%

Raíz cuadrada-Y inversa deX

0,0622 0,39%

Curva S 0,0616 0,38% Doble inverso -0,0597 0,36%

Logístico sin ajuste Log probit sin ajuste

Fuente: Autor 4.1.5.6. Correlación cuadrado doble entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial. Los resultados de la regresión cuadrado doble se presentan en la tabla 42 y 43. Tabla 172.Coeficientes de regresión cuadrado doble entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Mínimos cuadrados

Estándar

Estadístico

Parámetro


Intercepto

344,086 51,5508

6,67469 0,0000

Pendiente

-167,477 289,572

-0,57836

2

0,5722

Fuente: Autor

248

Tabla 43.Análisis de varianza de regresión cuadrado doble a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 2437,03 1 2437,03 0,33 0,5722 Residuo 101998, 14 7285,55

Total (corregido

)

104435, 15

Fuente: Autor Del análisis de la regresión cuadrado doble entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial se encontraron los siguientes datos: Coeficiente de correlación = -0,152759 R-cuadrada = 2,33355 % R-cuadrado = -4,64263 % Error estándar del estimado = 85,3555 Error absoluto medio = 66,9921 Estadístico Durbin-Watson = 1,89997 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,0295457 La ecuación del modelo cuadrado doble ajustado para describir la relación entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial es:

Inmersión durante 24 horas

= √344,086 − 167,477 ∗ (tasa de absorción inicial)2 (132)

Puesto que el valor-P en la tabla 43 es mayor o igual a 0,05, no hay una relación estadísticamente significativa entre la inmersión durante 24 horas y

249

tasa de absorción inicial con un nivel de confianza del 95,0% o más, (Ver figura 72 y 73). Figura 72.Modelo ajustado cuadrado doble a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor Figura 73.Residuos al modelo ajustado cuadrado doble a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial.

Fuente: Autor


Absorfinal = sqrt(344,086 - 167,477*T.I.A^2)

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

15

17

19

21

23

Ab

so

rfin

al


Absorfinal = sqrt(344,086 - 167,477*T.I.A 2)

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-2,5

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

Re

did

uo

Es

tud

en

tiza

do


(%)


250

Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indican que el modelo ajustado explica 2,33355% de la variabilidad en la inmersión durante 24 horas. El coeficiente de correlación es igual a -0,152759, indicando una relación relativamente débil entre las variables. El error estándar del estimado indica que la desviación estándar de los residuos es 85,3555. El error absoluto medio MAE de 66,9921 es el valor promedio de los residuos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%. 4.1.5.7. Correlación lineal entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 44 y 45. Tabla 44.Coeficientes regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

Error Estadístico

Parámetro Estimación

estándar

T Valor-P

Constante 18,1114 3,36797 5,37756 0,0002 Tasa de absorción

inicial -2,65917 7,11513 -0,373735 0,7157


0,060646 0,309089

0,196209 0,8480

Fuente: Autor Tabla 45.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

251

Modelo 1,06474 2 0,532372 0,10 0,9086 Residuo 60,5632 11 5,50575

Total (corregido

)

61,6279 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión se encontraron los siguientes datos: R-cuadrada = 1,7277 % R-cuadrado = 0 % Error estándar del estimado = 2,34643 Error absoluto medio = 1,62979 Estadístico Durbin-Watson = 1,84866 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,0457131 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión es:

Inmersión durante 24 horas= 18,1114 − 2,65917 ∗ tasa de absorción inicial + 0,060646∗ resistencia a la compresión (133)

Puesto que el valor-P en la tabla 45 es mayor o igual que 0,05, no existe una relación estadísticamente significativa entre las variables con un nivel de confianza del 95,0%. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indica que el modelo así ajustado explica 1,7277% de la variabilidad en la inmersión durante 24 horas. El estadístico R-Cuadrada ajustada, que es más apropiada para comparar modelos con diferente número de variables independientes, es 0,0%. El error

252

estándar del estimado muestra que la desviación estándar de los residuos es 2,34643. El error absoluto medio MAE de 1,62979 es el valor promedio de los residuos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%. Para determinar si el modelo puede simplificarse, el valor-P más alto de las variables independientes es 0,8480, que corresponde a la resistencia a la compresión. Puesto que el valor-P es mayor o igual que 0,05, ese término no es estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95,0% o mayor. Consecuentemente, debería considerarse eliminar la resistencia a la compresión del modelo. Las correlaciones estimadas entre los coeficientes para el modelo ajustado se muestran en la tabla 46 y 47 se observan. Estas correlaciones pueden usarse para detectar la presencia de multicolinearidad severa, es decir, correlación entre las variables predictoras. En este caso, no hay correlaciones con valores absolutos mayores que 0,5 sin incluir el término constante. Tabla 46.Matriz de Correlación para las estimaciones de los coeficientes a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

Constante

Tasa de absorción

inicial

Resistencia a la

compresión

Constante 1,0000 -0,8834 -0,5098 Tasa de

absorción inicial

-0,8834 1,0000 0,0925


-0,5098 0,0925 1,0000

Fuente: Autor

253

Los residuos atípicos enlista todas las observaciones que tienen residuos Estudentizados mayores a 2 se muestran en la tabla 47, en valor absoluto. Los residuos Estudentizados miden cuántas desviaciones estándar se desvía cada valor observado de inmersión durante 24 horas del modelo ajustado, utilizando todos los datos excepto esa observación. En este caso, hay 2 residuos Estudentizados mayores que 2, pero ninguno mayor que 3. Tabla 47.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

Y Residuo

Fila Y Predicha

Residuo Estudentizado

1 21,3 17,5417 3,75829

2,00

4 21,77

17,2769 4,49309

2,44

Fuente: Autor Los puntos influyentes enlistan todas las observaciones que tienen valores de influencia mayores que 3 veces la de un punto promedio de los datos se muestran en la tabla 48, o que tienen un valor inusual de DFITS. Los valores de Influencia es un estadístico que mide que tan influyente es cada observación en la determinación de los coeficientes del modelo estimado y DFITS es un estadístico que mide que tanto podrían cambiar los coeficientes estimados si la observación se eliminara del conjunto de datos. En este caso, un punto promedio de los datos tendría un valor de influencia igual a 0,214286. Hay un punto con más de 3 veces el valor de influencia promedio, pero ninguno con más de 5 veces. Hay un dato con valor inusualmente grande de DFITS, (Ver figura 74).

254

Tabla 48.Puntos influyentes a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

Distancia de

Fila Influencia

Mahalanobis

DFITS

1 0,184495

1,79173 0,951915

10 0,716084

29,3429 -0,334524

Fuente: Autor Existe influencia media de un solo punto = 0,214286 Figura 74.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente tasa de absorción inicial y resistencia a la compresión.

Gráfico Componente+Residuo para Absorfinal

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-2

0

2

4

6

efe

cto

de c

om

po

nen

te


255

Fuente: Autor

Fuente: Autor 4.1.5.8. Correlación lineal entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 49 y 50. Tabla 49.Coeficientes regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión.

Error Estadístico


Estándar

T Valor-P

Constante 17,2286 1,61739 10,6521 0,0000 Resistencia a la

compresión 0,209389 0,39136

1 0,535027 0,6033

Gráfico de Absorfinal

15 17 19 21 23

predicho

15

17

19

21

23

ob

serv

ad

o

256

Módulo de rotura -0,433184 0,768143

-0,563937 0,5841

Fuente: Autor Tabla 50.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 2,01909 2 1,00954 0,19 0,8326 Residuo 59,6089 11 5,41899

Total (corregido

)

61,6279 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión se encontraron los siguientes datos: R-cuadrada = 3,27625 % R-cuadrado = 0 % Error estándar del estimado = 2,32787 Error absoluto medio = 1,66459 Estadístico Durbin-Watson = 1,73405 Auto correlación de residuos en retraso 1 = -0,0156172 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión es:

257

Inmersión durante 24 horas= 17,2286 + 0,209389 ∗ resistencia a la compresión − 0,433184∗ módulo de rotura (134)

Puesto que el valor-P en la tabla 50 a es mayor o igual que 0,05, no existe una relación estadísticamente significativa entre las variables con un nivel de confianza del 95,0%. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indica que el modelo así ajustado explica 3,27625% de la variabilidad en la inmersión durante 24 horas. El estadístico R-Cuadrada ajustada es 0,0%. El error estándar del estimado muestra que la desviación estándar de los residuos es 2,32787.El error absoluto medio (MAE) de 1,66459 es el valor promedio de los residuos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%. Para determinar si el modelo puede simplificarse, el valor-P más alto de las variables independientes es 0,6033, que corresponde a la resistencia a la compresión. Puesto que el valor-P es mayor o igual que 0,05, ese término no es estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95,0% o mayor. Consecuentemente, debería considerarse eliminar a la resistencia a la compresión del modelo. Las correlaciones estimadas entre los coeficientes en el modelo ajustado véase la tabla 51, hay 1 correlación con valor absoluto mayor que 0,5 sin incluir el término constante. Tabla 51.Matriz de correlación para las estimaciones de los coeficientes a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión.

Constante Resistencia a la

compresión

Módulo de rotura

Constante 1,0000 -0,5358 -0,2512

258

Resistencia

a la compresión

-0,5358 1,0000 -0,6256

Módulo de rotura

-0,2512 -0,6256 1,0000

Fuente: Autor Los puntos influyentes se muestran en la tabla 52 y los residuos atípicos se muestran en la figura 75, hay un punto promedio de los datos tendría un valor de influencia igual a 0,214286. Hay un punto con más de 3 veces el valor de influencia promedio, pero ninguno con más de 5 veces. Hay un dato con valor inusualmente grande de DFITS. Tabla 52.Puntos influyentes a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión.

Distancia de

Fila Influencia

Mahalanobis

DFITS

4 0,155854

1,29247 1,01008

10 0,841249

62,667 0,173536

Fuente: Autor Existe la Influencia media de un solo punto = 0,214286 Figura 75.Residuos Atípicos a la variable dependiente inmersión durante 24 horas y la variable independiente módulo de rotura y resistencia a la compresión.

259

Fuente: Autor 4.1.5.9. Correlación lineal entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 53 y 54. Tabla 53.Coeficientes regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas.

Error Estadístico

Gráfico Componente+Residuo para Absorfinal

0 2 4 6 8 10 12

compresion

-2,2

-0,2

1,8

3,8

5,8

efe

cto

de c

om

po

nen

te

Gráfico de Absorfinal

15 17 19 21 23

predicho

15

17

19

21

23

ob

serv

ad

o

(MPa)

260


Estándar

T Valor-P

Constante 4,49385 6,09898 0,73682 0,4767 Absorción

final 0,05750

76 0,29309

4 0,196209 0,8480

T.I.A -1,96787 6,94715 -0,283263 0,7822

Fuente: Autor Tabla 54.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 0,697823 2 0,348912 0,07 0,9357 Residuo 57,4291 11 5,22083

Total (corregido

)

58,127 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas se encontraron los siguientes datos: R-cuadrada = 1,20052 % R-cuadrado = 0 % Error estándar del estimado = 2,28491 Error absoluto medio = 1,33598 Estadístico Durbin-Watson = 1,19561 Auto correlación de residuos en retraso 1 = 0,38588

261

La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas es:

Resistencia a la compresión= 4,49385 + 0,0575076 ∗ inmersión durante 24 horas − 1,96787∗ tasa de absorción inicial (135)

Puesto que el valor-P en la tabla 54 es mayor o igual que 0,05, no existe una relación estadísticamente significativa entre las variables con un nivel de confianza del 95,0%. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indica que el modelo así ajustado explica 1,20052% de la variabilidad en la resistencia a la compresión. El estadístico R-Cuadrada ajustada, que es más apropiada para comparar modelos con diferente número de variables independientes, es 0,0%. El error estándar del estimado muestra que la desviación estándar de los residuos es 2,28491. El error absoluto medio MAE de 1,33598 es el valor promedio de los residuos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%. Para determinar si el modelo puede simplificarse, note que el valor-P más alto de las variables independientes es 0,8480, que corresponde a inmersión durante 24 horas. Puesto que el valor-P es mayor o igual que 0,05, ese término no es estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95,0% o mayor. Consecuentemente, debería considerarse eliminar inmersión durante 24 horas del modelo. Esta tabla muestra intervalos de confianza del 95,0% para los coeficientes en el modelo. Los intervalos de confianza muestran con qué precisión pueden estimarse los coeficientes dados la cantidad de datos disponibles, y el nivel de ruido que está presente. Los puntos influyentes se muestran en la tabla 55, hay un punto promedio de los datos tendría un valor de influencia igual a 0,214286. No hay puntos con

262

más de 3 veces el valor de influencia promedio. Hay un dato con valor inusualmente grande de DFITS. Tabla 55.Puntos influyentes entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas

Distancia de

Fila Influencia

Mahalanobis

DFITS

10 0,10515 0,486998 1,59529

Fuente: Autor Existe Influencia media de un solo punto = 0,214286 Figura 76.Residuos Atípicos a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas

Gráfico Componente+Residuo para compresion

15 17 19 21 23

Absorfinal

-2,9

-0,9

1,1

3,1

5,1

7,1

efe

cto

de c

om

po

nen

te

(%)

263

Fuente: Autor 4.1.5.10. Correlación lineal entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura. Los resultados de la regresión lineal múltiple se presentan en la tabla 56 y 57. Tabla 56.Coeficientes de regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura.

Error Estadístico


Estándar

T Valor-P

Constante 2,42023 4,78952 0,505318 0,6243 Tasa de

absorción inicial

-5,41076 5,52483 -0,979352 0,3505

inmersión durante 24

horas

0,0985776

0,227986

0,432385 0,6746

módulo de rotura

1,34891 0,469584

2,87257 0,0166

Fuente: Autor

Gráfico de compresion

0 2 4 6 8 10 12

predicho

0

2

4

6

8

10

12

ob

serv

ad

o

264

Tabla 57.Análisis de varianza de regresión lineal múltiple a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura.


Gl Cuadrado medio

Razón-F

Valor-P

Modelo 26,6618 3 8,88727 2,82 0,0930 Residuo 31,4651 10 3,14651

Total (corregido

)

58,127 13

Fuente: Autor Del análisis de la regresión lineal múltiple entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura se encontraron los siguientes datos: R-cuadrada = 45,8682 % R-cuadrado = 29,6287 % Error estándar del estimado = 1,77384 Error absoluto medio = 1,16467 Estadístico Durbin-Watson = 1,15666 Auto correlación de residuos en retraso 1 = 0,367555 La ecuación del modelo lineal ajustado para describir la relación entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura es:

Resistencia a la compresión= 2,42023 − 5,41076 ∗ tasa de absorción inicial + 0,0985776∗ inmersión durante 24 horas + 1,34891∗ módulo de rotura (136)

265

Puesto que el valor-P en la tabla 57 es mayor o igual que 0,05, no existe una relación estadísticamente significativa entre las variables con un nivel de confianza del 95,0%. Los valores estadísticos encontrados R-Cuadrada indica que el modelo así ajustado explica 45,8682% de la variabilidad en la resistencia a la compresión. El estadístico R-Cuadrada ajustada, que es más apropiada para comparar modelos con diferente número de variables independientes, es 29,6287%. El error estándar del estimado muestra que la desviación estándar de los residuos es 1,77384. El error absoluto medio (MAE) de 1,16467 es el valor promedio de los residuos. Puesto que el valor-P es mayor que 0,05, no hay indicación de una auto correlación serial en los residuos con un nivel de confianza del 95,0%. Para determinar si el modelo puede simplificarse, el valor-P más alto de las variables independientes es 0,6746, que corresponde a inmersión durante 24 horas. Puesto que el valor-P es mayor o igual que 0,05, ese término no es estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95,0% o mayor. Consecuentemente, debería considerarse eliminar inmersión durante 24 horas del modelo. Esta tabla muestra intervalos de confianza del 95,0% para los coeficientes en el modelo. Los intervalos de confianza muestran con qué precisión pueden estimarse los coeficientes dados la cantidad de datos disponibles, y el nivel de ruido que está presente. Las correlaciones estimadas entre los coeficientes en el modelo ajustado se muestran en la tabla 58. En este caso, no hay correlaciones con valores absolutos mayores que 0,5 sin incluir el término constante. Tabla 58.Matriz de Correlación para las estimaciones de los coeficientes entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independientes tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura

266

Constante

Tasa de absorción

inicial

Inmersión durante 24

horas

Módulo de rotura

Constante 1,0000 -0,5008 -0,8842 -0,1507 Tasa de

absorción inicial -0,5008 1,0000 0,1010 -0,2169

Inmersión durante 24 horas

-0,8842 0,1010 1,0000 0,0627

Módulo de rotura -0,1507 -0,2169 0,0627 1,0000

Fuente: Autor Los puntos influyentes se muestran en la tabla 59 de y los residuos atípicos en la figura 77, hay un punto promedio de los datos tendría un valor de influencia igual a 0,285714. No hay puntos con más de 3 veces el valor de influencia promedio. Hay 4 datos con valores inusualmente grandes de DFITS. Tabla 59.Puntos influyentes entre la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura

Distancia de

Fila Influencia

Mahalanobis

DFITS

1 0,393481

6,86196 -1,11809

9 0,236576

2,79559 1,18302

10 0,741723

33,5386 4,39315

13 0,250915

3,09646 -1,2027

Fuente: Autor

267

Existe Influencia media de un solo punto = 0,285714 Figura 77.Residuos Atípicos a la variable dependiente resistencia a la compresión y la variable independiente tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas y módulo de rotura

Gráfico Componente+Residuo para compresion

0,24 0,34 0,44 0,54 0,64

T.I.A

-3,5

-1,5

0,5

2,5

4,5

efe

cto

de c

om

po

nen

te


268

Fuente: Autor 4.2. ANALOGÍA CURVAS DE COCCION EN EL PROCESO Se realizó la comparación de la curva teórica de temperaturas establecida por Munier, en Chaleur et Industrie al utilizar un análisis termicodilatométrico a la arcilla con la curva de cocción real de la arcilla obtenida en la adquisición de temperatura, Desde la figura 78 hasta la figura 80 se observan la comparación de las curvas real obtenidas de la arcilla en las dos adquisiciones para cada ladrillera estudiada con la curva teórica para la arcilla. Figura 78.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera el recreo 2

Gráfico de compresion

0 2 4 6 8 10 12

predicho

0

2

4

6

8

10

12

ob

serv

ad

o

269

Fuente: Autor Figura 79.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera Ocaña

Fuente: Autor Figura 80.Curva de cocción real y teórica del producto en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

(°C

) (°

C)

270

Fuente: Autor De la comparación entre la curva teórica con la curva real, existe un gran desfase durante las primeras horas del precalentamiento entre la curva de cocción para los productos, con la curva real obtenida en la adquisición en el horno de la ladrillera el recreo 2, mientras que en el horno de la ladrillera Ocaña existe una mayor concordancia entre la curva de cocción para los productos con la curva teórica. Al inicio en el periodo de humeo se observa que en el horno de la ladrillera el recreo 2 la pasta no alcanzo los 400°C a las 6 horas de haber comenzado la cocción. Las mediciones efectuadas no daban más de 120°C. Esto significa, que se estaba efectuando un calentamiento muy lento, precisamente en una zona en que el peligro de roturas es mínimo. Estas 6 primeras horas de cocción pueden considerarse mal aprovechadas. Por otro lado, el horno de la ladrillera Ocaña alcanzó los 450 °C. La fase de humeo se extendió en el horno de la ladrillera el recreo 2 y en efecto hubo un aumento en la propagación de vapor de agua y en la dilatación de la pasta. Se entiende, que si la mayor cantidad humos es liberada en esta

(°C

)

271

parte17977, el agua higroscópica es extraída del ladrillo, lo que representa un periodo de dilatación por acumulación de vapor en la pieza. En las 6 horas siguientes se produce la fase descomposición de la materia orgánica. En esta se elimina el agua combinada, se aumenta la porosidad y se retracta la pasta. Se aprecia en la curva en el horno de la ladrillera el recreo 2 una baja velocidad de calentamiento, en cambio, en la curva en el horno de la ladrillera Ocaña así como en la curva teórica, sucede todo lo contrario. Es decir que se acelera dicha velocidad, registrando en el horno de la ladrillera Ocaña su máxima pendiente a los 600°C por el rápido calentamiento que tiene lugar al acercarse el carbojet al material, provocando que las piezas se agrieten en las caras y aristas más directamente expuestas al fuego, pues las dilataciones en las periferias y el núcleo de la pieza no ocurren uniformemente. El desfase entre la curva en el horno de la ladrillera el recreo 2 y en la curva teórica, es mucho más acentuado. Dicho desfase, puede dar lugar a una auténtica lluvia ácida sobre el material seco estacionado en la zona de entrada, ahuecando toda su estructura y manchando las superficies expuestas a los gases17978. Por otra parte, una porción de la curva de cocción en el horno de la ladrillera Ocaña se mantiene constante en una temperatura promedio de 800°C. Esto se explica, pues entre los 800°C y los 900°C sucede la contracción más importante de la arcilla, por lo que se hace necesario garantizar una temperatura uniforme en todo el horno antes de que se alcance los 800°C, para luego ir aumentándola gradualmente. De hacerse lo contrario, se presentarán diferencias de contracciones entre las zonas más frías y las más calientes del apile, lo que generaría peligrosas tensiones de tracción y fisuras. La temperatura máxima en el horno de la ladrillera Ocaña fue de 1.000°C y en el horno de la ladrillera el recreo 2 fue de 1.050°C, en donde la fase de

17 M. Fernandez, Cocción de Productos Céramicos, Laboratorio Técnico Céramico, 2000. 17 M. Fernandez, Cocción de Productos Céramicos, Laboratorio Técnico Céramico, 2000.

272

maduración de la pasta se completa. En este momento la pasta empieza a vitrificarse lo que aumentará la resistentica mecánica a la pieza. El enfriamiento en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña es más lento que el de la curva teórica, soportando sin problemas las tensiones producidas por un enfriamiento rápido. La pieza finalmente cocida empieza a enfriarse disminuyendo su temperatura paulatinamente por la pérdida de energía transferida hacia las paredes del horno y el ambiente. Desde la figura 81 hasta la figura 85 se observa la comparación para cada posición de las curvas obtenidas por el sistema de adquisición en las dos ladrilleras estudiadas. Figura 81.Temperatura del piso interior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Fuente: Autor Figura 82.Temperatura del piso exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

(°C

)

(Período de tiempo cada cinco minutos)

273

Fuente: Autor La primera parte de la curva de temperatura en el piso exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y la ladrillera Ocaña fue constante con un valor cerca a

los 50 ° C y a medida que el calentamiento fue avanzando con él la temperatura del piso subió hasta los 200 ° C en el piso del horno de la ladrillera el recreo 2 y hasta 250 ° C en el horno de la ladrillera Ocaña. Figura 83.Temperatura de la pared interior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Fuente: Autor

(°C

)



(°C

)

274

Figura 84.Temperatura de la pared exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Fuente: Autor Existe una diferencia de temperatura entre la pared interior y exterior en el horno de la ladrillera el recreo 2 al igual que en el horno de la ladrillera Ocaña lo que conlleva a una pérdida de energía por conducción. La temperatura máxima en el piso interior en el horno de la ladrillera el

recreo 2 y Ocaña es 1.000 ° C y 700 ° C respectivamente ,mientras que la temperatura de la pared interior en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

es 450 ° C y 400 ° C respectivamente.


(°C

)

275

Figura 85. Temperatura de los gases de combustión en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Fuente: Autor Las curvas de la temperatura del gas obtenido en la adquisición de datos en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña tienen una gran similitud. 4.3. ANÁLISIS DE LA ENERGÍA EN LOS HORNOS DE LA LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCAÑA Los resultados del análisis de energía en los hornos seleccionados se muestran en La tabla 60 y 61 y la figura 86 y 87. Tabla 180. Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2

Flujos de energía

Calor ∗ 𝟏𝟎𝟔 ( 𝐤𝐉 )

Porcentaje (%)

Acumulación en mampostería 7,26 16,99 Calor carga a cocer 13,92 33,58

Calor humedad del material 3,40 7,96


(°C

)

276

Calor descomposición arcilla 7,03 16,45 Calor humedad del carbón 0,16 0,37

Calor agua combustión 2,01 4,70 Calor humedad del aire 1,46 3,42 Calor por inquemados 1,38 3,23

Pérdidas de calor por pared 5,20 12,17 Pérdidas de calor por techo ----- 0

Calor por humos 0,91 2,13

Total 42,73 100

Fuente: Autor Tabla 61.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña

Flujos de energía

Calor ∗ 𝟏𝟎𝟔 ( 𝐤𝐉 )

Porcentaje (%)

Acumulación en mampostería

582,20 70,73

Calor carga a cocer 107,71 13,09 Calor humedad del

material 23,31 2,83

Calor descomposición arcilla

58,67 7,13

Calor humedad del carbón

1,03 0,13

Calor agua combustión 12,96 1,57 Calor humedad del aire 9,43 1,15 Calor por inquemados 9,57 1,16 Pérdidas de calor por

pared 1,09 0,13

Pérdidas de calor por techo

14,45 1,76

Calor por humos 2,73 0,33

277

Total 823,15 100

Fuente: Autor Figura 86. Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2

Fuente: Autor

0

2

4

6

8

10

12

14

7,26

13,92

3,4

7,03

0,16

2,011,46 1,38

5,2

00,91

Flu

jo d

e e

nerg

ía x

10

6kJ

Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2

278

Figura 87.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña

Fuente: Autor La distribución en porcentaje del balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña se muestra en la figura 88 y 89.

0

100

200

300

400

500

600582,2

107,71

23,31 58,67

1,03 12,96 9,43 9,571,09 14,45

2,73

Flu

jo d

e e

ne

rgía

x 1

06

kJ

Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña

279

Figura 88.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2

Fuente: Autor

Acumulación en mampostería 17%

Calor carga del material a cocer 33%

Calor para sacar la humedad del material 8%

Calor para la descomposición de la

arcilla 17%

Calor por humedad del carbón 0%

Calor por agua formada en la

combustión 5%

Calor por humedad del

aire 3%

Calor por inquemados 3%

Pérdidas de calor por las paredes 12%

Pérdidas de calor por el techo 0%

Calor por humos 2%

Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ( % )

280

Figura 89.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña

Fuente: Autor

Acumulación en mampostería 71%

Calor carga del material a cocer 13%

Calor para sacar la humedad del material 3%

Calor para la descomposición de la

arcilla 7%

Calor por humedad del carbón 0%

Calor por agua formada en la

combustión 2%

Calor por humedad del

aire 1%

Calor por inquemados 1%

Pérdidas de calor por las paredes 0%

Pérdidas de calor por techo 2%

Calor por humos 0%

Balance termodinámico en laladrillera Ocaña ( % )

281

Tabla 62 . Acumulación de calor en mampostería de los productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrillera

Temperatura media de la pared

del horno (℃)

Temperatura

media del techo del

horno (℃)

Temperatura media

del piso del

horno (℃)

Volumen de

la pared

del horno (m3)

Volumen

del techo

del horno (m3)

Volumen del piso del

horno (m3)

Calor acumulad

o en la

pared del horno Qopa

∗ 106 ( kJ )

Calor acumulad

o en el techo del

horno Qotec

∗ 106 ( kJ )

Calor acumulado en el piso del

horno Qopis

∗ 106 ( kJ )

Calor acumulad

o en mampostería del horno

Qo ∗ 106 ( kJ )

El recreo

2 304,30 − 601,97 7,31 − 0,64 6,41 − 0,85 7,26

Ocaña 495,20 606,38 397,37 150,11 291,28 17,86 175,09 388,93 18,18 582,20

Fuente: autor Tabla 63. Calor por carga del material a cocer de los productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrillera

Masa húme

da unitaria del bloqu

e (Kg)

Masa

húmeda

unitaria del

ladrillo H-10 (Kg)

Masa

seca unitaria del bloque

(Kg)

Mas

a seca unitaria del

ladrillo

Humedad del

bloque (%)

Humedad del ladrillo H-10 (%)

Masa seca

de los bloqu

es (Kg)

Masa seca

de los ladrillo

s H-10 (Kg)

Calor por

carga del

material a cocer de los

bloques

Calor por

carga del

material a cocer

Calor por

carga del

material a cocer

Qcm

∗ 106 ( kJ )

282

H-10 (Kg)

Qcm b

∗ 106 ( kJ )

de ladrillos

H-10

Qcm L

∗ 106 ( kJ )

El recreo 2

4,10 9,35 3,80 9,14 7,90 2,30 15.104,40 2.740,49 11,78 2,14 13,92

Ladrillera

Masa húme

da unitaria del ladrill

o H10X

30 (Kg)

Masa húmed

a unitaria

del ladrillo H10X4

0 (Kg)

Masa

seca unitaria del

ladrillo

H10X30 (Kg)

Masa

seca unitaria del

ladrillo

H10X40 (Kg)

Humedad del

ladrillo

H10X30 (%)

Humedad del ladrillo H10X40 (%)

Masa seca

de los ladrill

os H10X

30 (Kg)

Masa seca

de los ladrillo

s H10X4

0 (Kg)

Calor por

carga del

material a cocer

del ladrillo

H10X30 Qcm L1

∗ 106 ( kJ )

Calor por

carga del

material a cocer

del ladrillo

H10X40 Qcm L2

∗ 106 ( kJ )

Calor por

carga del

material a cocer

Qcm

∗ 106 ( kJ )

Ocaña

5,34 6,98 5,03 6,78 6,16 2,95 135.599,18 13.412,70 98,01 9,70 107,71

Fuente: Autor

283

Tabla 64. Calor para sacar la humedad del material a cocer de los productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrille

ra

Masa húme

da unitaria del bloqu

e (Kg)

Masa húme

da unitar

ia del

ladrillo

H-10 (Kg)

Cantidad de bloque

s

Cantidad de ladrillos H-10

Masa húmeda total de

los bloques

(Kg)

Masa húme

da total de los

ladrillos

H-10 (Kg)

Humedad del

bloque (%)

Humedad del Ladrillo H-10 (%)

Calor para

sacar la humedad

de los bloques Qwm b

∗

106 ( kJ )

Calor para

sacar la humedad

de los ladrillos

H-10 Qwm L

∗ 106 ( kJ )

Calor para

sacar la humeda

d del material a cocer

Qwm

∗ 106 ( kJ )

El recreo

2 4,10 9,35 4.000,00 300,00 16.400,00 2.805,00 7,90 2,30 3,24 0,16 3,40

Ladrille

ra

Masa húme

da unitaria del ladrill

o H10X

Masa húme

da unitar

ia del

ladrillo

H10X

Cantidad de ladrillo

s H10X3

0

Cantidad de ladrillo

s H10X4

0

Masa húmeda total de

los ladrillos H10X30

(Kg)

Masa húme

da total de los

ladrillos

Humedad del

ladrillo H10X30 (%)

Humedad del ladrillo H10X40 (%)

Calor para

sacar la humedad

de los ladrillos H10X30 Qwm L1

∗ 106

Calor para

sacar la humedad

de los ladrillos H10X40 Qwm L2

∗ 106

Calor para

sacar la humeda

d del material a cocer

Qwm ∗ 106

284

Fuente: Autor Tabla 195. Calor necesario para la descomposición química de la arcilla de los productos de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrillera

Masa seca de los

bloques

(Kg)

Masa seca

de los ladrillos

H-10 (Kg)

Calor para la

descomposición química de la arcilla

de los bloques

Qdq b ∗ 106

( kJ )

Calor para la

descomposición química de la arcilla de los ladrillos H-10

Qdq L ∗ 106

( kJ )

Calor para la descomposición

química de la arcilla

Qdq ∗ 106

( kJ )

El recreo 2 15.104,40 2.740,49 5,95 1,08 7,03

Ladrillera

Masa seca de los

ladrillos H10X30

(Kg)

Masa seca de los

ladrillos H10X40

(Kg)

Calor para la


de los ladrillos H10X30

Qdq L1 ∗ 106

( kJ )

Calor para la


de los ladrillos H10X40

Qdq L2 ∗ 106

( kJ )

Calor para la descomposición

química de la arcilla

Qdq ∗ 106

( kJ )

Ocaña 135.599,18 13.412,70 53,37 5,30 58,67

Fuente: autor

30 (Kg)

40 (Kg)

H10X40

(Kg)

( kJ ) ( kJ ) ( kJ )

Ocaña 5,34 6,98 27.060,00 1.980,00 144.500,40 13.820,40 6,16 2,95 22,29 1,02 23,31

285

Tabla 66. Otros calores presentes en el proceso de cocción en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrillera

Masa de

carbón consumida por periodo

de tiempo

(Kg)

Masa total de

carbón

(Kg)

Masa de agua

formada en la

combusti

ón (Kg)

Masa de

aire teóric

o (Kg)

Masa de aire seco (Kg)

Peso de humos produci

dos

Calor de

entrada

QH ∗ 106 ( kJ )

Calor por

humedad del carbón

Qwc ∗ 106 ( kJ )

Calor por

agua forma

da

Qac ∗106

( kJ )

Calor por

humedad del aire

Qwa ∗ 106 ( kJ )

Calor por

inquemado

s

Qi ∗ 106 ( kJ )

Calor

por humos

Qh ∗ 106 ( kJ )

El recreo

2 11,11 1.500,00

0,46 10,82 19,04 211,53 49,20 0,16 2,01 1,46 1,38 0,91

Ocaña 458,88 10.370,76 8.737,08 340,16 1,03 12,96 9,43 9,43 2,73

Fuente: Autor

286

Tabla 207. Perdida de calor en las paredes y techo en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Ladrillera

Resistencia térmica

por conducció

n en la pared

( °K

W )

Resistencia térmica

por conducció

n en el techo

( °K

W )

Coeficiente global de

transferencia de calor para la pared del

horno

( W

°K )

Coeficiente global de

transferencia de calor para el techo del

horno

( W

°K )

Perdida de calor por

las paredes

del horno

Qpa ∗ 106

( kJ )

Perdida de calor por el techo

del horno

Qtec ∗ 106 ( kJ )

Perdida de calor

en paredes y techo

del horno

Qk ∗ 106 ( kJ )

El recreo

2 0,0062 − 162,36 − 5,20 − 5,20

Ocaña 0,042 0,0029 24,11 344,83 1,09 14,45 15,54

Fuente: Autor

287

La comparación del balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña se muestran en la tabla 68 y la figura 90. Tabla 68.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

Flujos de energía

Ladrillera recreo 2

calor ∗𝟏𝟎𝟔 ( 𝐤𝐉 )

Porcentaje

(%)

Ladrillera Ocaña

calor ∗𝟏𝟎𝟔 ( 𝐤𝐉 )

Porcentaje (%)

Acumulación en mampostería

7,26 16,99 582,20 70,73

Calor carga a cocer 13,92 33,58 107,71 13,09 Calor humedad del

material 3,40 7,96 23,31 2,83

Calor descomposición arcilla

7,03 16,45 58,67 7,13

Calor humedad del carbón

0,16 0,37 1,03 0,13

Calor agua combustión 2,01 4,70 12,96 1,57 Calor humedad del aire 1,46 3,42 9,43 1,15 Calor por inquemados 1,38 3,23 9,57 1,16 Pérdidas de calor por

pared 5,20 12,17 1,09 0,13

Pérdidas de calor por techo

----- 0 14,45 1,76

Calor por humos 0,91 2,13 2,73 0,33

Total 42,73 100 823,15 100

Fuente: Autor

288

Fuente: Autor En el balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña indica que la cantidad de calor utilizada en el proceso de cocción de la arcilla es de 24,35

* 106 kJ y 189,69 * 106 kJ, la acumulación de calor en mampostería de 7,26 *

106 kJ y 582,20 * 106 kJ respectivamente mientras que La pérdida de energía

en la pared del horno de la ladrillera el recreo 2 es de 5,20 * 106 kJ, mientras

0

10

20

30

40

50

60

70

80F

lujo

de e

nerg

ía x

10

6kJ

Balance termodinámico en la ladrillera

El recreo 2 y Ocaña

El recreo2

Ocaña

Figura 90.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña

289

que la pérdida de energía en la pared y el techo en el horno de la ladrillera

Ocaña es de 15,54 * 106 kJ y por la chimenea del horno de la ladrillera Ocaña

son expulsados 2,73 * 106 kJ, mientras que en el horno de la ladrillera Ocaña

son expulsados 0,91 * 106 kJ. En el horno de la ladrillera el recreo 2 la eficiencia por calor del es de 56,99

% y el rendimiento por cantidad de material cocido es de 2.224,94 kJ

kg material ,

mientras que en el horno de la ladrillera Ocaña la eficiencia por calor del es de 78,73 % y el rendimiento por cantidad de material cocido es de

1.521,91 kJ

kg material por lo que el rendimiento por cantidad de material cocido

del horno a cielo abierto es el 66,32 % menos que el horno de la ladrillera Ocaña, mientras que las evaluaciones efectuadas por la escuela superior politécnica del litoral ESPOL, en los hornos usados en Ecuador se estableció que la energía específica consumida al calor necesario para quemar un kg de ladrillos según la tecnología utilizada específica de quema en el horno es: en

el horno tipo Clamp 3.500 a 8.000 kJ

kg material es bajo, en el tipo Escocés

(caracterizado por tener paredes fijas, con zonas abiertas para el ingreso del material, que luego se sellan al igual que el techo durante la quema, para

volver a abrirse durante la descarga) 2.300 a 6.500 kJ

kg material es media y en

el tipo Hoffman 1.000 a 2.200 kJ

kg material alta3479.

Como la energía total requerida, para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas, en la ladrillera Ocaña es de

1.521,91 kJ

kg material ,Por lo tanto esta entre los valores de tecnología alta,

mientras que en la ladrillera el recreo 2 es de 2.224,94 kJ

kg material , por lo tanto

esta entre los valores de tecnología media.

34 Escuela superior politécnica del litoral ESPOL, Combustión en hornos, Guayaquil, 2009.

290

La cantidad actual mensual actual de material a cocer en el horno de la ladrillera Ocaña es:

611.320 productos

mes ∗ 9,35 kg = 5.715.842

kg material

mes

La energía mensual utilizada en la ladrillera Ocaña para cocer los productos

con un rendimiento por cantidad de material cocido de 1.521,91kJ

kg material es:

5.715.842 kg material

mes∗ 1.521,91

kJ

kg material= 8.698.997.098

kJ

mes

Para realizar el ahorro de energía se considera que todas las ladrilleras cambiaran de tecnología de cielo abierto a hornos continuos y como la producción mensual de las ladrilleras a cielo abierto es de 416.280 productos y considerando un producto de 4,10 kg de peso. La cantidad actual mensual de material a cocer en los hornos a cielo abierto es:

416.280 productos

mes ∗ 4,10 kg = 1.706.748

kg material

mes

La energía mensual utilizada en las ladrilleras a cielo abierto para cocer los productos con un rendimiento por cantidad de material cocido de

2.224,94 kJ

kg material es:


mes∗ 2.294,94

kJ

kg material= 3.916.884.255

kJ

mes

291

Si se cambiara de hornos a cielo abierto a horno continuos tomando un

rendimiento por cantidad de material cocido de 1.521,91 kJ

kg material y una

producción de 416.280 productos, la energía mensual es:


mes∗ 1.521,91

kJ

kg material= 2.597.516.849

kJ

mes

Por lo que el ahorro de energía mensual al cambiar de hornos de cielo abierto a continuos es:

Ahorro mensual de energía = (3.916.884.255 − 2.597.516.849) kJ

mes

Ahorro mensual de energía = 1.319.367.406 kJ

mes

4.4. ANÁLISIS GASES EMITIDOS POR LAS LADRILLERAS A continuación, se presenta un análisis comparativo de los resultados consignados en el anexo 12, y que fueron obtenidos en la medición de gases practicados en las 8 ladrilleras seleccionadas para la muestra. Se hizo un promedio de las concentraciones de los contaminantes regulados por la Resolución 909 de 2008 y luego se muestra un análisis comparativo de las ladrilleras. La concentración de gases emitidos en las ladrilleras seleccionadas en condiciones locales se muestra en la tabla 69. Tabla 6921.Caracterización de los gases de la chimenea por análisis de combustión en las ladrilleras

Ladrillera Contaminante

O2 ( % ) CO ( % ) CO2 ( % ) N2 ( % )

El recreo 2 12,42 3,01 7,52 77,05 Espineles 10,38 3,27 10,50 75,85

292

Ocaña 6,82 5,18 15,88 72,12 Pasos abajo del

terminal 10,35 3,93 9,94 75,78

La palma 10,78 3,35 9,82 76,05 El tejar 10,47 4,39 9,69 75,45

Los mellos 10,62 3,30 9,72 76,36 Bética 10,33 3,42 9,31 76,94

Fuente: Autor La concentración de oxígeno emitido en las ladrilleras seleccionadas se muestra en la figura 91. Figura 91.Concentración de oxígeno emitido

Fuente: Autor La concentración de monóxido de carbono emitido en las ladrilleras seleccionadas se muestra en la figura 92.

0

5

10

1512,42

10,38

6,82

10,35 10,7810,47 10,62

10,33

Po

rcen

taje

(%

)

Ladrillera

Emisión de O2

293

Figura 92.Concentración de monóxido de carbono emitido

Fuente: Autor La concentración de dióxido de carbono emitido en las ladrilleras seleccionadas se muestra en la figura 93. Figura 93.Concentración de dióxido de carbono emitido

Fuente: Autor

0

2

4

6

3,01 3,27

5,18

3,933,35

4,39

3,3 3,42

Po

rce

nta

je (

%)

Ladrillera

Emisión de CO

0

5

10

15

20

7,52

10,5

15,88

9,94 9,82 9,69 9,729,31

Po

rce

nta

je (

%)

Ladrillera

Emisión de CO2

294

La concentración de nitrógeno emitido en las ladrilleras seleccionadas se muestra en la figura 94. Figura 94.Concentración de nitrógeno emitido

Fuente: Autor La concentración de óxido de nitrógeno en partes por millón (p.p.m.) emitido en las ladrilleras seleccionadas se muestra en la figura 95. Figura 95.Concentración de óxido de nitrógeno emitido en partes por millón

Fuente: Autor

65

70

75

80 77,0575,85

72,12

75,78 76,0575,45 76,36 76,94

Po

rce

nta

je (

%)

Ladrillera

Emisión de N2

0

20

40

17,52 21,1225,53

20,7525,36

11,06

19,4115,87

Tota

l (p

.p.m

)

Ladrillera

Emisión de NO

295

4.4.1. Corrección a condiciones de referencia. Los resultados de la corrección de oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las 8 ladrilleras seleccionadas y el estándar de emisión admisible según la resolución 909 de 2008 para las industrias existentes de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla pueden verse en la tabla 70 y figura 96.

Tabla 70. Oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las ladrilleras

Ladrillera

Concentración Norma

( 𝐦𝐠

𝐦𝟑 ) 𝐂 𝐂𝐋

(p.p.m)

𝐂 𝐂𝐑(𝐎𝟐 𝐫𝐞𝐟 )

( 𝐦𝐠

𝐦𝟑 )

El recreo 2 17,52 9,27 550,00 Espineles 21,12 10,55 550,00

Ocaña 25,53 14,07 550,00 Pasos abajo del

terminal 20,75 8,81 550,00

La palma 25,36 11,06 550,00 El tejar 11,06 4,80 550,00

Los mellos 19,41 8,58 550,00 Bética 15,87 6,64 550,00

Fuente: Autor

Figura 96.Corrección de oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las ladrilleras

296

Fuente: Autor El 100% de las muestras de los promedios de las emisiones de óxido nítrico medidas en las ladrilleras monitoreadas en el municipio de Ocaña cumple notablemente con la norma. 4.4.2. Análisis exceso de aire y eficiencia de la combustión. Los resultados del exceso de aire y la eficiencia de la combustión en los hornos de las ladrilleras se pueden ver en la tabla 71 y la figura 97 Y 98.

0

5

10

15

9,2710,55

14,07

8,81

11,06

4,8

8,58

6,64

𝐂𝐂𝐑

-O𝟐𝐫𝐞𝐟

(𝐦𝐠

/𝐦^𝟑

)

Ladrillera

Corrección de oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las ladrilleras

297

Tabla 221.Exceso de aire y eficiencia de la combustión en los hornos de ladrilleras

Ladrillera O2

( % )

CO ( %

)

CO2

( % ) N2

( % )

Exceso de aire

( % )

Eficiencia de la

combustión ( % )

El recreo 2 12,42 3,01 7,52 77,05 115,79 41,78 Los espineles 10,38 3,27 10,50 75,85 77,53 58,33

Ocaña 6,82 5,18 15,88 72,12 28,56 88,22 Pasos abajo del

terminal 10,35 3,93 9,94 75,78

72,15 55,22

La palma 10,78 3,35 9,82 76,05 82,98 54,56 El tejar 10,47 4,39 9,69 75,45 71,07 53,83

Los mellos 10,62 3,30 9,72 76,36 80,17 54,00 Betica 10,33 3,42 9,31 76,94 73,73 51,72

Fuente: Autor Figura 97.Exceso de aire en hornos seleccionados

Fuente: Autor

0

50

100

150115,79

77,56

28,56

72,15 82,9871,07 80,17

73,73

Exceso

de a

ire (

%)

Ladrillera

Exceso de aire

298

El exceso de aire en las ladrilleras a cielo abierto es elevado, por lo cual la combustión del carbón no es completa en el horno con lo que se ve afectada notoriamente la eficiencia de la combustión, mientras que en la ladrillera Ocaña el exceso de aire es bajo y su eficiencia a la combustión es alta. Figura 98. Eficiencia de la combustión en hornos seleccionados

Fuente: Autor La eficiencia de la combustión de los hornos monitoreados en promedio fue del 57,21% en las ladrilleras seleccionadas. Las adecuaciones a los hornos a cielo abierto como estrategia de disminución del consumo de combustible, reducir el consumo de energía y disminuir la emisión de gases al ambiente se pueden ver en la figura 99 y 100.e innovaciones o mejoras que se pueden aplicar fácilmente y tienen bajo costo de implementación, es posible introducir cambios operativos que conlleven a cambiar el diseño del horno que conduzca a la reutilización de los gases de escape para ellos sería dirigirlos hacia el interior de otro horno ya preparado y cargado, causando que los gases pasan a través del interior del horno antes de ir a la chimenea, así los gases calientes harían intercambio de calor entre

0

50

100

41,7858,33

88,22

55,22 54,56 53,83 5451,72

Efic

ien

cia

de

la c

om

bu

stio

n (

% )

Ladrillera

Eficiencia de la combustión

299

sí, proporcionando un precalentamiento de la siguiente carga de productos y el secado de los productos. La producción de los hornos será de forma secuencial y en ciclos, elevando su temperatura y logrando que el gradiente de temperatura sea vertical. Este cambio requiere sólo unas pocas obras en la ladrillera. Figura 99. Adecuaciones a los hornos a cielo abierto

Fuente: Autor Figura 100. Recirculación gases producto de la combustión

300

Fuente: Autor

301

5. CONCLUSIONES

Los ladrillos de mampostería no estrucutral producidos en el municipio de Ocaña no cumplen los requisitos establecidos en la norma técnica Colombiana NTC 4205 Unidades de mampostería de arcilla cocida, ladrillos y bloques cerámicos las resistencias establecidas para Colombia. El valor promedio en la tasa de absorción inicial de agua en las muestras

seleccionadas es de 0.38 g/cm2/mín superior a lo establecido en la norma de

0.25 g/cm2/mín., indicando que las piezas de ladrillos deberán tener un prehumedecimiento mínimo de 24 horas, estos altos valores podrían deberse a una mezcla deficiente, mal proceso de trituración artesanal, deficiente proceso de cocción por parte del fabricante, lo que genera presencia de poros superficiales permitiendo que el ladrillo absorba gran cantidad de agua rápidamente afectando la adherencia y consistencia de mortero. El valor promedio en el ensayo inmersión 24 horas para ladrillo de mampostería no estrucutral interior es de 17,30 % cercano al tope establecido en la norma de 17,50 % pero excede en 4,30 % su utilización en ladrillo de mampostería no estrucutral exterior pues su absorción máxima permitida es de 13%. El valor promedio en La resistencia a la compresión en piezas de ladrillo macizo de arcilla cocida es de 4,71 MPa inferior a lo establecido en la norma de 14 MPa y su restricción de usar sólo el 80 % de esta resistencia, es decir, 11,2 MPa, lo cual indica el alto grado de vulnerabilidad a la compresión en muros de ladrillo macizo usado principalmente en viviendas construidas mediante el sistema de resistencia sísmica de mampostería confinada principalmente se puede presentar en viviendas de 2 pisos. Las unidades de perforación horizontal H-10 producidos en el municipio de Ocaña no cumple los requisitos establecidos en la norma técnica Colombiana NTC 4205 Unidades de mampostería de arcilla cocida, ladrillos y bloques cerámicos las resistencias establecidas para Colombia.

302

El valor promedio en la tasa de absorción inicial de agua para las unidades

de perforación horizontal H-10 es de 0.20 g/cm2/mín. superior a lo

establecido en la norma de 0.10 g/cm2/mín. Por lo que no cumple con lo establecido en la norma. Debido a una falta de cocción en los bloques, o a una ausencia de porcentaje adecuado de arcillas y limos lo que genera que haya mucho material granular que ocasione perforaciones al interior y es por eso que se absorbe más agua de lo permitido. El valor promedio en el ensayo inmersión 24 horas para las unidades de perforación horizontal H-10 es de 12,55 % encontrándose por encima del valor mínimo del 5% y por debajo del valor máximo del 17% cumpliendo lo estipulado por la norma. Mientras que la resistencia a la compresión para las unidades de perforación horizontal H-10 e s d e 1 , 6 3 M P a inferior a lo establecido por la norma de 2,94 MPa y el módulo de rotura o flexión d e 0 , 2 7 M P a p o r f u e r a d e l rango de 0,29 MPa a 0,88 MPa permitido por la norma. Al analizar los resultados obtenidos en todos los ensayos realizados para determinar las propiedades físico-mecánicas de Los ladrillos de mampostería no estrucutral y las unidades de perforación horizontal H-10 producidos y comercializados en la ciudad de Ocaña mediante conceptos estadísticos, se puede concluir que los datos son confiables, pues no presentan dispersiones importantes entre ellos, lo que genera homogeneidad en los resultados, pues los coeficientes de variación hallados en los ensayos son pequeños. El valor obtenido en la desviación estándar en los ensayos tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas, resistencia a la compresión y módulo de rotura indica que la dispersión es pequeña por lo que los valores encontrados tienden a acercarse a su media, presentando un máximo valor de desviación

estándar en la tasa de absorción inicial de 0,18 g/cm2/mín y se presentó en la ladrillera pasos abajo del terminal, en el ensayo inmersión durante 24 horas

303

el máximo valor de desviación estándar fue de 9,65 % y se presentó en la ladrillera Sánchez , en el ensayo resistencia a la compresión el máximo valor de desviación estándar fue de 2,57 MPa y se presentó en la ladrillera los raros mientras en el ensayo módulo de rotura el máximo valor de desviación estándar fue de 2,51 Pa y se presentó en la ladrillera la pradera. El valor tan cercano a cero en el coeficiente de correlación obtenido de -0,0924519, 0,164477 y -0,118095 presentados entre las variables comparadas resistencia a la compresión y la tasa de absorción inicial, módulo de rotura y tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas y tasa de absorción inicial respectivamente no reflejan la fuerte relación lineal entre las variables por lo que los puntos en el diagrama no tienden a agruparse alrededor de la recta de mínimos cuadrados. El valor positivo del coeficiente de correlación presentado entre las variables módulo de rotura y tasa de absorción inicial indica que la recta de mínimos cuadrados tiene pendiente positiva ,lo que significa que valores mayores de módulo de rotura están asociados con valores mayores de la tasa de absorción inicial, por el contrario el valor negativo indica que la recta de mínimos cuadrados tiene pendiente negativa, lo anterior muestra que valores mayores de resistencia a la compresión están relacionados con valores menores de tasa de absorción inicial y de igual manera con los valores de inmersión durante 24 horas y tasa de absorción inicial . El valor tan cercano a cero en el coeficiente de correlación obtenido de -0,0924519, 0,164477 y -0,118095 presentados entre las variables comparadas resistencia a la compresión y la tasa de absorción inicial, módulo de rotura y tasa de absorción inicial e inmersión durante 24 horas y tasa de absorción inicial respectivamente no reflejan la fuerte relación lineal entre las variables por lo que los puntos en el diagrama no tienden a agruparse alrededor de la recta de mínimos cuadrados.

304

Entre las variables comparadas resistencia a la compresión y la tasa de absorción inicial el modelo que más se ajustó a los datos es el modelo inversa cuadrada, con un R-Cuadrada de 17,9464%, este es 17,0917% mayor que el modelo lineal seleccionado. Para las variables módulo de rotura y tasa de absorción inicial el modelo que más se ajustó a los datos es el modelo cuadrada inversa, con un R-Cuadrada de 4,18747%, este es 1,48221% mayor que el modelo lineal seleccionado. Mientras que en las variables inmersión durante 24 horas y tasa de absorción inicial el modelo que más se ajustó a los datos es el cuadrado doble, con un R-Cuadrada de 2,33355%, este es 0,938901% mayor que el modelo lineal seleccionado. Por lo que el modelo que se ajustó mejor a los datos es el modelo inversa cuadrada pero de todas formas no refleja la fuerte relación las variables. El sistema de adquisición de datos utilizando el software Labview demostró ser una herramienta muy útil, versátil y confiable en el análisis del comportamiento térmico de los hornos de producción de material cerámico que puede ser utilizado para predecir la influencia de un número de variables en el proceso de cocción. Más allá de la comparación con la curva de cocción de la arcilla, el sistema de adquisición permite obtener diferentes temperaturas de carga y en diferentes posiciones en el horno. La diferencia en la coloración de los productos es un defecto que se observa y que es un factor determinante en la calidad de los productos, esta se da principalmente por la falta de uniformidad de la temperatura dentro del horno, lo que provoca que los materiales que soportan mayores temperaturas tienden a oscurecer el tono rojizo dado por los óxidos de hierro. Otro defecto que se evidenció en la industria cerámica en el municipio de Ocaña son los agrietamientos en los productos estos se deben a la falta de control en la cocción. El diseño y la creación de una interfaz gráfica permitió la realización de la adquisición de temperatura en los hornos en cuestión, evidenciando el potencial de la herramienta computacional, con el fin de lograr una reducción

305

en el consumo de energía, como el mejor conocimiento del proceso de cocción en su conjunto y la búsqueda de una mejor calidad en los productos. La diferencia de temperaturas entre la base y la parte alta de la carga en la cámara de cocción en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña es 550

° C y 300 ° C respectivamente, por lo tanto es una diferencia muy grande lo que las quemas son deficitarias, pudiendo fundirse la carga cercana a las llamas del hogar del horno y quedar cruda la carga colocada en la parte más alta. En la adquisición de datos de temperaturas de los gases de escape en los hornos seleccionados se evidenció temperaturas que oscilan alrededor de los

100 °C a la salida de los gases producto de la combustión implicando grandes posibilidades de recuperación de calor residual en el aprovechamiento de secado de piezas, secado y precalentamiento de aire de combustión. El incremento de temperatura registrada superior a los 20 grados centígrados por hora para la etapa de cocción afecta con los estándares comerciales de calidad. En el balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 se observa que la cantidad de calor utilizada en el proceso de cocción de la arcilla es de 24,35

* 106 kJ, que significa el 57,99 % de la energía suministrada, mientras que en la ladrillera Ocaña se observa que la cantidad de calor utilizada en el proceso

de cocción de la arcilla es de 189,69 * 106 kJ,que significa el 23,05 % de la energía suministrada, teniendo en cuenta que se están acumulando o

perdiendo calor en mampostería de 582,20 * 106 kJ, que significa el 70,73 % de la energía suministrada, cosa que en la realidad no ocurre ya que debido al proceso continuo en el horno este calor no se debe tomar como una pérdida, sin tener en cuenta la acumulación de calor en el horno de la ladrillera Ocaña

y restándole al total del balance termodinámico que fueron 823,15 * 106 kJ la

acumulación de calor en mampostería se utilizaron 240,95 * 106 kJ, de los

cuales se utilizaron 189,69 * 106 kJ para el proceso de cocción de la arcilla,

que significa el 78,73 % de la energía consumida y se perdieron 51,26 * 106 kJ, que significa el 21,27 % de la energía consumida, por lo anterior hace que

306

los hornos a cielo abierto ubicados en la el municipio de Ocaña como el de la ladrillera el recreo 2 sean muy ineficientes, mientras el horno continuo como el de la ladrillera Ocaña sea eficiente. La acumulación de calor en mampostería en el horno de la ladrillera el recreo

2 es de 7,26 * 106 kJ, que significa el 16,99 % de la energía suministrada,

mientras que en el horno de la ladrillera Ocaña es de 582,20 * 106 kJ, que significa el 70,73 % de la energía suministrada. La pérdida de energía en la pared del horno de la ladrillera el recreo 2 es de

5,20 * 106 kJ, que significa el 12,17 % de la energía suministrada, mientras que la pérdida de energía en la pared y el techo en el horno de la ladrillera

Ocaña es de 15,54 * 106 kJ, que significa el 1,89 % de la energía suministrada, que se puede reducir ya sea implementando el aislamiento en las paredes y el techo del horno.

Por la chimenea del horno de la ladrillera Ocaña son expulsados 2,73 * 106 kJ, que significa el 0,33 % de la energía liberada en la combustión, mientras

que en el horno de la ladrillera Ocaña son expulsados 0,91 * 106 kJ, que significa el 2,13 % de la energía liberada en la combustión. Esta porción se puede reutilizar en procesos tales como el secado de los productos y el combustible utilizado en la combustión. La energía perdida por intangibles en el horno de la ladrillera el recreo 2 es de

6,46 * 106 kJ que significa el 13,13 % de la energía suministrada, mientras

que en la ladrillera Ocaña es de 99,21 * 106 kJ que significa el 29,17 % de la energía consumida, esta pérdida es bastante alta , lo que amerita reconsiderar algunos factores utilizados en los cálculos del balance termodinámico y tomados de la bibliografía disponible, como son la densidad volumétrica, el calor específico y la conductividad térmica del ladrillo utilizado en la construcción del horno, el calor especifico de las arcillas locales y la composición química del carbón utilizado para la combustión.

307

Mediante la realización de los balances de energía se pudo determinar el destino de toda la energía térmica suministrada al horno, incluyendo la tasa de energía disponible que es expulsada al ambiente y que puede ser de su uso en otras fases del proceso, tales como el secado de los productos o directamente en el propio horno, o para calentar el aire de combustión. En el municipio de Ocaña se encuentran 30 empresas del sector cerámico con una producción aproximadamente de 1.027.600 productos/mes dedicadas exclusivamente a la producción de materiales para la construcción como ladrillos, bloque y teja, que de acuerdo con la clasificación hecha en el Artículo 20 de la Ley 905 de 2004, el 96,67 % son empresas pequeñas que realizan la quema de carbón sobre parrilla fija con una cantidad de 416.280 productos correspondiente al 40,51 % de la producción mensual total en el municipio de Ocaña mientras que el horno continuo de la ladrillera Ocaña representa el 3,34 % con una cantidad de 611.320 productos correspondiente al 59,49 % de la producción. El promedio de la eficiencia de combustión en el horno continuo fue de 88,22 % en comparación con las eficiencias bajas de los hornos a cielo abierto monitoreados con un promedio de 52,78 %. En el horno de la ladrillera El recreo 2 solamente se aprovecha el 56,99 % de la energía suministrada para cocinar los productos y el 43,01 % se pierde mientras en la ladrillera Ocaña se aprovecha el 78,73 % de la energía suministrada y pierde 21, 27 %. El rendimiento por cantidad de material cocido por mes en el horno de la

ladrillera El recreo 2 es de 2.224,94 kJ

kg material , mientras que en el horno de

la ladrillera Ocaña es de 1.521,91 kJ

kg material , por lo que en el horno de la

ladrillera el recreo 2 se requiere mensualmente de 703,03 kJ

kg material más que

en el horno de la ladrillera Ocaña.

308

La energía mensual utilizada en las ladrilleras a cielo abierto para cocer los

416.280 productos con un rendimiento por cantidad de material cocido por

mes de 2.224,94 kJ

kg material es 3.916.884.255

kJ

mes mientras que si se cambiara

de hornos a cielo abierto a horno continuos tomando un rendimiento por

cantidad de material cocido de 1.521,91 kJ

kg material y una producción de

416.280 productos, la energía mensual es 2.597.516.849 kJ

mes ,que representa

un ahorro de 1.319.367.406 kJ

mes .

Los consumos específicos de energía en los hornos estudiados están en los rangos establecidos por ESPOL lo que indica que la evaluación termodinámica es confiable. El 100% de las ladrilleras muestreadas en el municipio de Ocaña presenta bajos índices de emisión de óxidos de nitrógeno y la temperatura de los gases de combustión están por debajo del valor establecido para emisión por fuentes fijas exigido en la resolución 909 de 2008 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial y tampoco cuentan con una chimenea adecuada para el monitoreo de los gases contaminantes emitidos a la atmosfera a excepción de la ladrillera Ocaña. La mayor temperatura de los gases a la salida de los hornos en las industrias seleccionadas se presentó en la ladrillera los Espineles con un valor de 123,16 ºC y el menor valor en la ladrillera el tejar con un valor de 58,34 ºC, por debajo de los 250 ºC establecidos para hornos discontinuos según lo establece el artículo 30 de la resolución 909 y la resolución 802 de 2014 emanada por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. El exceso de aire en las ladrilleras a cielo abierto es elevado presentándose un máximo valor de 115,79 % y una eficiencia de la combustión de 41,78 % en la ladrillera el recreo 2 y un mínimo valor de exceso de aire de 71,07 % y una eficiencia de la combustión de 53,83 %,mientras que en la ladrillera Ocaña el exceso de aire fue de 28,56 y la eficiencia de la combustión de 88,22 % por lo cual la combustión del carbón no es completa en los hornos artesanales a

309

cielo abierto con lo que se ve afectada notoriamente la eficiencia de la combustión, mientras que en la ladrillera Ocaña el exceso de aire es bajo y su eficiencia a la combustión es alta. Debido a que no se cuenta un control y ajuste del proceso de combustión respecto al aire de reacción se presenta un excesivo aire de combustión que conlleva a un aumento en el consumo de combustible. La industria cerámica del municipio de Ocaña no posee el capital necesario para implementar sistemas de control de adquisición de temperatura y de inyección de carbón pulverizado o de tecnología que minimice el impacto ambiental debido a que el 96,67 % de las empresas son pequeñas. Uno de los grandes problemas para crecer y darle sostenibilidad al mercado de los carbones del interior del país y de exportación es la informalidad de la minería por lo cual se enfatiza la importancia de trabajar en pos de la consolidación de la actividad minera con visión empresarial. En general se evidenció que la ladrillera Ocaña presenta indicadores más elevados en los tres aspectos evaluados; esto indica una ecoeficiencia mayor. En el primer indicador que consistía en el cumplimiento de los requisitos establecidos en la norma técnica Colombiana NTC 4205 para unidades de mampostería de arcilla cocida, ladrillos y bloques cerámicos se encontró que en la ladrillera el recreo 2 solo cumple con el valor promedio en la tasa de absorción inicial de agua mientras que en la ladrillera Ocaña cumple el valor promedio en el ensayo inmersión 24 horas pero los valores en los otros ensayos respecto a la norma están muy cercanos a lo que establece la norma. En los requerimientos de energía se observa que la ladrillera el recreo 2 presenta un rendimiento por cantidad de material cocido por mes de

2.224,94 kJ

kg material mientras que en la ladrillera Ocaña de 1.521,91

kJ

kg material

310

lo que significa que la ladrillera el recreo 2 consume 703,03 kJ

kg material más

que la ladrillera Ocaña. En lo que respecta los parámetros establecidos por la normativa ambiental vigente para emisión por fuentes fijas las ladrilleras seleccionadas cumplen con los requisitos establecidos por los agentes ambientales. En la tabla 73 se indica el comparativo de cómo se desarrollaron los objetivos del proyecto.

311

Tabla 72.Comparativo objetivos y productos

Objetivos Instrumento Duración y número de

ensayos

Norma Valor promedio

encontrado

Limite normativo

Cumplimiento

normativo

Hacer un análisis comparativo entre los distintos hornos para determinar las deficiencias en el proceso.

Visita de campo a las ladrilleras e información suministrada por la oficina

de planeación y la unidad

técnica ambiental de

la alcaldía municipal de

Ocaña

N.A. N.A. N.A. N.A. N.A.

Determinar las propiedades físicas y mecánicas de los productos cerámicos, bajo ensayos de flexión, compresión, absorción inicial y absorción final

Ensayos en maquina universal, calibrador

digital, balanza

electrónica, horno mufla

,bandeja metálica y cámara de

Tasa de absorción

inicial de agua T.I.A. 90 muestras

NTC 4017

0.38 g/cm2/min

promedio en ladrilleras

artesanales

0.25 g/cm2/min

No cumple

312

enfriamiento de muestras

0,20 g/cm2/min en

ladrillera Ocaña

0.10 g/cm2/min

No cumple

Inmersión durante 24

horas 100 muestras

NTC 4017

17,30% en promedio en

ladrilleras artesanales

17,5%

No cumple

12,55% en ladrillera Ocaña

5 % a 17%

No cumple

Resistencia a la compresión 85 muestras

4,71 MPa promedio en


14 MPa

No cumple

313

1,63 MPa en ladrillera Ocaña

2,94 MPa

No cumple

Módulo de rotura o flexión 100 muestras

2,24 MPa promedio en


0,29 MPa a 0,88 MPa

No cumple

0,27 MPa en ladrillera Ocaña

0,29 MPa a 0,88 MPa

No cumple

Identificar las etapas del proceso de cocción.

Manual de cocción de productos

cerámicos de laboratorio

técnico cerámico y

visita de campo a las

ladrilleras

Ladrilleras N.A. N.A. N.A. N.A.

Determinar los requerimientos energéticos y de aire necesarios para la combustión en

Balance de masa

Dos ladrilleras N.A. 10,73

kg Aire

kg Comb.

N.A. N.A.

314

los hornos, en las etapas del proceso de cocción.

Instalar los equipos de adquisición de temperaturas

Software de adquisición

de datos Labview,

termopares tipo bulbo y de alambre,

chasis, módulo de

temperatura y pc

Dos ladrilleras N.A.

N.A.

N.A.

N.A.

Monitorizar las temperaturas en el interior del horno en distintas posiciones.

Prueba de campo de

adquisición de

temperaturas

Dos días con diez y nueve horas y 6.248 registros en ladrillera el

recreo 2

N.A. .

N.A. .

N.A.

N.A.

Veinte y dos horas y treinta y ocho minutos

y 7.056 registros en

N.A N.A N.A N.A

315

ladrillera Ocaña

Realizar el balance general de energía en el horno.

British Estandar Test Code normas

para el cálculo de balance

térmico en hornos de

ladrillo.

Dos ladrilleras Escuela

superior

politécnica del

litoral

2.224,94kJ

kg material

en ladrillera el recreo 2.

2.300 kJ

kg material

a 6.500 kJ

kg material

No cumple

1.521,91kJ

kg material

en ladrillera Ocaña

1.000 kJ

kg material

a 2.200 kJ

kg material

Cumple

Realizar estudios de emisión de gases producto de la combustión en el proceso de cocción en los hornos.

Analizador de gases

8 mediciones en ladrilleras 3

corridas (4 mediciones

cada 15 minutos)

Resolución

909 del ministerio de

ambiente,

vivienda y

desarrollo

territorial

8,53 𝐦𝐠

𝐦𝟑

promedio en ladrilleras

artesanales

550 𝐦𝐠

𝐦𝟑

Cumple

14,07 𝐦𝐠

𝐦𝟑 en

ladrillera Ocaña

550 𝐦𝐠

𝐦𝟑

Cumple

Presentar propuestas basadas en

Cambio en diseño en el horno que

Ladrillera Ocaña

Resolución

909 del

N.A.

N.A.

Cumple

316

análisis de geometrías y operación del horno para reducir el consumo de combustible y emisiones contaminantes en el horno.

conduzca a la reutilización de los gases de escape

ministerio de

ambiente,

vivienda y

desarrollo

territorial

Establecer las mejores prácticas que permitan la disminución del consumo de combustible.

Factores de influencia en

el mejoramiento

de la producción de

cerámicos

N.A. Unidad de

planeación

minero energético de Colom

bia

N.A. N.A. N.A.

Fuente: Autor

317

6. RECOMENDACIONES Los hornos utilizados actualmente en el sector ladrillero en el municipio de Ocaña son hornos artesanales a cielo abierto y construidos de ladrillo común, para reducir el consumo de energía y disminuir la emisión de gases al ambiente se pueden realizar una serie de innovaciones o mejoras que se pueden aplicar fácilmente y tienen bajo costo de implementación, tales como revocar el interior y exterior de la cámara de cocción debido a que estos se agrietan frecuentemente como consecuencia de la dilatación que sufren las paredes del horno, otra mejora a implementar es que debido al calentamiento de las paredes del horno se puede colocar una primera capa de ladrillos refractarios que servirán de aislamiento térmico. Además de los cambios constructivos, es posible introducir cambios operativos, la aplicación más difícil, pero más eficiente. Uno de ellos es cambiar el diseño del horno que conduzca a la reutilización de los gases de escape para ellos sería dirigirlos hacia el interior de otro horno ya preparado y cargado, causando que los gases pasan a través del interior del horno antes de ir a la chimenea, reduciendo la acción de la flotabilidad de los gases calientes, el tiempo de residencia del fluido en el interior del horno, mejore la combustión del carbón y disminuya las emisiones emitidas a la atmosfera. Así, los gases calientes harían intercambio de calor entre sí, proporcionando un precalentamiento de la siguiente carga de productos. La producción de los hornos será de forma secuencial y en ciclos, elevando su temperatura y logrando que el gradiente de temperatura sea vertical. Este cambio requiere sólo unas pocas obras en la ladrillera. Para este fin Los gases calientes pueden ser recuperados y podrían ser utilizados en el secado del material o incluso para calentar otros productos que se encuentran en un horno contiguo. Otro aspecto en la adecuación en los hornos es la construcción de la chimenea la cual mejoraría el tiro en el horno y facilitará el oxígeno para que la combustión sea completa. La calidad de combustible suministrado, la preparación y el manejo del combustible es una fuente de perdidas indirectas del proceso. En el proceso

318

de almacenamiento y manejo de combustible en este caso carbón, en las ladrilleras no garantizan que los niveles de humedad se mantengan o disminuyan durante su almacenamiento y menos en las ladrilleras a cielo abierto ya que se almacena en un patio a cielo abierto manteniendo los montículos de carbón cubiertos con plástico y por lo tanto es afectado por condensación y la humedad del suelo, esto se mitigaría adecuando un patio de acopio cubierto donde se promueva el secado natural del carbón mediante el movimiento periódico del carbón. Inclusive este patio en proximidad de la chimenea y ductos de gases podría reducir considerablemente el porcentaje de humedad, Incluso el patio de almacenamiento debe estar cerca a la chimenea y ductos de gases para reducir el porcentaje de humedad. El suministro de carbón de alto contenido de cenizas y porcentaje de humedad inducen una pérdida en la cantidad de combustible suministrada en el horno. Por lo tanto una medida para mitigar la pérdida indirecta atribuible al suministro de carbón es implementar un procedimiento de calidad y requisitos mínimos para la compra del carbón. Como complemento a estas medidas en las ladrilleras a cielo abierto se debe implementar una molienda propia del carbón que conduzca a una granulometría adecuada reduciendo de esta manera las perdidas atribuibles de inquemados al secado de este y una mejor combustión. En ladrilleras a cielo abierto debido a que no se cuenta con un control y ajuste del proceso de combustión por lo que se presenta un exceso de aire que genera un aumento en el consumo de combustible y pérdidas térmicas en el horno, es posible mitigar el efecto del exceso de aire de combustión implementando un sistema de inyección de aire para el proceso de cocción por medio de un ventilador de tiro inducido que permitan mejorar el proceso de combustión, ya que disminuiría las emisiones emitidas al ambiente, se reduciría la cantidad de combustible empleado y se homogenizaría todo el calor en el interior del horno y en la ladrillera Ocaña se puede controlar la velocidad del ventilador de tiro inducido y automatizar el suministro de combustible. Las ladrilleras no cuentan con sistemas de monitoreo continuo en el proceso de cocción a través de sensores de adquisición y monitoreo a

319

través de termopares en diferentes posiciones en el horno que permitan el registro y/o visualización de datos temperatura de cocción mejorando las condiciones de dosificación manual, así como registrar curvas típicas para cada uno de los productos, niveles de cocción y coloración deseada. Esta medida permitiría adicionalmente rastrear problemas y dificultades particulares del horno en cada producto. En general para todas las ladrilleras para que disminuyan el exceso de aire es importante reducir las infiltraciones de aire en el horno mediante la aplicación de un estuco en las superficies exteriores, puertas de cargue y paredes exteriores e implementar un equipo de adquisición de temperatura, quema y suministro de combustible en el tiempo. Para disminuir las pérdidas por conducción en las ladrilleras es necesario aumentar el espesor de las puertas de cargue y descargue o sustituyendo el material de cierre por ladrillos sólidos refractarios para incrementar el aislamiento térmico y resanar las paredes del horno con mezcla de arcilla y en las ladrilleras a cielo abierto adecuar el techo del horno. La recuperación de calor residual en todas las ladrilleras a cielo abierto del municipio de Ocaña es una opción que permitirá optimizar el consumo de combustible y mitigar las pérdidas netas de energía en el proceso, mientras que en la ladrillera Ocaña la recuperación de calor se realiza de forma continua las 24 horas de los 365 días del año, en la que el endague o cargue de los productos en el horno promueve la succión y circulación homogéneo del flujo a través de todo el horno, los cuales son conducidos a través de un número de espacios entre los productos y conductos mientras que en las ladrilleras a cielo abierto seleccionadas se presenta una producción de aire caliente por casi 48 horas continuas. Un aspecto a implementar en las ladrilleras a cielo abierto es la utilización de los gases calientes emitidos de la combustión en los nuevos secaderos artificiales para aumentar su producción y evitar pérdidas de material y de tiempo por factores climáticos, además de recuperar espacio para almacenamiento de material cocido.

320

Establecer un plan de salud ocupacional para asegurar las condiciones mínimas de trabajo, dotando a los operarios de las ladrilleras de elementos de seguridad para disminuir la exposición a la radiación que se presenta en el horno y evitar posibles quemaduras. Es conveniente que todas las ladrilleras del sector cerámico en el municipio de Ocaña conozcan y cumplan los requisitos mínimos establecidos por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial en la normatividad vigente. La autoridad ambiental corporación autónoma regional de la frontera nororiental CORPONOR debería ofrecer capacitaciones periódicas a los empresarios del sector cerámico sobre la normatividad ambiental vigente. En el municipio de Ocaña a pesar de que ya hubo unas reuniones por parte del gobierno estatal y los empresarios del sector cerámico que cuentan con hornos a cielo abierto, para asociarse, estudiar y construir un prototipo de horno continuo de mejor desempeño y bajos índices de emisión, esta propuesta debería materializarse. Hacer una alianza entre la Universidad, los propietarios de las ladrilleras y el estado para buscar soluciones que conlleven a la realización de proyectos para la cooperación interinstitucional que genere un beneficio común en el sector de la industria cerámica. El cambio de combustible a gas natural puede permitir una reducción en el tiempo del ciclo de cocción, el procedimiento de cargue de los productos en el horno se realizará como lo quieran hacer los operadores sin las dificultades que se presentan en la actualidad, ya que el gas se expandirá en todo el horno, mayor uniformidad de la temperatura dentro de la carga, reducción en el consumo de energía, mejora de la calidad del producto final y aumento de la productividad.

321

7. BIBLIOGRAFÍA [1] Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Métodos para Muestreo y Ensayos de Unidades de Mampostería y Otros Productos de Arcilla NTC4017),» Bogotá D.C., 2005. [2] J. Claro Lázaro, Resistencia de la mampostería reforzada exteriormente usando malla electro soldada con fines de reforzamiento en viviendas de la ciudad de Ocaña, Ocaña: Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña, 2013. [3] C. Takeuchi, Comportamiento en la mampostería estructural, Bogota D.C.: Universidad Nacional deColombia, 2007. [4] Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Unidades de Mampostería de Arcilla Cocida. LAdrillos y Bloques Cerámicos (NTC 4205),» Bogota D.C., 2000. [5] D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012. [6] P. Fernández Díez, 2014. [En línea]. Available: http://files.pfernandezdiez.es/Termodinamica/PDFs/16Termod.pdf. [Último acceso: 20 Noviembre 2014]. [7] Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012. [8] Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogota D.C., 2008. [9] Ministerio De Ambiente y Desarrollo Sostenible, Resolución 802, Bogota D.C., 2014.

322

[10] Alcaldia Municipal De Ocaña, «Plan Basico de Ordenamiento Territorial PBOT,» Ocana, 2011. [11] E. O. Cuellar Henriquez y J. C. Portillo Barrera, Evaluación de la Resistencia a la Fractura de los Ladrillos de Barro Fabricados por Compresión, San Salvador: Universidad Centroamericana Jose Simeon Cañes, 2006. [12] A. S. p. e. d. y. c. Cosude, «Programa de eficiencia energetica en ladrilleras artesanales de america latina para mitigar el cambio climatico,» Cosude, Agencia Suiza para el desarrollo y comperacion, Nemocón, 2011. [13] U. d. P. M. Energética, «Uso eficiente de la energia y de diagnóstico energético,» Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2012. [14] M. d. M. y. Energía, «http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/Guia12%20Cer%C3%83%C2%A1micos.pdf,» [En línea]. [Último acceso: 15 febrero 2015]. [15] D. E. Marrugo C, Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Generación de perfies de Temperatura en Hornos, Ocana: Universidad Francisco de Paula Santander Ocana, 2015. [16] Asociación Colombiana De Ingeniería Sísmica AIS, «Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10,» Bogota D.C., 2010. [17] M. Fernández, Cocción de Productos Cerámicos, Laboratorio Técnico Cerámico, 2000. [18] R. Oba, Análise Térmica Numérica e Experimental de um Forno Túnel, Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2011. [19] Y. A. Cengel, Transferencia de Calor y Masa, Mexico: Mc Graw-Hill, 2009.

323

[20] British Estandar Test Code, Normas para el Cálculo del Balance Térmico en Hornos de Ladrillo. [21] A. P. Dadam, Análise Térmica de um Forno Túnel Utilizado na Indústria de Ceramica Vermelha, Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2005. [22] S. A. Jacome Manzano, Evaluación Termodinámica del Proceso de Cocción y Analisis de Gases en Hornos a Cielo Abierto y Hoffman en Ocana, Ocana: Universidad Francisco de Paula Santander Ocana, 2015. [23] A. Chandía Moraga, Desarrollo de un Ladrillo de Trayectoria Termica Maxima, Concepción: Universidad del BIO-BIO, 2004. [24] C. Serrano Trillos, Estudio Teórico Práctico el Proceso de Combustión de los Hornos de Tiro Invertido para el Chircal San Luis de Cúcuta., San Jose de Cúcuta: Universidad Francisco de Paula Santander, 1980. [25] L. E. Vera Duarte, Analisis Termodinamico y Simulación de un Horno Tipo Colmena de Tiro Invertido, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003. [26] F. y. N. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, «Factores de Emisión de los Combustibles Colombianos,» Unidad de Planeación Minero Energética, Bogotá, 2003. [27] C. Muller, Manual de Aire Acondicionado y Calefacción, México: Alfaomega, 2010. [28] J. A. Meneses Calderon, Evaluación de las Perdidas de Energía en los Hornos Tipo Colmena de Tiro Invertido, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2003.

324

[29] J. L. Jaya Sucozhañay y J. L. Gomezcoello Vasquez, Analisis Comparativo de la Contamibación Atmosfetrica Producida por la Combustión en Ladrilleras Artesanales Utilizando Tres Tipos de Combustible, Cuenca: Universidad Politecnica Saleciana, 2012. [30] R. Nava Mena, Analisis Teorico del Secado de Ladrillos en un Horno Continuo, Distrito Federal: Instituto Politecnico Nacional, 2002. [31] Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, «Protocolo para el Control y Vigilancia de la Contaminación Atmosférica Generada por Fuentes Fijas,» Bogota D.C., 2010. [32] NASA, «https:/eosweb.larcnasa.gov,» [En línea]. [Último acceso: 23 Julio 2016]. [33] S. L. Mantilla Parra y L. Ardila Sanchez , Desarrollo de una Propuesta de Optimización Energetica de los Hornos Colmena de la Empresa Ladrillos y Acabados S.A.S., Bucaramanga: Universidad Industríal de Santander, 2011.

325

8. ANEXOS

HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE ...

Documents

Transcript of HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE ...