DISEÑO DE UN HORNO VERTICAL PARA COCCION DE LADRILLO

INTRODUCCION

El presente informe hace referencia al diseño de un horno vertical de producción continua

que se define como el equipo principal dentro del proceso de cocción de ladrillo considera a

su vez como la etapa crítica por los mismos productores del ladrillo en su elaboración.

El diseño implicara la utilización de técnicas, herramientas y metodologías asociadas al

diseño industrial, en primera parte se centrara en la planeación del diseño del horno y en

segunda parte la ejecución del diseño en sí.

En esta primera parte se abordara ocho puntos principales que se consideran indispensables

al momento de realizar cualquier diseño y por ende del horno.

La característica principal del tema de diseño del horno vertical hace referencia al tema de

implementación de un horno totalmente distinto a los tipos de hornos tradicionales y

convencionales que existe en el rubro de producción de ladrillos.

Las causas que motivaron que se lleve adelante este tipo de emprendimiento tuvo como

punto de partida la insatisfacción que presentan los productores del medio con su producto

elaborado, debido a que el producto obtenido no cumple con ciertas características deseadas

por ellos y surge la necesidad de contar con un horno capaz de cumplir con esos

requerimientos.

Nuestro interés parte de ese punto, tomando en cuenta que el rubro de elaboración de

materiales de construcción posee un potencial económico y rentable, y por ende realizar

una mejora en el proceso, específicamente en la etapa de cocción, conllevaría un

incremento en la productividad del proceso y paralelamente en los beneficios económicos

del productor.

Para llevar a cabo este proceso de diseño considerando todos los aspectos tocados se

desarrollaran los siguientes puntos mencionados como indispensables a la hora de realizar

un diseño de estas características:

Determinación de las necesidades y los requerimientos en forma general para un horno por

parte del productor.

Determinación de factores intrínsecos y extrínsecos que generen ventajas para el horno en

relación a otros hornos tradicionales.

Interrelacionar los intereses y necesidades de los tres principales actores que interactúan

con el horno de esta forma obtener los requerimientos específicos e interrelacionados que

en forma conjunta facilitan el proceso de diseño.

DEFINICION DE LAS NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS DEL

PRODUCTOR

- Reducir la cantidad de desperdicio

En la actualidad el productor artesanal presenta relativa inconformidad con la cantidad de

producto final que se considera desperdicio al término de la etapa de cocción de ladrillo, si

revisamos la siguiente información sobre la producción de ladrillos en un horno cámara

tradicional por combustión de gas natural se obtienen los siguientes datos:

Tabla comparativa de material obtenido después del proceso de cocción en el horno rustico

tradicional

Producto de primera 68000

Producto de segunda 10000

Ladrillo desperdicio 2000

Total material de entrada al inicio de cocción 80000

Fuente: Productores artesanales Pampa Rancho

El porcentaje de ladrillo perdido en relación al material obtenido que es utilizable y

comercializable no representa un riesgo grande para el productor artesanal, el productor lo

considera una perdida aceptable y por ende no representa preocupación. Pero para los fines

del diseño, ese pequeña perdida representa ineficiencia del horno, se verá la manera de

eliminar dicha falla.

- Tiempo de cocción

Una principal preocupación de los productores del medio es referida a los tiempos de

cocción del ladrillo en los hornos artesanales, debido a que el lapso de tiempo en el que un

lote de 80000 ladrillos requiere alrededor de 48 a 72 horas para su cocimiento, y

posterior a ello necesita alrededor de 3 a 4 días para su enfriamiento y posterior retiro del

horno y comercialización.

Esa enorme brecha de tiempo que se genera evita un producción eficiente, la cual se puede

eliminar fácilmente con cualquier tipo de horno de producción continua , y es uno de los

objetivos que se persigue en el proyecto.

- Uniformidad geométrica del ladrillo

Lamentablemente si tocamos aspectos relacionados con la geometría del ladrillo, esta no

esta relacionado con la cocción, estos aspectos derivan del proceso de conformación

mediante el moldeado de la arcilla para formar los ladrillos.

- Porosidad del ladrillo

Este requerimiento está relacionado con la capacidad de absorción de humedad del ladrillo

una vez utilizado en la construcción, esta propiedad es exigida por los usuarios que

manipulan el producto final, esta propiedad se define en la etapa de cocción,

específicamente esta ligado al tiempo de cocción al que está expuesto el ladrillo en el

horno, si la pieza de ladrillo se expone a un tiempo mayor de lo reglamentado pierde su

porosidad debido a que sus moléculas se fusionan completamente, no dejando de esa

manera orificios o poros que permitan la retención de humedad en el cuerpo del ladrillo,

haciéndolo inutilizable en la construcción.

Esta necesidad se verá solucionada implementando instrumentos de medición que permitan

el control de la temperatura adecuada de la cocción del ladrillo.

- Color.

Este requisito está relacionado con el tipo de arcilla utilizada en la fabricación del ladrillo,

en algunos casos por la adhesión de algunos minerales y en especial con la temperatura de

cocción, y el tiempo de cocción es por eso que se obtiene ladrillos de color negro, blancos,

amarillos y rojos.

Este factor se convierte para el productor en una disminución en el precio de venta del

ladrillo obligándole a una clasificación por calidad del ladrillo obteniéndose ladrillos de

primera, de segunda y de tercera.

Es por eso que este factor debe ser controlado o regulado a través de equipos que midan la

temperatura a la que se encuentra el ladrillo y el horno.

FACTORES GENERADOR DE VENTAJAS COMPETITIVAS

Factores Intrínsecos

a) Diseño Industrial: En el caso del diseño de un horno vertical para cocción de

ladrillos, los factores que lo hacen apreciado para nuestro usuario son aquellas

necesidades que él considera importantes y sustanciales como ser: temperatura de

cocción del ladrillo, menor tiempo de cocción incremento de la productividad,

relación costo beneficio y otros aspectos como salud del operario, funcionamiento

del horno.

b) Innovación: La innovación se da en la nueva forma de operar el horno partiendo de

varias funciones como son:

Sistema de carga y descarga con el fin de facilitar el trabajo del los

operarios y el tiempo de operación.

Sistema de aislamiento contra la pérdida de calor

Sistema de Salida de Gases

Sistema de distribución de calor

Factores Extrínsecos

a) Comunicación: Se da entre el producto y el usuario en nuestro caso el horno

vertical y el productor, muy relacionados con las sensaciones y las percepciones

visuales que podría generar el horno en el productor que puede derivar en su

aceptación o rechazo, es decir los beneficios que puede representar el horno para el

productor, beneficios en ingresos, cantidad etc.

b) Servicio: cocción eficiente del ladrillo cumpliendo con los requerimientos del

usuario.

RELACION FABRICANTE, USUARIO Y CONSUMIDOR.

Ergonómico.

El objetivo de este ámbito son los consumidores, usuarios y las características del contexto

en las cuales el horno será usado.

Para solucionar esta problemática se esta previniendo de que forma se manipulara el horno

y con que métodos de trabajo adecuados se opera dicho horno. Estas especificaciones deben

cumplir normas de operabilidad y de seguridad. Que vayan acorde con la funcionalidad y

objetivos del horno

3.2 Uso

En relación al uso del horno se tiene una idea básica general del horno la cual de tallamos a

continuación:

En primera se debe proveer de suficiente ladrillo crudo en la parte superior del horno en la

zona de carga. Se debe entender que el proceso de carga y descarga es un proceso

simultaneo, podría decirse que el proceso de descarga es el piloto que indica que lote

entrara en la zona de cocción y que lote nuevo entrara en la zona de precalentamiento del

horno.

Se debe tomar en cuenta también que el horno posee tres zonas principales y 2 zonas

secundarias.

Las tres zonas principales comprenden la etapa de cocida a la que se someterá el ladrillo

crudo.

La primera etapa es la zona de precalentamiento en la cual la temperatura oscilara entre los

0 a 150 ºC en esta zona se prevee que el ladrillo crudo que entra tiene que entrar en

ambientación con el medio caliente y a la vez perder la humedad restante que queda en el

cuerpo del ladrillo.

Posteriormente se encuentra la zona de cocción principal en la cual la temperatura oscilara

de entre los 150ºC a los 500 y después directamente hasta los 950ºC que es la temperatura

de cocción normal de un ladrillo de arcilla.

Posteriormente se encuentra la zona de enfriamiento que será adecuadamente ventilada lo

cual se determinara en el diseño debido a que sise expone el material recientemente cocido

sufrirá cambios bruscos en su estructura lo cual deriva en su calidad final.

Y finalmente se ubica la etapa de descarga en la cual en tracción un sistema conformado

por un tornillo sin fin accionado por medio de un volante acoplado en su eje lo cual permite

que el tornillo gira en ambas dirección y haciendo fuerza sobre el carro de descarga que es

el encargado de soportar en primera fase todos los lotes que se encuentran dentro del horno

y es apoyado por barras de acero colocadas horizontalmente que en si son las que

verdaderamente sostienen la estructura apilada del total de los lotes que se encuentran en el

interior del horno , este carro sujeta momentáneamente a la estructura de los lotes, luego se

inserta las barras entonces el ultimo lote esta libre para su descarga correspondiente

pudiendo bajar el carro sin ningún problema accionado por el tornillo sin fin que se

encuentra sujetándolo por la parte inferior de su base.

5. ANALISIS FUNCIONAL DE HORNO VERTICAL

5.1 Sistema de salida de gases combustibles.-Este especto tiene su grado de importación en el proceso general de cocción del ladrillo, pero a la ves este genera una mejor seguridad para nuestros operarios que en el momento de carga sufren de los efectos de gases combustibles post cocido que tardan en ser desalojados del horno, por lo que en la actualidad se les exige que estos se acomoden de cualquier forma a las molestias que estos llegan a ocasionar en los seres humanos.

5.2 Aislamiento del calor (Acumulación).- Es uno de los factores mas importantes en la cocción, ya que de este depende la cantidad optima utilizada de combustible y el tiempo del cocido.Por ello es importante aumentar la inercia de la estructura principal del horno a mantener el color.Para lo cual se utilizara como material principal de la infraestructura del horno un ladrillo refractario aislante el cual tiene la propiedad de repeler el calor aislando en gran medida la combustión en el horno y reduciendo de gran manera el escape de calor en cada ladrillo

5.3 Transporte de lotes a lo largo del horno.- Nos referimos al ladrillo acomodado en su primera instancia en el nivel de carga para luego ser llevada al horno principal y finalmente llega al nivel de descarga; para ello se vio la necesidad de implementar un sistema mecánico que consiste en una pluma mecánica mas conocida como polipasto , los cuales serán implementados en un numero de dos.

5.4 Direccionamiento o tiro de flujo de calor.- Este aspecto es el encargado de lograr que el calor llegue los mas uniformemente a cada ladrillo, el cual tiene como base el colocado estratégico de los quemadores llegando a generar calor uniforme dentro el horno en nuestro caso se analizara la conveniencia la generación de una tira cruzada o una invertida lógicamente después de ver la disposición de nuestros quemadores.

5.5 Graduar la intensidad de calor en los quemadores.-Este detalle es de mucha importancia para cumplir con los tiempos y temperaturas adecuadas en la curva de cocción. Para ello se utilizara un tornillo regulador o una válvula, los que estaran a cargo de la variación de la llama y a la ves de la temperatura a ser utilizada en los distintos tiempos requeridos.

5.6 Sujeción de lotes después del cocido:.- Este proceso se da en el momento previo de la descarga el cual mediante unos perfiles de acero incrustadas en el apilado de ladrillo se procede a la salida parcial de cada lote, de la parte del horno hacia la zona de descarga en el cual transcurrido un determinado tiempo se vuelven a colocar sobre otra parte del lote hasta sacarla completamente del horno,

HORNO VERTICAL DE COCCION DE

LADRILLO

Sistema de salida de gases de combustión

Aislamiento del calorTransporte de lote a lo largo del horno

Chimeneas laterales

Distribución de calor en el eje

Ladrillo refractarioPluma mecánica

(Polipasto)

Graduar intensidad de flujo de calor

Sujeción de lotesEn descarga

Perfiles horizontales

Colocado por partes en cada lote cocido

Tornillo limitador- válvula reguladora

Cumplimiento de curva de cocción

Quemadores a gas

Posicionamiento estratégico

ARBOL FUNCIONAL.-

6. GESTION DEL VALOR6.1 INGENIERIA DEL VALOR

PROCESO Cocción del ladrillo

PROPOSITO DEL PROCESO

OPORTUNIDADES DE MEJORAR EL

VALOR

¿LA MEJORA CUMPLE CON LOS

REQUERIMIENTOS DE USUARIO Y A LA

VES AGREGA VALOR ¿AL PROCESO?

FUENTES DEL PROCESO

Cumplimiento satisfactorio de

necesidades de usuario

Combustible, Material de paredes de

horno, Forma de evacuación de

gases combustible Tiro de llama

Utilización de gas como combustible

Uso de ladrillo refractario para las paredes de horno,

Chimeneas para escape de gases

Posicionamiento de quemadores

Al aplicar las mejoras y cambios ya indicados este contribuye de gran

manera, a las propiedades requeridas en nuestro producto

final, agregándole funcionalidad.

6.2 BENEFICIOS

BENEFICIOS

AUMENTAR LA PRODUCCION

MEJORAR CALIDAD DE PRODUCTO FINAL

MEJORA DE IMPACTO MEDIO AMBIENTAL

MEJOR INTERACCION HUMANA CON EL

HORNO

RIESGOS

COSTO ALTO DE IMPLEMENTACION

GENERACION DE CUELLO DE BOTELLA EN SISTEMA PRODUCTIVO

DEL LADRILLO

6.3DIAGRAMA FAST.- Técnica para analizar la estructura funcional de un sistema técnico

ººº

¿CÓMO?º

Función de orden más alta

COCCION DE

LADRLLOS

FUNCIONES MÁS BASICAS

AISLAR CALOR TRANSPORTE DE LOTE

GRADUACION DE FLUJO DE

CALOR

REPELER EL CALOR DE

COMBUSTION

CIRCULACION DE OXIGENO

ASENSO DESENSO DE

TORNILLO SIN FIN

SUJECION DE LOTES

MEDIANTE BARRAS

SINCRONIZADO MEDIANTE LA

CURVA DE QUEMADO

FUNCIONES DEL CAMINO CRÍTICO

Diseñar funciones paraFunciones que se dan

todo el tiempo

Disminuir desperdicio

Disminuir tiempo de operación Medir

temperatura de coccion

¿POR QUE?

Función causativa

PROVEER EQUIPOS Y

MATERIALES

ANALISIS QFD

AMFEAnálisis Modal de Fallos y Efectos.

Definición.-“El AMFE o Análisis Modal de Fallos y Efectos es un método dirigido a lograr el Aseguramiento de la Calidad, que mediante el análisis sistemático, contribuye a identificar y prevenir los modos de fallo, tanto de un producto como de un proceso, evaluando su gravedad, ocurrencia y detección, mediante los cuales, se calculará el Número de Prioridad de Riesgo, para priorizar las causas, sobre las cuales habrá que actuar para evitar que se presenten dichos modos de fallo.Tipos de AMFE.-Se pueden distinguir dos tipos de AMFE según en el marco de la gestión del proceso:AMFE del producto, va dirigido al producto.AMFE de proceso, va dirigido al proceso de fabricación del producto.Procedimiento.-1.- Selección del grupo de trabajo.Estará compuesto por todos los integrantes del grupo de (Diseño Asistido por Computadora) teniendo un amplio conocimiento del producto / servicio o proceso objeto de AMFE.2.- Establecer el tipo de AMFE a realizar.El tipo de AMFE a realizar estará dirigido al producto es decir a un “Horno Vertical para cocción de ladrillo”. Puesto que es motivo de análisis su funcionamiento y no así su fabricación (AMFE orientado a procesos) además que el producto es una derivación directa del proceso por tanto cualquier modificación en el producto repercute en el proceso.3.- Aclarar las prestaciones y/o funciones del producto.Es necesario un conocimiento exacto y completo de las funciones del objeto de estudio para identificar los Modos de Fallo Potenciales. Se expresaran todas y cada una de forma clara y concisa:

PRODUCTO Horno Vertical de cocción de ladrillos

FUNCIONES

1.-Aislamiento de calor.2.-Distribución de calor en el eje.3.-Sistema de salida de gases de combustión.4.-Graduar intensidad de flujo de calor.5.-Transporte del lote a lo largo del eje.6.-Sujeción de lotes en descarga.

4.- Determinar los Modos Potenciales de Fallo.Se dice que un producto y/o servicio falla, cuando no se lleva a cabo de forma satisfactoria su función.Entonces para cada función definida en el paso anterior, hay que identificar todos los posibles modos de fallo. 5.- Determinar los Efectos Potenciales de Fallo.Para cada modo potencial de fallo se identificaran todas las posibles consecuencias que estos puedan implicar para el cliente es decir al productor.Cada Modo de Fallo puede tener varios Efectos Potenciales.6.- Determinar las Causas Potenciales del Fallo.

Para cada Modo de Fallo se identificaran todas las posibles Causas ya sean estas directas o indirectas.7.- Identificar sistemas de control actuales.En este paso se buscara los controles diseñados para prevenir las posibles Causas del Fallo, o bien para detectar el Modo de Fallo resultante.8.-Determinar los índices de evaluación para cada Modo de Fallo.A) Índice de Gravedad “G”.-Evalúa la gravedad del efecto, de que se produzca un determinado fallo para el cliente. La evaluación se realiza en un escala de 1 al 10 en base a una “tabla de gravedad”, que es una función de la mayor o menor insatisfacción del cliente por la degradación de la función.

Tabla de Gravedad “G”.

Fuente: índices de evaluación/ www.fundibeg.org

B) Índice de Ocurrencia “O”.-Evalúa la probabilidad de que se produzca el Modo de Fallo por cada una de las causas potenciales, en una escala del 1 al 10 en base a una “tabla de ocurrencia”. Para su evaluación, se tendrá en cuenta todos los controles utilizados para prevenir que se produzcan las causas potenciales de fallo.

Tabla de Ocurrencias “O”

Fuente: índices de evaluación/ www.fundibeg.org

C) Índice de Detección “D”.-

Evalúa, para cada causa la probabilidad de detectar dicha causa y el modo de fallo resultante antes de llegar al cliente en un escala del 1 al 10 en base a una “tabla de detección”. Para determinar el índice D se supondrá que la causa de fallo ha ocurrido hoy se evaluara la capacidad de los controles para detectar la misma o los modos de fallo.

Tabla de Detección “D”

Fuente: índices de evaluación/ www.fundibeg.org

Componente Pieza/

operaciónFUNCION

FALLO

CONTROLES

INDICES

Modo Efecto Causa G O D NPR

HORNO

1.-Aislamiento de calor.

Escape o fuga de calor.

Cliente insatisfecho con el funcionamiento del horno.Mayor consumo de combustible expresado en costo

Agrietamiento en las paredes del eje de cocción de ladrillo.

Inspecciones periódicas con posibilidad de cambio de la zona afectada.

6 2 7 84

Espesor del material aislante insuficiente.

Cliente insatisfecho con el funcionamiento del horno.

Material utilizado no cubre los requerimientos de aislamiento, espesor pequeño.

Incremento del espesor del ladrillo refractario de acuerdo a la cantidad de calor a aislar.

4 3 5 60

2.-Distribución de calor en el

eje.

Distribución no homogénea

Jerarquía en la calidad de los productos obtenidos.No cumplimiento a los requerimientos del usuario.

Mala disposición de los quemadores al o largo del eje de cocción de ladrillos.

Análisis del tiro de llama generado por los quemadores a lo largo de eje de cocción de ladrillo.

6 2 6 72

Obstrucción en la transferencia de calor.

Jerarquía en la calidad de los productos obtenidos.No cumplimiento a los requerimientos del usuario.

Apilado incorrecto de los ladrillos dentro el eje de cocción.

Realizar un solo tipo de apilado considerando el espacio entre los ladrillos para la circulación de calor.

6 7 6 252

3.-Sistema de salida de gases

de combustión.

Obstrucción en la salida de los gases de combustión.

El tiro de llama no cumple su función satisfactoriamente.Ladrillos parcialmente cocidos (desperdicio)

Falta de mantenimiento de los sistemas de escape de los humos de combustión.

Realizar un mantenimiento periódico cada mes de las chimeneas dedicadas a conducir el humo a su exterior.

5 4 2 40

Fuga de los gases a lo largo de su trayectoria.

Existe un contacto entre el operario y los humos, inversión en equipos de seguridad.

La estructura de la chimenea presenta fisuras o agrietamientos

Inspecciones periódicas con posibilidad de cambio de la zona afectada.

6 5 2 60

4.-Graduar intensidad de flujo de calor.

Flujo de calor bajo.

Disminución del valor agregado en el ladrillo.Cliente insatisfecho por la calidad del producto

Falta de indicadores de temperatura y calor. Poco conocimiento del operario.

Uso de dispositivos como termocuplas para controlar tanto la temperatura como e

7 7 7 343

VERT

(ladrillo). calor de operación. Flujo de calor alto Perdida de los lotes

producidos sean estos crudos o cocidos.

Falta de indicadores de temperatura y calor. Poco conocimiento del operario en su funcionamiento.

Uso de dispositivos como termocuplas para controlar tanto la temperatura como e calor de operación.

7 7 7 343

5.-Transporte del lote a lo

largo del eje.

Caída de los lotes de ladrillos durante el transporte

Cambio de los elementos de sujeción, nueva inversión.

Mala sincronización al momento de operar las dos plumas por parte de los operarios.

Inspección al momento de realizar la carga y/o descarga de los ladrillos cuando entra en funcionamiento las plumas, nivelación de la base soporte de los lotes.

9 7 8 504

6.-Sujeción de lotes en

descarga.

Flexiona miento de los elementos de sujeción.

Cambio de los elementos de sujeción, nueva inversión.

La temperatura en el horno puede provocar la deformación (flexión) de los elementos de sujeción.

La resistencia a la fluencia del elemento de sujeción (perfiles horizontales) debe ser mayor ante la acción y presencia de elevadas temperaturas.

3 4 2 24

Rotura de los elementos de sujeción.

Fragmentación de lotes de ladrillo cocidos.

Resistencia del material a la rotura por debajo de lo establecido.

El material elegido debe ser capas de soportar la acción de una fuerza puntual a lo largo de su extensión, sin falla a la rotura.

10 4 2 80

10.- Proponer acciones de mejora.-Cuando se tenga Números de Prioridad de Riesgo (NPR) elevados, deberán establecerse Acciones de mejora para reducirlos.Con carácter general, se seguirá el principio de prevención para eliminar las causas de los fallos en su origen (acciones correctores). En su defecto, se propondrán medidas tendentes a reducir la gravedad del efecto (acciones contingentes). En nuestro caso se tiene los siguientes NPR elevados, en los cuales se aplicaran medidas de contingencia:Modo Potencial de Fallo Causa Potencial de Fallo Medidas de ContingenciaObstrucción en la transferencia de calor

Apilado incorrecto de los ladrillos dentro del eje de cocción.

Debe existir una capacitación en el apilado de los ladrillos a los operarios encargados en la carga considerando el espacio requerido entre los ladrillos de

Flujo de calor bajo Falta de indicadores de temperatura y calor, poco conocimiento del operario.

Capacitación en el manejo de los dispositivos de control de temperatura y control requerido

Flujo de calor alto Falta de indicadores de temperatura y calor, poco conocimiento del operario.

Capacitación en el manejo de los dispositivos de control de temperatura y control requerido

Caída de los lotes de ladrillo durante el transporte

Mala sincronización al momento de operar las plumas por parte de los operarios.

Debe existir un tiempo de partida para inicializar el levantamiento o descenso de la serie de ladrillos en el carro de transporte por parte de los operarios, de esta manera garantizar que no exista desnivel durante el transporte de los ladrillos.

11.- Revisar el AMFE.-El AMFE se revisara periódicamente, en la fecha que se haya establecido previamente, evaluando nuevamente los Índices de Gravedad, Ocurrencia y Detección y recalculando los Números de Prioridad de Riesgos (NPR), para determinar la eficacia de las acciones de mejora.

FASES DEL PROCESO EN EL DISEÑO Y DESARROLLO DE UN HORNO VERTICAL PARA COCCIÓN DE LADRILLOS ARTESANALES

En el siguiente tema se explicara las distintas fases por las cuales pasara el diseño del horno vertical de producción continua:

Información y análisis

Conceptualización y alternativas

Desarrollo de la alternativa

Industrialización

Antes de inicializar con el proceso de diseño, se definirá los aspectos principales a considerar en la definición del concepto del producto.Publico objetivo: El público a quien va dirigido el diseño del horno serán los productores artesanales dedicados a la elaboración de ladrillo artesanal, específicamente los productores dedicados a producir ladrillo gambote.

FASE 1: RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Y ANALISISEn esta fase demostraremos la vialidad técnica y comercial que representara el diseño de un horno vertical.Dentro de esta fase realizaremos los siguientes estudios los cuales nos mostraran un horizonte claro sobre la factibilidad de construir este tipo de horno, o buscar otras alternativas.ESTUDIO DE MERCADOSSe realizo la siguiente investigación sobre productos que tengan alguna similaridad funcional con el horno vertical y por ende representen un frente de competencia para nuestro objeto de diseño.Se clasifica la actividad de producción de ladrillos desde dos tipos de producción. Producción industrial

Producción artesanal

Si tocáramos a grandes rasgos el ámbito industrial, aunque de antemano el público objetivo de nuestro diseño es el campo artesanal, observamos que en este ámbito y en especial en nuestro medio nacional se utiliza con mayor frecuencia dos tipos de horno. Horno industrial de tipo Hoffman

Horno continuo de tipo Túnel

El principio de operación del horno Hoffman si explicamos a grandes rasgos consiste en:Primeramente es de planta rectangular compuesta por una gran galería anular de sección abovedada dividida en cámaras cuya longitud y número de bocas era variable. Este sistema permite que el fuego circule de forma permanente durante todo el proceso de cocción a lo largo de cada uno de los compartimentos. De este modo, la cocción se desplaza por la nave de forma secuencial: mientras en una sección se estaba cociendo el material, en la siguiente, se empezaba a elevar la temperatura al tiempo que en la anterior, el material ya cocido, empieza a enfriarse

permitiendo ser descargado y llenado de nuevo. De esta forma se evitan cambios bruscos de temperatura, consiguiendo una cocción paulatina y homogénea y un funcionamiento del horno más económico al aprovecharse al máximo el calor.

En los hornos ordinarios, la cocción se interrumpe mientras se enfrían los ladrillos cocidos y se retiran para ser reemplazados por otros. Ahora en cambio, con este tipo de horno se efectuaba simultáneamente la cocción, la introducción y la extracción de los materiales, lográndose además un ahorro de combustible consumiendo, los Hoffman, menos de la tercera parte que los ordinarios.

Figura: Horno Hoffman convencionalY últimamente en esta última década se está implementando un nuevo tipo de horno de las mismas características que el horno Hoffman, con la particularidad que este horno es mucho mas automatizado, y la intervención del operario se reduce al mínimo en cuanto a manipulación del ladrillo, nos referimos al horno de tipo Túnel.Estos hornos se caracterizan por que el producto a coccionarse se desplaza continuamente en vagonetas o rodillos a través de una galería muy larga aproximadamente de 100 metros de longitud y divididos en tres sectores, precalentamiento, cocción y enfriamiento. Los productos se desplazan del sector de precalentamiento hacia la zona de cocción, siguiendo un programa de cocción con parámetros ya definidos para cada tipo de pasta. Obteniéndose productos de alta calidad. El aire circula en sentido contrario al desplazamiento de la carga, generando un ahorro en el consumo de combustible en las etapas de precalentamiento y secado. Estos son hornos de alta productividad pues su capacidad oscila desde 15 a 90 metros cúbicos por día.La economía del horno túnel estriba en que se recupera el calor de los gases de combustión para calentar la carga que entra y utilizando el calor de los ladrillos que se enfrían para precalentar el aire de la combustión o en algunos casos, para secar ladrillos aunque no debemos olvidar que su costo de implementación es muy elevado.

Si analizamos el tipo de competencia que puedan representar estos tipos de hornos frente a la idea de implementar nuestro horno de tipo vertical, aunque sin desviarnos de la lógica que nuestro público objetivo no son los productores industriales, pero no es irrelevante observar la situación actual de este segmento, podemos concluir las siguientes ventajas y desventajas que pueden representar, que en si son de vital importancia a la hora de definir los requerimientos que debe cumplir el horno vertical.Ventajas:

Estos hornos son ideales para procesos de producción continua y de grandes volúmenes de producción.

Al momento de carga y descarga no se presenta la mayor dificultad, además de presentar mayor seguridad para el obrero encargado de esta etapa.

Presenta un alto ahorro de combustible y alta eficiencia térmica, debido a su diseño, disposición y principio de operación.

Desventajas: Elevado monto de inversión para su construcción, especialmente en el horno túnel debido

a su sistema automatizado.

Alto costo de mantenimiento de los accesorios del horno.

Otra desventaja representa el trabajar solo con cargas con formato uniforme no pudiendo de esta forma introducir ladrillos de distinta geometría y distintos modelos.

Al momento de tomar decisiones sobre las características que deberá cumplir el horno vertical, es imprescindible tomar en cuenta estos aspectos, porque pueden representarnos una ventaja en relación a los hornos de gran capacidad y eficiencia como lo son los hornos industriales.Lamentablemente no se cuenta con mucha información sobre los fabricantes de estos tipos de hornos mayormente la información con la que se cuenta es relacionada a las empresas que poseen este tipo de tecnología, hablamos de empresas de renombre como lo son.

Incerco “Industria de Cerámicas Cochabamba” (división regional de Incerpaz) con su planta ubicada en la Av. Villazon Km. 7 ½ carretera a Sacaba zona esmeralda. Posee en su planta una variedad de hornos entre ellos 2 hornos túnel de producción de alrededor de 1 millon de piezas de ladrillos en forma mensual, un horno Hoffman de capacidad de 58 cámaras cada una con capacidad de 1500 pzas. de ladrillo hueco.

Inbolteco “industria Boliviana de Tejas y Complementos” localizado en la Av. Chapare s/n Carretera a Sacaba km. 5 ½ zona Chacacollo (no se pudo obtener la información relaciónada con la tecnología que posee respecto a los hornos).

Ceramil (división de la Cooperativa Boliviana de Cemento) ubicado en la Av. Blanco Galindo km. 6 ½ . Actualmente cuenta con 2 hornos túnel de similar capacidad ambos cubren la capacidad de procesar en conjunto 230 toneladas diarias de ladrillo, los hornos tienen aproximadamente 76.5 metros de largo, 2.40 de ancho de boca y trabajan con vagonetas (carros en riel) recubiertas con hormigón refractario y cada una de éstas tiene capacidad de cargar de 3.600 kilogramos, trabajando con gas natural.

Estas son las empresas de mayor renombre, aunque la lista de empresas sigue; estas tres son las que cuentan con el tipo de tecnología en relación a hornos mencionados en este apartado. Si entramos en detalle sobre el sector de fabricantes de hornos para cocción de ladrillos de tipo industrial no se muestran explícitamente, en la mayoría son empresas consultoras, que llevan adelante su implementación como un proyecto, o si no en su defecto , parte de la iniciativa propia de la empresa dedicada a la producción de ladrillos, quienes recurren a empresas ubicadas en el exterior que cuentan con este tipo de tecnología o son las iniciadoras de estas alternativas, y buscan su asesoramiento y ficha técnica, pero son ellos mismos los que llevan adelante el proyecto de implementar estos hornos. En si no existe en nuestro medio un mercado de fabricantes o empresas que ofrezcan sus servicios en la construcción de este tipo de hornos destinados a la cocción de ladrillos.Por último consideramos interesante analizar los hornos de carácter artesanal que son los que actualmente emplean los productores de este tipo, que en si son nuestro público objetivo a quienes va destinado nuestro esfuerzo de implementar un nuevo tipo de horno continuo que vaya en beneficio de ellos.El análisis que hacemos en este punto es más relacionado a los tipos de hornos que estos productores usan y sus características, para poder determinar el nivel de competitividad que ofrecen sus hornos ante la posible implementación del nuevo horno vertical.Pero no podemos obviar la información relacionada a los productores porque son ellos mismos los encargados de fabricar estos hornos de tipo artesanal.Si damos un panorama breve sobre estos productores tenemos la siguiente información:En la ciudad de Cochabamba existe un grupo importante de ladrilleras artesanales instaladas en la zona sud de la ciudad. Estas industrias se generan, debido a que el ladrillo es uno de los materiales principales en la construcción. Es por esto que muchas personas se dedican a su elaboración. Las personas que se dedican a la producción de ladrillos, en su mayoría son inmigrantes de las zonas mineras (Oruro y Potosí). De las 1000 familias que habitan en esta zona el 70 % son emigrantes. Estas personas, vinieron en busca de oportunidades para mejorar su nivel de vida.En la ciudad de Cochabamba existen dos importantes zonas productoras de ladrillo artesanal ubicadas en dos zonas que sobresalen:

Principales zonas productoras de ladrillo artesanalZona Ubicación Cantidad aproximada de

productoresChampa Rancho Zona Sur Jayhuayco (detrás

aeropuerto)200 unidades productoras Aproximadamente

Sipe Sipe Km. 25 carretera a Oruro No determinado Fuente: Elaboración propiaLa zona de producción de ladrillos principal se encuentra en el Distrito Nº 5 de la ciudad de Cochabamba. Para ser más precisos, se ubica atrás del aeropuerto Jorge Wilsterman. A esta zona se la denomina Champa Rancho (marcada con un círculo en la figura ).

Figura: Plano de ubicación de la zona de Champa Rancho, Distrito Nº5En la zona existe un conflicto en cuanto el uso de suelo. Esto debido a que en 1981, se aprobó el Decreto Supremo Nº 18412, que declara a Champa Rancho como un Parque Metropolitano. A pesar de este decreto, la producción de ladrillos continúa, ya que es una fuente de trabajo y de ingresos considerables para la sociedad cochabambina.Un estudio realizado por el CEPA (Centro de Ecologia y Pueblos Andinos), indica que anteriormente los productores artesanales utilizaban en la quema (cocción) de ladrillos en los hornos, utilizaban como combustible guano de animales, aserrín de madera, o goma material, lo cual provocaba tremenda contaminación en el medio ambiente, recientemente hace 6 años se realizo un cambio tecnológico en la producción de ladrillos, en la cual se cambio el tipo de combustible, se realizo el cambio por gas natural. Si analizamos la siguiente tabla comparativa.

Producción de ladrillos artesanal en la zona surAntes Actual

Producción de ladrillos por horneada

10.000 a 20.000 unidades de ladrillo

65.000 a 80.000 unidades de ladrillo

Frecuencia de horneado 1 a 3 veces por mes Cada 15 dias

De acuerdo a la demanda de ladrillo.

Fuente: CEPAActualmente existen en la zona alrededor de 200 ladrilleros, se encuentran asociados, cada uno de los socios posee de 2 a 4 hornos.Los costos que erogaron los socios son los siguientes para este cambio de tecnología:

EMPRESA ENCARGA DE LA INSTALACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE COMBUSTIBLE EMCOGAS. S.A

Conexión a la red domiciliaria y medidor 6000 $us. Por socioConsumo promedio de gas por horno en una proceso de cocción con horno cargado

2000 Bs. Por horno

Fuente: CEPA Respecto al diseño y tipos de hornos que ellos utilizan, podemos describir a sus hornos Los hornos utilizados actualmente en el sector ladrillero, poseen básicamente el formato cubico de base rectangular cuya dimensión están aproximadamente por los 6m. de ancho y largo, por unos 2 a 3 m. de altura. Con la siguiente disposición como se muestra en la figura, aunque ese es el modelo tradicional a seguir, y casi nunca es cumplido en su totalidad, ya que la apariencia exterior puede variar de productor a productor según vea conveniente.

Figura: Modelo tradicional a seguir en estructuras de hornos artesanales

Foto: Horno actual utilizado en la zona sur (Champa Rancho)Sus capacidades de carga actual debido a la implementación de la nueva tecnología energética oscilan entre 65.000 a 80.000 ladrillos artesanales moldeados del tipo gambote o muro 18.

Las medidas nominales de los ladrillos elaborados por los productores se presentan a continuación:

Tabla de medidas geométricas del ladrillo gamboteTIPO Alto (cm.) Ancho (cm.) Largo (cm.)

Ladrillo gambote macizo

5.5 12 22.5

Ladrillo muro 18 8 12 19Fuente: Elaboración propiaEstos hornos se caracterizan por tener dos cámaras una de combustión que se encuentra en la parte inferior cuya altura máxima es de 0.4 a 0.5 m. aproximadamente y seguida de otra cámara que es la de cocción cuya altura varia de 2 a 3 m. en la cámara de combustión existe exteriormente en dos de las caras laterales 4 orificios por lado por los cuales ingresan los quemadores de gas.

Figura: Vista isométrica de la base del horno artesanal referido a la disposición de los orificios para quemadores y las aberturas laterales para la carga del horno

Foto: Uno de los orificios por donde ingresa uno de los quemadores

Foto: Una de las tomas de gas para conectar los lanzallamasExiste una parrilla que divide ambas cámaras y sirve como base para cargar los productos a quemarse. La cámara de cocción tiene generalmente 2 compuertas en los laterales en forma de “U” por los cuales inicialmente se introduce el ladrillo crudo y conforme sube el nivel de carga del horno se van sellando estas entradas Las compuertas de la cámara de combustión tienen una forma de bóveda catenaria, por donde se suministra el combustible, en este caso los lanzallamas.Los materiales de utilizados en la construcción de los hornos son: Piedras

Ladrillos

Adobes

Mortero de barro o arcilla

Palos de eucalipto

Si describimos cada uno de los componentes del horno y de que material están compuestos vemos:

Partes del horno MaterialesCimientos Piedras y mortero de arcilla y arena Parrilla de cargado Ladrillos y mortero de arcilla Muros o paredes Adobes y mortero de arcilla y arena Revoque Mortero de arcilla, paja y arena Vigas de protección Palos eucalipto o en su defecto listones de

madera Fuente: Elaboración propiaEn ciertos casos según el productor Adicionalmente los hornos cuentan con machones de adobes cada dos metros aproximadamente que protegen las paredes laterales del horno, aunque es raro ver esta disposición. Se debe destacar que no se utiliza materiales refractarios y refractarios aislantes térmicos, en la construcción de los hornos.Si describimos resumidamente la operación de este tipo de horno encontramos los siguientes pasos:

Operación de un horno tradicional1.- Se carga los materiales a quemarse, dejando espacios vacios por donde pueda fluir el fuego y los gases de combustión. 2.- Se instalan los lanzallamas encargados de suministrar calor al horno en las partes laterales del horno, en los orificios destinados a ellos. Dejándolos así por unos 3 días.Una vez que se ha completado la cocción se sella la parte superior del horno con adobes, como también la compuerta de la cámara de combustión con ladrillos y sellando con mortero de arcilla, para evitar un enfriamiento brusco y pueda malograr los productos coccionados.3.- Se deja enfriar durante 48 horas aproximadamente, luego de este tiempo se puede descargar los productos, observándose una pérdida de aproximadamente del 20 %. De los productos cargados por enconchamiento y rajaduras, esencialmente los que sufren estas anomalías son principalmente las primeras capas del cargado ya que son las que reciben

calor más del tiempo debido.

Respecto al mantenimiento que debe realizarse con este tipo de hornos los trabajos rutinarios de mantenimiento son:

Mantenimiento rutinario en los hornosa) El revoque en el interior de la cámara de cocción por que estos se agrietan frecuentemente como consecuencia de la dilatación que sufre las paredes del hornob) En la bóveda de la cámara de cocción puesto que algunos ladrillos que lo conforman tienden a fusionarse, con lo cual corre riesgo la parrilla de carga, por lo que es necesario sustituir estas para garantizar su estabilidad.

Ahora bien finalizando en parte este análisis y estudio exhaustivo a los productores artesanales, en especial a los tipos de hornos que ellos utilizan, realizamos una evaluación de las características técnicas del horno en el proceso de quema.Normalmente este horno debe llevar su nombre técnico el cual es “HORNO DE TIRO ASCENDENTE Y NATURAL”, en fin, presentamos estos acápites, los cuales en forma clara llegan a representar los verdaderos requerimientos de usuario con los cuales debe cumplirse, en forma representan las características típicas de estos tipos de hornos, los cuales deberá interpretarse de la mejor manera y plasmarlos en requerimientos.

Características técnicas del horno artesanal (horno de tiro ascendente y natural)a) El horno no puede quemar completamente el combustible, es decir no hay combustión completa por falta de oxigeno pese a tener la cámara de combustión alta, originado por la falta de chimenea que mejoraría el tiro en el horno y una consecuencia directa de ello es que no aprovecha eficientemente el combustible.

b) El horno al carecer de bóveda y de aislamiento térmico especialmente en la cámara de cocción, hace que disipe calor al medio ambiente, de esta manera se debe quemar más combustible de lo requerido y se incrementa el tiempo de operación.

c) En la cámara de cocción no hay una distribución uniforme de temperatura, existiendo una gradiente apreciable, es así que en la parte inferior de la cámara de cocción es más alta inclusive llegan fusionarse los productos lo que indica que ha alcanzado temperaturas superiores a 1 000 ºC y en la parte superior de la cámara todavía los productos no han completado la cocción, lo que indica que no han superado los 800ºC. Una manera es velar porque debe de alguna manera hacer llegar la combustión en forma homogénea.

d) Los productos coccionados no tienen una calidad homogénea y que difícilmente podría pasar los estándares de calidad si esta se sometiera a evaluación.

e) La eficiencia térmica del horno es inferior al 20 %, es decir, que solamente aprovecha el 20 % de la energía suministrada para coccionar los productos mientras que, el 80%, se disipa por la parte superior del horno y por las paredes de la cámara de cocción.

Fuente: Elaboración propiaDerivados de estas características que presenta este horno resulta los siguientes problemas Eficiencia térmica baja

La buena combustión se realiza por un equilibrio entre la cantidad de combustible y la cantidad de oxigeno del aire resultado de esta quema deficiente, se requiere gastar más combustible que el requerido pues la eficiencia térmica es muy baja, lo que redunda en el alto costo de las quemas con el consiguiente encarecimiento de los procesos de producción.La mayor parte de los hornos son abiertos.Este hecho hace que la gradiente térmica o la diferencia de temperaturas entre la base y parte alta de la carga en la cámara de cocción sea muy grande por lo que las quemas son deficitarias, pudiendo fundirse la carga cercana a las llamas del hogar y quedar casi cruda la carga colocada en la parte mas alta. Además los hornos abiertos pierden la mayor parte de la energía térmica producida por el combustible, reduciéndose la eficiencia térmica de este en la cocción de la carga.Calidad deficiente de los productos.Como consecuencia de las quemas deficientes se ofertan productos de calidad dudable, pues la mezcla cerámica no llega a la quema completa o a la “sinterizacion”, 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 ladrillos.

Foto: Ladrillos desgastados debido a una mala cocciónExcesiva generación de desperdicios sólidos.La industria ladrillera artesanal genera en su actividad una gran cantidad de desperdicios sólidos de ladrillos rotos, fundidos o mal quemadas que modifican el entorno dando una impresión de abandono desorden. Podemos en conclusión definir de este breve análisis que la situación actual de los hornos artesanales presenta muchas falencias, las cuales representan oportunidades para el horno vertical en las cuales debe presentar alternativas de solución.ESTUDIO DE TENDENCIASEn esta sección haremos un breve análisis sobre la inclinación que están mostrando los diseñadores de hornos para cocción de ladrillos. Presentando 4 aspectos muy importantes en los cuales se basan y centran sus esfuerzos y los cuales les sirven de guía al momento de implementar un nuevo diseño innovador, y es lo que realmente se refleja en los hornos que operan actualmente.En lo IndustrialLa tendencia es siempre proponer un diseño de un horno de tecnología alta o intermedia que represente un paso en la modernización tecnológica del sector.En lo EconómicoLa tendencia va dirigida siempre a reducir los costos de fabricación, costos de quema, y especial énfasis en los costos por uso de combustible.En lo Laboral

Ahora los esfuerzos en cualquier proyecto debe mejorar las condiciones de trabajo de los involucrados en la producción de ladrillos, introduciendo estandarización de la producción y uso de normas de higiene y seguridad para el trabajo.En lo AmbientalEs una gran preocupación actual, y puede decirse que afecta en gran manera la forma de diseñar un horno, las actuales tendencias en el diseño de hornos y cualquier equipo que trabaje con combustibles busca reducir ostensiblemente la emisión de gases contaminantes a la atmosfera, por medio de un sistema de quemado optimo de los combustibles, para contribuir con la preservación del aire limpio de la región.ESTUDIO DE NORMATIVASEn nuestro medio actual, no existe en forma clara una normativa que regule el funcionamiento y construcción de hornos del sector ladrillero, a lo mucho comprenden normas que regulan el aspecto ambiental y de seguridad sobre la operación de los hornos.Se hizo una investigación al respecto y nos llama la atención un documento realizado en el exterior, el cual regula y limita el tema de construcción de hornos, presentando una lista de requerimientos que debe presentar y cumplir el horno al momento de diseñarse y posteriormente implementarse, es por eso que presentamos esta normativa que fue presentada en la ciudad de Mexico, específicamente en una de sus regiones considerada la mayor productora de ladrillos artesanales, nos referimos al Estado de Hidalgo.Presentamos y ponemos a consideración esta normativa, que bien puede adecuarse a nuestra región y aportar en gran manera a la regulación de construcción de hornos, y velar por el interés común de la población.NORMA TÉCNICA ECOLÓGICA ESTATAL NTEE-COEDE-002/2000, QUE ESTABLECE LOS REQUISITOS, ESPECIFICACIONES Y PROCEDIMIENTOS QUE DEBEN REUNIR EN EL TERRITORIO ESTATAL LOS HORNOS PARA LA ELABORACIÓN DE PIEZAS FABRICADAS CON ARCILLAS, INCLUYENDO ACTIVIDADES DE INSTALACIÓN, OPERACIÓN, REUBICACIÓN Y EXTRACCIÓN DE SU MATERIA PRIMA.1.- ObjetivoEstablecer los requisitos, especificaciones y procedimientos que deben reunir en el territorio estatal, los hornos para la elaboración de piezas fabricadas con arcilla, incluyendo actividades de instalación, operación, reubicación y extracción de su materia prima.2.- Campo de aplicaciónEsta norma técnica ecológica será de observancia obligatoria dentro del territorio donde se aplique,para todas las instalaciones que cuenten con horno para el cocido de las piezas elaboradas con arcilla.3.- DefinicionesPara los efectos de esta Norma Técnica Ecológica Estatal, se asumen las definiciones que se mencionan en la Ley del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente del Estado de Hidalgo, además de las siguientes:3.1 Arcillas: Material terroso de origen sedimentario (barro), que al mezclarse con el agua puede moldearse y al cocerse a altas temperaturas endurece, formando piezas que pueden utilizarse como material de construcción, utensilios de cocina, artesanías, etc.3.2 Banco de material pétreo: Terreno en el que se realizan actividades de extracción de los componentes del suelo y subsuelo tales como arcillas, arenas y rocas o productos de su descomposición que se utilizan para la fabricación de materiales para la construcción u ornamento.3.3 Calentamiento directo: Transferencia de calor por flama, gases de combustión o por ambos, que entra en contacto directo con los materiales del proceso.3.4 Calidad de combustibles: Especificaciones técnicas de las características físicas y químicas de los combustibles, que definen el potencial contaminante en el aire ambiente.3.5 Cocido de materiales: Proceso de fraguado a que son sometidos los materiales arcillosos en el interior del horno.3.6 Combustibles fósiles: Compuestos inorgánicos como el carbón mineral, el petróleo y el gas, así llamados por ser productos derivados de los restos de plantas y animales que vivieron en la tierra en épocas anteriores a la aparición del hombre sobre el planeta.

3.7 Combustión: Proceso de oxidación rápida de materiales inorgánicos acompañados de liberación de energía en forma de calor y luz.3.8 Emisión: Descarga de contaminantes a la atmósfera provenientes de chimeneas y otros conductos de escape de las áreas industriales.3.9 Fuente fija: La instalación o conjunto de instalaciones pertenecientes a una sola persona física o moral, ubicadas en una poligonal cerrada que tenga como finalidad desarrollar operaciones industriales, o actividades que generen o puedan generar emisiones contaminantes a la atmósfera.3.10 Hogar: Es la parte del horno ladrillero formado por el piso del horno y los arcos en donde se realiza la combustión.3.11 Horno: Obra de ingeniería donde se realiza el cocido de piezas fabricadas con arcillas.3.12 Inmisión: Presencia de contaminantes en la atmósfera a nivel de piso.3.13 Equipo de quemado: El dispositivo y sus accesorios que se usan para realizar la combustión.3.14 Proceso de combustión: Procedimiento mediante el cual un sistema de equipos altera la ignición de un combustible.3.15 Quemador: Dispositivo que regula la salida de combustible para que arda de manera controlada.3.16 Zona urbana: Espacio territorial de influencia dominante de un centro de población.4.- EspecificacionesEl responsable de la instalación de uno o mas hornos tomará en cuenta los siguientes puntos:4.1 De ubicaciónLa persona física o moral, institución, organismo o asociación, que opere uno o más hornos cerca o dentro de la zona urbana, de acuerdo a los criterios de esta norma, deberán ser reubicados.4.1.1 Con respecto a áreas naturales protegidas, arqueológicas e históricas.Deberá estar fuera de zonas naturales protegidas por la Federación o el Estado así como de las zonas arqueológicas e históricas.4.1.2 Con respecto a zonas de preservación ecológica y zonas de fomento ecológico.Deberá estar fuera de zonas de preservación ecológica y fomento ecológico, comprendidas en los planes directores de desarrollo urbano de los diferentes municipios del Estado.4.1.3 Con respecto a ecosistemas donde existan especies protegidas o en peligro de extinción.Deberá ubicarse en áreas en donde no represente un peligro para las especies y subespecies de flora y fauna silvestre en peligros de extinción, amenazados, endémicos, raros o sujetos a protección especial de acuerdo con la norma oficial mexicana en la materia.4.1.4 Con respecto a zonas urbanas y centros de población.Deberá ubicarse fuera de la mancha urbana, a una distancia mayor de 2 kilómetros de cualquier asentamiento humano mayor de 2,500 habitantes.4.1.5 Con respecto a vientos dominantes.Deberá estar el horno en relación a los vientos dominantes, fuera de la dirección a asentamientos humanos cercanos, así como a los tanques de almacenamiento de combustibles de tal manera que las emisiones producto de la quema, no incidan en estos en ninguna época del año.4.1.6 Con respecto a vías de comunicación.Deberá ubicarse a una distancia mayor a 500 metros de vías de ferrocarril y de carreteras con transporte continuo, así como a una distancia de 200 metros de caminos secundarios, y contar con acceso transitable al sitio en cualquier época del año.4.1.7 Con respecto a infraestructuras en líneas de energía eléctrica, telefónica y ductos de energéticos.Deberá estar a una distancia mayor a 1,000 metros de oleoductos, gasoductos, poliductos y ductos de cualquier tipo, de líneas de transmisión de alta tensión, subestaciones eléctricas, de líneas telefónicas aéreas o de fibra óptica subterránea.4.1.8 Con respecto a aeropuertos.Deberá estar ubicado a una distancia mayor de 3,000 metros de aeropuertos y aeropistas privadas.4.1.9 Con respecto a cuerpos de agua.Deberá estar ubicado a una distancia de 500 metros de cuerpos de agua superficiales, así como fuera de zonas propensas a inundación.4.1.10 Con respecto a industrias o servicios de riesgo.Deberá estar ubicado a mas de 1000 metros de zonas donde existan almacenamientos de hidrocarburos de mas de 10,000 Kg. o su equivalente.4.1.11 Área del predio destinada a la conservación:

Deberá destinar una área mínima del 15% del total de predio, para plantar y mantener especies de flora nativa de la región.4.2 Del hornoDeberá contar con las características técnicas principales, para el mayor aprovechamiento del proceso de cocción del ladrillo, cuerpo, hogar, abertura(s) en su base para la colocación del o los quemadores, así como ductos o chimeneas.4.2.1 Deberá canalizar las emisiones que se generan en el horno de ladrillo a través de ductos o chimeneas, con la altura adecuada y necesaria para dispersar en forma efectiva sus descargas de contaminantes a la atmósfera.4.2.2 Deberán contar con puertos de muestreo, que permitan medir en los ductos o chimeneas sus emisiones.4.2.3 Deberá informar al Consejo las posibles modificaciones o rediseños a hornos y quemadores para su evaluación y aprobación correspondiente.4.3 Del equipo de quemadoDeberá contar con un equipo de quemado adecuado a las especificaciones del combustible y con todos los requisitos para su funcionamiento seguro y adecuado.4.3.1 Deberá enviar la memoria técnica descriptiva al Consejo Estatal de Ecología para su evaluación y aprobación correspondiente, previo a la instalación del equipo de quemado que se utilice en los hornos.4.3.2 Deberá tener el sistema de combustión una eficiencia operativa que le permita el cumplimiento con las disposiciones establecidas en las normas oficiales mexicanas en materia de salud publica y de prevención y control de la contaminación atmosférica.4.3.3 Deberá dar mantenimiento periódico al sistema de combustión para mantener la mayor eficiencia en los quemadores y espreas debiendo registrar estos eventos en la bitácora de operación del horno.4.3.4 Deberán ser instalados los equipos destinados para el quemado de combustibles fósiles líquidos o gaseosos empleados, de acuerdo a las Normas Oficiales Mexicanas y avalados por la Secretaria de Comercio y Fomento Industrial y la Secretaría de Energía, remitiendo la autorización al Consejo.4.4 De la materia primaLos productores de tabique que posean terrenos actualmente en explotación de bancos de materiales pétreos (tierra o arcilla) deberán sujetarse a las disposiciones que sobre bancos de materiales pétreos se establece y contar con la autorización por parte del Consejo.4.4.1 Deberá evitar toda excavación para la obtención de materia prima (arcillas o tierras) para la elaboración de ladrillo, en el predio donde se encuentran instalados los hornos, debiendo contar para el efecto con bancos de materiales pétreos autorizados.4.4.2 Deberán evitar que existan apilamientos descubiertos de tierra y/o arcilla que pudieran contribuir a la dispersión de polvos dentro o fuera del área de operaciones.4.4.3 Deberán estar exentas de materiales contaminados, las mezclas que se utilizan para fabricar piezas de arcilla, para evitar su volatilización y contaminación al medio ambiente al momento de su cocción.4.4.4 Deberá estar registrado en la bitácora de operación del horno la explotación de bancos y nuevos bancos de materia prima u otros relacionados con la fabricación de ladrillo, y contar con la autorización en materia ambiental, por parte del Consejo Estatal de Ecología.4.4.5 Deberá obtenerse el permiso del organismo correspondiente, por el uso de agua para la elaboración de productos de arcilla.4.4.6 Deberá el aserrín no estar impregnado de aceites gastados, solventes, combustibles u otros contaminantes utilizados como aglutinantes para evitar el resquebrajamiento del tabique.4.4.7 Deberá evitar el uso de agua potable o proveniente de descargas urbanas o industriales sin tratamiento adecuado previo.4.5 Del combustible4.5.1 Deberá evitar en el cocido de materiales, el quemar, cocer o incinerar dentro del horno cualquier tipo de material diferente a las especificaciones marcadas en las Normas aplicables.4.5.2 Deberá contar con el certificado de calidad expedido por el distribuidor de los combustibles que se utilicen en el proceso de combustión para el calentamiento directo de los materiales, realizando el registro correspondiente en la bitácora de operación del horno.4.5.3 Deberá cumplir estrictamente con la Norma establecida en el territorio referente a especificaciones sobre protección al ambiente de los combustibles fósiles líquidos y gaseosos utilizados en la fuente.4.5.4 Deberán ser suministrados los combustibles por proveedores autorizados por el estado (tales como en nuestro caso YPFB) y quedar registrados en la bitácora de operación del horno.

4.5.5 Deberá evitar el utilizar materiales empleados como combustibles tales como: neumáticos, llantas, plásticos y hules de cualquier tipo; basura, papel, cartón, hierba seca, aceites, lubricantes gastados, esquilmos agrícolas, solventes, productos químicos; residuos de: tenerías, del calzado, curtiduría, desperdicios de telas, fibras sintéticas y ropa, así como cualquier tipo de residuo peligroso y demás desperdicios que señale el Consejo Estatal de Ecología del territorio.4.5.6 El uso de combustibles queda puede ser condicionado tomando como ejemplo a lo establecido en el cuadro No. 1 de esta Norma.

Cuadro Nº 1 Tipo de CombustiblesTipo de combustible Periodo de uso permitido AserrínCombustoleoGas L.P.

A partir de la publicación de esta norma.

Combustibles alternos El Consejo Estatal de Ecología del Estado que aplique autorizara vía oficio a los interesados, el uso de cualquier otra materia orgánica propuesta para el proceso de quemado, de acuerdo a sus propiedades y características.

Gas L.P. y/o aserrín 1 de enero del 2006 en adelante.

4.5.7 Deberá apegarse a lo que indiquen las Normas Oficiales Mexicanas aplicables para el manejo de gas L.P.4.5.8 Deberá almacenar en tanques metálicos cerrados herméticamente el combustoleo y evitar disponerlo en aljibes, fosas o tanques abiertos.4.5.9 Deberá ser tomada en cuenta la dirección del viento para la ubicación de los tanques de combustoleo así como de los estacionarios de gas L.P., con una distancia entre el horno y estos de 15 metros mínimo.4.5.10 Deberá contar el área destinada a la colocación de los tanques con base de concreto armado, estar delimitada con malla ciclónica con una altura mínima de 2.5 metros, con puerta de acceso y contar con señales de seguridad como área de riesgo.4.5.11 Deberá almacenar el gas L.P. en tanques estacionarios con capacidades de 1,000 a 5,000 kg., dependiendo de la capacidad de producción.4.5.12 Deberá contar con un área delimitada para el almacenamiento adecuado del aserrín, evitando que existan apilamientos descubiertos, que pudieran contribuir a la dispersión de polvos.5.- Requisitos5.1 De operaciónLa persona física o moral, institución, organismo o asociación, responsable de la operación, instalación y/o reubicación de uno o más hornos, contará con un plazo de seis meses máximo a partir de la publicación de esta Norma, para realizar las mejoras y adecuaciones a su infraestructura, los documentos para gestionar la autorización de funcionamiento, y la entrega de estos ante el Consejo Estatal de Ecología, a efecto de regularizarse en materia ambiental, por lo que deberá presentar:5.1.1 Requisición técnica para la microindustria (sector ladrillero), formato que para tal efecto proporcione el Consejo Estatal de Ecología del Municipio o estado.5.1.2 Dictamen de uso de suelo emitido por el H. Ayuntamiento Local, o en su caso por el Instituto de Vivienda, Desarrollo Urbano y Asentamientos Humanos del Estado.5.1.3 Permiso del Organismo correspondiente para el uso de agua en sus procesos. Comisión Nacional del Agua (CNA), para cuerpos de agua de competencia federal o el Organismo estatal o municipal regulador para el caso.5.1.4 Registro y autorización de los proveedores de tierra vegetal y arcilla, expedidos por el Consejo Estatal de Ecología.5.1.5 Bitácora de operación y mantenimiento por horno, que será certificado por el Consejo Estatal de Ecología, y permanecerá en el lugar de trabajo para su revisión periódica, conteniendo la siguiente información:a) Datos generales del propietario y/o arrendador.b) Datos generales de los proveedores de materias primas (arcilla, agua, estiércol).c) Datos generales del proveedor de combustible, con fecha de entrega, tipo de combustible y certificado de calidad del combustible.

d) Capacidad del horno, consumo de combustible por horneada, tipo de quemador, horas de quemado, fecha de cocción y días de quema al mes.e) Jornadas de trabajo; en el proceso de moldeado, armado y secado.f) Frecuencia de mantenimiento a infraestructura.g) Visitas de inspección.h) Restricciones establecidas, entre otras.5.1.6 Presentar programa de remediación del sitio, donde al termino de la vida útil del horno o al reubicarse, deberá retirar toda la infraestructura y dejar libre de residuos el predio.5.1.7 Programa de Seguridad e Higiene en el Trabajo avalado por la Secretaria del Trabajo y Previsión Social.5.1.8 Programa de prevención y control de contingencias, que disponga de un procedimiento general para la atención de fuego, explosión, inundación, colapso estructural, tormenta, sismo y descarga descontrolada de combustible, materia prima o producto, avalado por la Dirección General de Protección Civil del Estado.5.2 De regulaciónDeberá contar con número de registro ante el Consejo Estatal de Ecología en el Padrón Estatal de productores del ramo.5.2.1 Deberá presentar al Consejo, las mediciones y análisis de las emisiones contaminantes a la atmósfera, conforme a los procedimientos de muestreo y cuantificación establecidos en la Norma aplicable y realizarlas con la frecuencia y métodos de evaluación establecidas para fuentes fijas.5.2.2 Deberán ser realizadas, las mediciones de emisiones contaminantes al ambiente, por una empresa registrada ante el Consejo Estatal de Ecología.5.2.3 Deberá realizar un monitoreo perimetral, cuando por las características del proceso, combustible o equipo de combustión empleado, no se ajuste a lo establecido en esta Norma, a fin de determinar la calidad del aire en la zona, cuyos resultados deberán ser enviados al Consejo Estatal de Ecología del Estado para ser evaluados, quien a su vez determinara los ordenamientos técnicos correspondientes.5.2.4 Deberán aplicarse las medidas de control que el Consejo Estatal de Ecología determine para mitigar la contaminación producida por la actividad a que se refiere la presente Norma, en el caso de que la calidad del aire no cumpla con los parámetros establecidos en la normatividad ambiental vigente, resultado del análisis de los estudios presentados en dicha zona.5.2.5 El sistema de monitoreo deberá cumplir y enmarcarse dentro de las especificaciones que al respecto establecen el reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en materia de prevención de la contaminación de la atmósfera y sus Normas Oficiales Mexicanas de monitoreo, así como las Normas Oficiales Mexicanas para evaluar la calidad del aire.5.3 SeguridadEl Consejo podrá en todo momento tener la facultad de restringir los horarios de producción y los intervalos de tiempo de quemado y/o suspender total o parcialmente por el tiempo que estime pertinente, toda actividad o proceso, como medida preventiva sobre posibles contingencias ambientales.Para efectos del párrafo anterior, el Consejo podrá requerir el apoyo de los Ayuntamientos involucrados, a través de las Unidades Municipales de Gestión Ambiental o de la instancia encargada de los aspectos ambientales del municipio, en los casos que se consideren necesarios.5.3.1 Deberán operar los sistemas de control de emisiones contaminantes a la atmósfera, con la eficiencia necesaria para cumplir con los límites de emisión que contemplan las Normas Oficiales del municipio y las Normas Técnicas Ecológicas Estatales aplicables.5.3.2 Deberá participar el representante y/o propietario en los planes de contingencia que instrumenten las autoridades, con el fin de controlar la contaminación que se presente por condiciones meteorológicas desfavorables o emisiones extraordinarias no controladas.5.3.3 Deberán utilizar los operadores del horno y equipo de protección adecuados a su actividad.5.3.4 Deberán contar con extintores suficientes y adecuados al combustible empleado por horno y conocer su manejo en caso de siniestro.5.3.5 Deberán estar los tanques de almacenamiento para combustible en un lugar bien delimitado a una distancia prudente del horno con piso de concreto, techado y cercado, para evitar un manejo inadecuado.5.3.6 Deberán estar las mangueras y tubería del sistema de quemado, protegidas de la corrosión y el deterioro causados por las condiciones climatológicas.5.3.7 Deberá evitar el colocar tubería o mangueras subterráneas que conduzcan gas L.P.5.3.8 Deberá instalar en todas sus áreas de trabajo letreros visibles de seguridad.

Como bien se puede observar el seguir esta normativa garantiza una eficiente realización del diseño del horno vertical, evitándose posteriores complicaciones que puedan traer consigo la implementación del horno.Debemos añadir también que en nuestro medio más que todo se encuentran vigentes normas relacionadas al tema ambiental y seguridad ocupacional, tales como la norma ISO 14000:14001, entre las cuales se pudo observar que la norma anteriormente presentada, presenta cierta similaridad, por lo tanto también se llega a satisfacer las normas vigentes en nuestro territorio.

FASE 2: CONCEPTUALIZACION Y ALTERNATIVAS DISEÑO CONCEPTUALUna vez que tenemos el concepto claro del horno de diseño, requerimos un breve resumen de las necesidades de nuestro usuario para que a partir de ellos generemos ideas de cómo cubrirlas.

Reducir la cantidad de desperdicio

Tiempo de cocción

Combustión incompleta

Mal aprovechamiento de energía

1.1 Innovación sistemática TRIZ

Objetivos Valoración

1 Reducir cantidad de desperdicios 9

2 Disminuir el tiempo de cocción 7

3 Mejorar el aprovechamiento del combustible 6

Evitar la perdida de calor por las paredes

Restricciones

4 Presupuesto limitado 8

5 Cantidad de ladrillo por serie reducido 5

7 Materia prima deficiente de ladrillo crudo 6

Criterios TRIZ

Los conflictos y contradicciones deben ser eliminados

Solución ganar-ganar

Idealidad: implementar coste pequeño

Sin generación de efectos perjudiciales

Generar beneficios extras

Contradicciones dentro el diseño

Contradicción Causa Efecto positivo Efecto negativo

1 Pre-cocido

Mejor asimilamiento de calor en el horno por parte de ladrillos.

Incremento de tiempo total de cocido.

2

Tamaño vertical del horno principal.

Mayor capacidad de producción.

Daño de ladrillos crudos dentro el lote.

Análisis de recursos

Tiempo Tiempo de carga al horno, tiempo de cocción, Tiempo de descarga.

Espacio Se cuenta con el espacio suficiente para la implementación de cualquier horno.

Sistema Se tiene un diseño nuevo para el sistema actual de funcionamiento del horno.

Sistema ambiente Contamos con buena aceptación de parte de los encargados de la producción de ladrillos.

Supersistema: Similar/Idéntico/Inverso

Existen varias productoras que producen similar calidad de ladrillos.

Estrategia de generación de soluciones

Estrategias de solución basadas en el principio de “Extracción”

1 Instalar chimenea alrededor del eje

2 Utilizar ladrillo refractario como estructura del eje del horno

3 Instalar un tornillo sin fin mecánico de traslado.

4 Utilizar quemadores a gas

5 Establecer direcciones de distribución de llamas

6 Incluir válvulas reguladoras de calor en los quemadores

Diagrama conceptual que da respuesta a las necesidades.-Este cuadro mostrara los subsistemas que incorpora el horno de cocción de ladrillo en tres fases:

a) Situación actual en el mercado

b) Configuraciones de acuerdo al nuevo diseño

c) Modelo del producto global

v

2. GENERACION DE ALTERNATIVAS

Sistema de salida de gases de combustión

Aislamiento del calor

Transporte de lote a lo largo del horno

Direccionamiento de tiro de flujo de

calor

Graduar intensidad de flujo de calor

Sujeción de lotesPost-cocción

CONCEPTUALIZACION SITUACION ACTUAL

Huecos aleatorios

Ladrillo gambote común

No existe

Aleatorio

Mediante cantidad de combustible

No existe

Combustible Carbón y otros

CONFIGURACIONES

Chimenea paralela al eje

de cocción

Ladrillo refractario

Pluma mecanica

Mediante un tiro invertido de

llama

Válvula reguladora

Perfiles de acero

Gas y aire

Modelo del producto global

2.1 Alternativa 1Análisis de falla-solución

FALLAS SOLUCION

Perdida de calor y energíaCambiar los ladrillos de arcilla comunes por ladrillo refractario solo alrededor del eje del horno.

Sistema de salida de gasesImplementar dos chimenea de salida de gases paralélelos al eje de cocción

Distribución de calor en el eje del horno

Quemadores de gas colocados estratégicamente

Desperdicios generados

Cumplimiento de la curva de cocido a lo largo del horno mediante la regulación del flujo de calor en los quemadores.

Ineficiencia en la descargaCarro con rieles que transportan la serie de ladrillos conforme cuecen los ladrillos

Vida útil del horno Incremento del espesor de paredesCantidad producida Eje vertical de producción continua

Boceto Alternativa 1

2.1 Alternativa 2

FALLAS SOLUCION

Perdida de calorCambiar los ladrillos de arcilla comunes por ladrillo refractario solo alrededor del eje del horno.

Sistema de salida de gasesImplementar dos chimenea de salida de gases paralélelos a cada eje de coccion

Distribución de calor en el eje del horno

Quemadores de gas colocados estratégicamente

Desperdicios generadosCumplimiento de la curva de cocido a lo largo del horno mediante la regulación del flujo de calor en los quemadores.

Ineficiencia en la descarga Carro con rieles que transportan la serie de ladrillos conforme cuecen los ladrillos

Vida útil del horno

Incremento de espesor de paredes externas y la implementación de aletas externas que optimicen la estabilidad del tercer nivel de carga

Cantidad producida Dos ejes continuos de producción

Boceto Alternativa 1

Boceto de carro de descarga y tornillo sin fin

Análisis viabilidad

Viabilidad Alternativa 1 Alternativa 2

Comercial Si existe un grupo de productores de ladrillos dispuestos a probar el horno dadas sus características.

De la misma forma que la anterior alternativa existe un mercado potencial dispuesto a probar el horno.

Económica Este horno si bien tiene un costo mas alto que el actual su beneficio a la larga será mayor

Este horno al tener el costo mas alto entre las alternativas los beneficios a conseguir serán mayores principalmente por la capacidad de este

Técnica Se adecua a la capacidad técnica de la empresa por el mismo hecho que la empresa puede producir los ladrillos comunes para la estructura principal y los demás elementos son factibles en su abastecimiento.

Al igual que la primera alternativa se cuenta con ladrillos comunes para la estructura exterior y los demás elementos como ladrillo refractario aislante, tornillo sin fin son comunes en el mercado

Criterios de selección de alternativas

Criterios Alternativa 1 Alternativa 2

Tiempo de cocciónLogra reducir en gran medida

Lo reduce

Reducir cantidad de desperdicio

Se la consigue con la distribución uniforme de calor por la ubicación quemadores

Si es factible con la llegada uniforme de calor en el eje del horno

Calidad de ladrilloEste dependería de la regulación de calor de los quemadores

Al ser regulables los quemadores se llega al requerimiento

Combustión incompletaSe logra con la utilización del gas como combustible

Utilización de gas como como combustible

Aprovechamiento de energíaMediante el uso de ladrillo refractario se optimiza el uso de energía

Mediante el uso de ladrillo refractario se optimiza el uso de energía

FASE 3: DESARROLLO DE LA ALTERNATIVALos aspectos más importantes en el diseño del horno son los siguientes:

- La selección de los materiales de construcción

- La disposición de los materiales en las paredes del horno

- El manejo de los gases de combustión dentro del horno

- El arreglo de los ladrillos a cocer el horno

- La determinación del numero de cámaras y la capacidad de carga

Variables de diseño de hornos La construcción de hornos para ladrillos consiste en estructuras relativamente sencillas, en las que no se encuentran gran dificultad en su construcción una vez que se cuenta con un diseño que cumpla con todas la necesidades del proceso. En el diseño de hornos se busca que los materiales de construcción retengan la mayor cantidad posible de calor, y que se distribuya de manera uniforme en las cámaras de cocimiento. Por otro lado el calentamiento debe buscar el mejor aprovechamiento del combustible empleado a través de quemadores tiempos de secado adecuados.Puntos críticos del Horno Vertical

- la mayoría de las capas de fondo tienen que soportar la carga total de la pila. Por lo tanto, especial atención se ha de tomar a las tolerancias dimensionales, la fuerza y contenido de humedad de los ladrillos.

- Un horno de cocción continúa con cada carga y descarga de proceso que ocurre dentro de 1,5 a 2 horas de intervalo. Así pues, la coherencia rigurosa en operación nocturna de carga y descarga se considera un inconveniente añadido.

Descripción del Horno Vertical- El horno vertical es como la estructura de un edificio, con una vida útil de más de 15 años.

Dentro de un techado y reforzada (Opcional), dos ejes de forma horizontal, bien aislados.

- El eje es cuadrangular en sección transversal con un tamaño nominal es de 1.5 x 1.5 m, y aproximadamente 5,5 m de altura. La cara interna es de revestimiento de ladrillos refractarios en toda la altura. La forma exacta y el tamaño de los ladrillos refractarios ayuda a mantener la verticalidad, del eje, además de ser un excelente material de resistencia al calor que resiste el fuego.

- En cada eje se carga desde la parte superior con un total de 5000 ladrillos.

- En la parte inferior, los lotes de ladrillos luego de la cocción descienden utilizando un carro de descarga, que se desplaza sobre rieles a lo largo de la longitud del túnel de descarga. Subir y bajar del carro se realiza mediante un solo tornillo de descarga mecanismo. Para la descarga, el carro se levanta de manera que toda la pila de ladrillos en el eje descansa en ella.

- En la base de cada eje es un túnel de descarga de arco, que pasa por el centro del horno. Permite el acceso a ambos lados de la base del eje de tiro y contiene los equipos de descarga.

- Idealmente, el intervalo de tiempo de descarga es cada 1,5 a 2 horas, el tiempo de cocción de todos los ladrillos para cada eje es de 4 horas.

- La temperatura de cocción de los ladrillos tiene un rango de 900ºC a 950ºC, pero con la que se trabaja es de 900ºC.

- La eficiencia energética de un horno de eje vertical de ladrillo se basa en el principio de la corriente de convección del aire, gases de combustión calientes que suben y pasan a través de los ladrillos y utilizar el calor en el secado de ladrillos. Esta recuperación del calor sensible para la energía es de alta eficiencia para horno.

- El diseño del eje y las técnicas de cocción genera suficiente calado para asegurar una combustión completa y eficiente de combustible. Temperatura de cocción, tiempo de reposo a la temperatura máxima y la circulación de la zona de fuego se puede controlar fácilmente a través de la parte superior.

- Para los humos de combustión se tienen dos sistemas de chimeneas

- El apilado de los ladrillos en el eje es controlado por la variación en la densidad de espaciamiento de los ladrillos durante la carga, ya que en el apilado la distancia de ladrillo a ladrillo tiene un intervalo de 1.5 a 2 cm.

- Minimizar las pérdidas de calor aumenta la eficiencia energética del horno. Un relleno de pullas rotos, escombros y cenizas de carbón quemado aísla el horno entero.

Horno vertical para la cocción de ladrillos para gambote

Tercer nivelZona de carga del ladrillo

Segundo nivelZona de cocción principal

Primer nivelZona de enfriamiento

Primer nivelZona de descarga

Mantenimiento

El mantenimiento del horno es considerablemente bajo, el único gasto es el mantenimiento menor de temporada de los carros de descarga y el sistema de gato de tornillo. El otro gasto está en la pintura y la armadura de techo de menor importancia y el revestimiento refractario interno, respectivamente.

Ventajas del horno de ladrillo de eje vertical- Los ladrillos son mejores y de calidad siempre uniforme, en condiciones de

funcionamiento estable.

- El horno es extremadamente compacto que ocupan muy poco espacio.

- Tiene una alta flexibilidad en la operación. La tasa de producción puede ser ajustada en base a la demanda del mercado.

- El horno es simple y fácil de construir. Los costos de mantenimiento son nominales. No requiere una fuente de alimentación externa, a excepción de la iluminación eléctrica durante la operación de la noche.

- Es ideal en zonas con buena calidad de los suelos.

FASE 4.- INDUSTRIALIZACIONEsta fase esta relacionada con la ingeniera del producto, esta a su vez se relaciona con el diseño del producto donde se concreta totalmente el producto, primordialmente se trata de efectuar modificaciones o adaptaciones en relación a las necesidades de la ingeniería de

producto para reducir las dificultades en la industrialización, propias de los materiales, los procesos de fabricación y montaje.En base a los requerimientos de los clientes ya mencionados, las necesidades de la ingeniería del producto se traducen en los siguientes cambios para el horno de cocción de ladrillo:Factores estéticos.-

a) Forma.-

Se mantiene el diseño vertical del horno para la cocción de ladrillo, siendo este un diseño innovador, que consta de manera general de dos secciones de carga en la parte superior del horno y dos de descarga en la parte inferior del horno en forma de arco por donde ingresa los correspondientes carritos de descarga. Con respecto a los ejes en el interior del horno en donde se da la cocción de los ladrillos crudos estos serán dos ejes, es por eso que se tiene dos sistemas de descarga de ladrillo y no uno como se pensaba anteriormente, esto con la finalidad de obtener un mayor rendimiento en cantidad, en la obtención de ladrillos cocidos.Pero el hecho de considerar dos ejes de cocción en el horno nos lleva a una situación de incrementar las dimensiones del horno que se pretendía diseñar anteriormente. Este incremento debe estar dentro el marco del presupuesto con el que se dispone para su realización por tanto su regulación y control será importante para los que diseñaran el horno como para el usuario o productor.Se usara cuatro chimeneas cuya ubicación se encontrara en la parte superior del horno dispuestas en los lados opuestos de los dos ejes, además cabe mencionar que las chimeneas atraviesan el tinglado la misma que proporcionan protección al horno en épocas de lluvias y del sol al operario.Este sistema de escape de los humos de combustión bien puede ser un factor importante en temas de salud para el operario, no tener en contacto al operario con los humos de combustión.

b) Textura.-

Cada material tiene una textura diferente, existen varios tipos de textura: como los táctiles, visuales, naturales y artificiales, las texturas táctiles presentan un mayor protagonismo en el diseño industrial ya que son evaluadas por los sentidos del tacto y la vista esto al tocar y al observar la textura de los objetos. Además de que provocan una sensación de aceptación o rechazo por parte del usuario ya que influyen de manera directa en los sentidos de las personas. En nuestro caso el material del cual estarán construidas las paredes externas del horno estas serán de ladrillo gambote, el ladrillo gambote presenta una textura rugosa irregular y de diferentes colores que producen un mayor efecto de movimiento visual, llamando la atención de las personas, que la consideran extraña y atrayente a la vez.

Haciendo una comparando con el ladrillo visto, este presenta una superficie de textura lisa y uniforme, que producen una sensación visual estática, influyendo de manera negativa en las sensaciones de atracción en la persona.

c) Color.-La aplicación del color es una herramienta del diseño industrial que contribuye a definir la apariencia del objeto y es un factor muy importante en la primera impresión del usuario del producto.En nuestro caso la aplicación del color a nuestro producto no debe ser visto como un producto que se pueda manipular como una lata de refresco donde el color define su aceptación en el mercado sino como un producto de grandes proporciones en cuanto a dimensiones y peso que no puede ser manipulado. Además de que para nuestro usuario le es irrelevante este factor ya que no forma parte de sus requerimientos y no afecta en nada al desarrollo del proceso productivo de cocción de ladrillo. d) Dimensionalidad.-El horno presenta una forma geométrica del tipo paralelepípedo rectangular cuyas dimensiones son 9x4.5x10 las cuales son funciones directas de la capacidad de producción del horno es decir cuánto produce el horno en un periodo determinado sea este semanal, mensual, semestral, etc.Sin olvidarnos de los costos considerado como factor importante y decisivo que puede influir de manera directa en este tipo de geometría, ya que su realización depende de la inversión es decir del presupuesto con el que se cuenta para su ejecución. e) Materiales.-

Los materiales usados en la construcción del horno se muestran a continuación con su respectiva modificación en algunos casos:Destino Material actual Material modificadoPared externa del horno Ladrillo gambote Ladrillo gambote

Paredes de la sección de cocido

Ladrillo de arcilla común Ladrillo refractario

Pilares de soporte del horno

Mescla de cemento, arena y graba

Mescla de cemento, arena y graba

chimenea Ladrillo gambote Ladrillo gamboteDivisiones dentro el horno Ladrillo gambote Ladrillo gamboteComplementos del ladrillo Mescla de cemento, arena y

grabaMescla de cemento, arena y graba

f) Acabados.-Lo que se busca en este punto es que el dimensionamiento del horno vertical tenga una buena simetría en todos sus perfiles es decir que se cumpla las verdaderas dimensiones del horno. En el caso de una de las paredes externas del horno esta debe terminar a un solo nivel o sea que no presente alteraciones en el sentido de que un ladrillo este mas sobresalido que los otros o bien mas metido. Mas allá de esto no se puede realizar un acabado aplicado como para un marco de una pintura más bien estamos hablando de un equipo con tendencia a acabados de una construcción civil.

Ergonomía en el diseño.-Al diseñar un producto, los diseñadores diseñan también la actividad del usuario, estas actividades en muchos casos difieren con las actividades del diseñador, por ello se dice que el diseñador no toma en cuenta el modelo humano de la actividad (operatividad del producto) durante la proyección de su diseño.Por lo tanto se sostiene que la ergonomía deberían estar presente durante todo el proceso de desarrollo de un producto, desde las etapas de diseño hasta las etapas de fabricación, de modo tal que si se requiere modificaciones del diseño durante alguna etapa de fabricación, esta podría realizarse sin perjudicar al usuario final.La ergonomía en su relación con la actividad del usuario respecto al producto implica diversos aspectos. Entre los más importantes y básicos tenemos: seguridad del producto, comodidad y placer, métodos ergonómicos, diseño de nuevos productos y temas conceptuales para el análisis de las actividades del usuario.Seguridad del producto.-Las condiciones que presenta la operación del horno vertical hace necesaria la implementación de un Plan de Seguridad Industrial para las personas que laboran en el horno para resguardar su vida y su salud con el fin de evitar riesgos laborales y pérdidas.Basados en las Normas OSHA debemos realizar normas de seguridad e Higiene tanto en el lugar de trabajo, equipo, operación, ropa de protección y primeros auxilios.Lugar de trabajo

Identificación y señalización de zonas donde se encuentran insumos, equipos, etc.

Identificación y señalización de zonas en caso de desastres sismos.

Equipos, mantenimiento preventivo

Programa de mantenimiento de sistema de carga de ladrillos crudos

Programa de mantenimiento de la lectura de las termocuplas.

Programa de mantenimiento del sistema de carga de ladrillos cocidos.

Operación. Para ello debe de contar con elaboración de procedimientos de trabajo los cuales se encuentran en el anexo.

Operación de armado y carboneo de ladrillos crudos.

Control de temperaturas

Operación de descarga y clasificación de ladrillos cocidos.

Equipo de protección personal Mascarillas con filtros para gases de combustión y polvo

Cascos de seguridad

Guantes Súper Reforzados de cuero y de caña alta

Armes de Seguridad

Manga de cuero para el operador que realiza la descarga.

Primeros auxilios Los operarios deberán tener un conocimiento básico sobre primeros auxilios.

Se implementar un botiquín de primeros auxilios

Las condiciones en que se realizan las actividades repercuten profundamente en la eficiencia y rapidez del desarrollo de las actividades en la operación del horno vertical.

Comodidad y placer.- Los productos no solo deben ser seguros sino también placenteros, para quien los compra

y usa. Se puede decir que productos que proveen una buena facilidad de uso al usuario puede proveer comodidad y placer.

En nuestro caso se debe brindar comodidad al operario ya que este se encarga del funcionamiento del horno y placer al productor ya que este busca obtener un beneficio por la adquisición del horno.

La comodidad y el placer dependen de respuestas subjetivas es decir personales por parte del operario como del productor o dueño del negocio, de esta manera el uso de técnicas como la entrevista elaborada por un cuestionario permite averiguar del operario, lo que para el significa cómodo y lo que no es cómodo. En el caso del productor igual se debe esperar el verdadero rendimiento del horno y así saber si es placentero o no al productor.

Por tanto el diseño del horno debe partir del hecho de que cada etapa de funcionamiento del horno se debe considerar a la ergonomía como un factor que incremente el

desempeño en cada sección del horno, pensando siempre en mejorar las condiciones de trabajo y tratando de mejorar el rendimiento del trabajador.

Métodos ergonómicos.- Existen una variedad de métodos en ergonomía. Probablemente, los de mayor interés

para el Diseño de Productos son aquellos relacionados a la evaluación de la utilidad de los productos en general y de sus características.

Pero en nuestro caso la evaluación de la utilidad de nuestro producto y sus características esta influenciado por determinar en que medida el horno vertical ha alcanzado nuestros objetivos traducidos en las necesidades del usuario final.

La utilidad del horno vertical depende en que medida este puede mejorar la forma de cocción de los ladrillos comparada con los hornos tradicionales, comparando la forma de realizar el trabajo, condiciones de trabajo, comodidad y placer entre otros.

Las características del producto son en si los atributos del producto que se pueden clasificar en atributos intrínsecos y extrínsecos. Los atributos intrínsecos relacionados con las características internas del producto en nuestro caso la cocción de los ladrillos crudos en el eje del horno, la distribución de los lanza llamas en el eje del horno, el sistema de escape de los humos de combustión hacia el exterior del horno, el tipo de aislante a utilizar, entre los mas importantes.

Los atributos extrínsecos comprenden las características externas del horno como los ya mencionados anteriormente geometría, acabado, textura forma entre los más importantes.

Diseño de nuevos productos.- El diseño de productos innovadores requiere del uso de técnicas de valoración y

evaluación del usuario. La más empleada en el campo de la ergonomía es la entrevista estructurada por un cuestionario hacia el usuario, siendo una técnica efectiva por no decir la mejor, con este método se puede obtener una información más detallada, clara y precisa de las características que debe tener el producto, comparado otros métodos.

ANEXO1 :BALANCE DE ENERGIAS Y CALCULOS

BALANCE DE ENERGIAS

DATOS INICIALES:Cálculos para un eje de cocción5000 ladrillos gambotesm=2.5KgH=10%Donde: m: Masa del ladrillo crudo H: Porcentaje de humedad en el ladrillo crudo

a) Calor requerido por el ladrillo

m=5 000 ladrillos x 2.5Kg m=12 500 Kg. Ce=0.199 Kcal./Kg.ºK Ti= 15ºC= 288ºK Tf= 900ºC= 1173ºK Q1= (12 500 Kg.)(0.199 Kcal./Kg.ºK)(1173ºK-288ºK)

b) Calor requerido para evaporar humedad

m= (12 500 Kg.)(10%) m=1250 Kg ΔH=540 Kcal./Kg.

Q1= mCe ΔTDonde: m: masa de ladrillo crudo Ce: Calor especifico del ladrillo ΔT: Diferencia de temperatura

Q1= 2 201 437.5 Kcal.

Q2= m ΔHDonde: m: masa de ladrillo crudo ΔH: Entalpía de vaporización del agua

Q2= (1 250 Kg.)(540 Kcal./Kg.)

c) Calor perdido por las paredes

Para paredes rectangulares:

q= (K.ΔT)/L Q’= ΔT/ΣRe Q’= q.A

Donde: Q’: flujo de calor K: coeficiente de transferencia de calor Re: Resistencia al calor de cada material A: Área transversal al flujo de calor L: espesos de la pared Re= L/(K.A)

Datos iniciales: Klr= 1.5 W/(m.ºK)

Ta=950ºCTb=85ºC

45cm 20cm

EJE DEL HORNO

LADRI. REFRA.

Q’

LADRI.COM.

LEY DE FICK

q= -K.(VT)Donde: q: Densidad de flujo de calor K: coeficiente de transferencia de calor VT: Gradiente de temperatura

Q2= 675 000 Kcal

Klc= 0.72 W/(m.ºK) A= 6.3m^2

- Resistencia del ladrillo refractario

Rlr= (0.20m.)/(1.5 W/(m.ºK).6.3m^2) Rlr=0.02116(ºK/W)

- Resistencia del ladrillo común

Rlc= (0.45m.)/(0.72 W/(m.ºK).6.3m^2) Rlc=0.0992(ºK/W)

Reemplazo en Fick: Q’= ΔT/(Rlc + Rlr) Q’= (950ºC- 85ºC)/( 0.0992+0.02116) (ºK/W) Q’= 9 263.88 W

Q3= (9 263.88 W).(12600 seg.)Q3= 116 724 888 Joules

d) Calor absorbido por el carro (acero)

Calor total Q3=Q’. Δt Donde: Δt: tiempo de cocción

Q3= 27 884.59 Kcal

Q4= mCa ΔTDonde: m: masa del carro Ca: Calor especifico del acero ΔT: Diferencia de temperatura

m= 1500Kg Ca=0.107 Kcal./Kg.ºK Ti= 25ºC= 298ºK Tf= 900ºC= 1173ºK

Q4= (1500 Kg.)(0.107 Kcal./Kg.ºK)(1173ºK-298ºK)

e) Calor total requerido para cocción

Qt= Q1+Q2+Q3+Q4 Qt=2 201 437.5 Kcal.+ 675 000 Kcal + 27 884.59 Kcal + 140 437.5 Kcal.

Porcentaje de calor

QH: por chimeneasQP: por paredesQSA: calor sensible a la salidaQS: calor recuperado en zona enfriamientoQR: calor de raccion

Q4= 140 437.5 Kcal.

Qt= 3 044 759.6 Kcal.

Estimaciónes de tiempo de operacióna)Estimación por generación de calor de quemadores (calculo sin gradiente)

DATOS POR PUNTO DE FUEGO DEL QUEMADOR

-Tomamos la potencia media:

Pmed= Pmax + Pmin 2

Pmed=30000+120000 2

Pmed=75 000 Kcal/h

-Pot para el total de puntos de fuego del quemador aumentando un 25% de potencia

Quemador modelo BHS-L lateralRegulación del combustible con potencialidad máxima por punto de fuego de 120.000 Kcal./hPotencialidad mínima de 30.000 Kcal./h Caudal y presión del aire proporcionales con aire de combustión máxima por punto de fuego 200 Nm3/h

Alta velocidad de salida de humos (100-150 m/seg) con la consiguiente

turbulencia alta

EJE DE COCCIO

N

EJE DE COCCIO

N

Pot= (75 000 + 25%) x 8 quemadores Pot= 800 000 Kcal/h

-Relación general:

Pot= Q t

Δt

Δt= Q t Pot Δt= 3 044 759.6 Kcal 800 000 Kcal/h

EXPLICACION.-Haciendo una distribución constante de la temperatura a lo largo del tiempo el tiempo de cocción seria este pero este podríamos reducirlo utilizando los quemadores a su máxima potencia.

Estimación de cantidad de combustible a utilizar en la cocción

Caudal: A presión y temperatura normal Tomamos: Ǿ=200 m3/h

Ǿ= Volumen Tiempo de cocción

V= 200m^3/h x 3,81 h

V= 762 m^3 x 1 MPC 28,32 m^3

1 MPC = 1,7 Sus

Estimación de la eficiencia del horno

Δt= 3,81 horas

V=26,91 MPC

Tstack= 980ºCExair= 10%

AIRE REQUERIDO PARA LA COMBUSTION

GLP + 5,58 (O2 +3,76N2) 3,57 CO2 +4,02 H2O +20,97 N2

Base de cálculo: 1 m^3 de GLP, Peso molecular GLP= 50,91 Kg/Kmol Peso molecular O2= 16 Kg/Kmol

1m^3 GLP x ( 5,58x16)m^3 O 2 = 1,80m^3 O2

( 50,91x1)m^3 GLP

DETERMINACION DE H2O EN EL AIRE

Eff= 1.05

Vaire= 1,80 m^3 O2

Base de cálculo: Presión barométrica en Cochabamba: 560 mm Hg Humedad relativa promedio: 43 % Presión de vapor de agua a 16oC: 11.62 mm Hg vapor saturado Presión de H2O = (0.43)(11.62) mm Hg = 4.9966 mm Hg Presión de aire = P.barometrica – PH2O = (560-4.9966)= 555.01 mm Hg

mH2O =PH2O x masa de aire seco = 4.9966 x 11.328 Kg. H2O =0.102 Kg. H2O 555.01

Masa de aire húmedo = (11.44- 0.102Kg aire ) = 11.34 Kg. Aire humedo

DETERMINACION DEL FLUJO VOLUMETRICO DEL AIRE

Flujo volumétrico= Volumen Tiempo

Flujo volumétrico= 1,80 m 3 3.81 h

Flujo volumétrico=0.47 m3/h

Flujo volumétrico=0.277 pie^3/min

DETERMINACION LA POTENCIA DEL VENTILADOR

HP = 0.0001753 flujo de aire x perdida de carga Ŋ- Perdida de carga en cámaras de horno = 20 pulg. H2O – (Hornos yCombustibles Lobato).

- Perdida de carga despreciable cuando los ductos tienen longitudesmenores a 100 m.

- Rendimiento de motor en cochabamba = 72%

HP = (0,000175) (0.277) (20) = 1.45 ≈ 2.00 Hp

DETERMINACION DE LA ALTURA DE CHIMENEA

Relación Matemática: H = 3h+ (di + de)/3

Altura Interna del horno (quemadores de abajo): h = 2,5 m

Longitud del ancho del eje: di = 1.5 m

Longitud del eje a la chimenea: de = 0.5 m

H = 3(2.5) + (1.5 + 0.5)/3 = 8,12 m.

CURVA DE COCCION

A partir de la curva dilatometrica establecida por el tipo de ladrillo en nuestro caso (arcilla a base de sílice), ABCD al cual trazando un eje en la parte donde se dilata mas se obtiene la curva teórica de cocción A’BCD

Eje horno

di

C2

de

C1

h

H=8,00 m

Tomando como referencia datos experimentales de un horno a GLP par el proceso de cocción, consideramos las termocuplas insertadas en distintas partes del horno, para así tener en cuenta en los lugares donde no suele llegar la transferencia calor.

T1: por encima de quemadoresT2: al frente del apilado a media altura centradoT3: parte superior frontal del ejeT4: parte central inferior del hornoT5: centro del hornoT8: parte media alta del ejeT9: esquina parte altaT10: centro de la penúltima capa superior de ladrillos

CURVA ESTATICA DE COCCION

0

200

400

600

800

1000

PORCENTAJ E EN TIEMPO 100%

TE

MP

ER

AT

UR

A

GRADIENTE DE TEMPERATURA ( VT )

Aplicamos balance de energía térmica para la conducción

ρCv ( ∂ρ + υ.VT ) = K.(V^2T) + φv α = K ∂t ρ.Cp

∂ρ =α (∂ ^2T ) + φv

∂t ∂x^2

hA (T∞-T) dt = Cp.ρ.VdT

-Integrando con los limite T=To a T=Tf

t=0 a t=t

GRADOS 25 100 500 700 920 920 900 700 500 100%TIEMPO 0 12 31 45 54 65 69 74 82 97

qx x+Δxqx x

Δxx x+ Δx

Δx

ΔyT∞

Ln(T∞- Tf )= -(hA )^t

T∞- To Cp. ρVDonde: T∞ : Temperatura que genera la llama del quemador To : Temperatura en el eje antes del encendido de los quemadores Tf : Temperatura a la que debe llegar todo el ladrillo para su coccion

RESUMEN TEORICO DEL PROCESO

Existen tres etapas:

a) Precalentado o de baja temperatura : En este caso se deben utilizar quemadores de gran velocidad para inyectar un gran volumen de gases a bajas temperaturas, se usan ventiladores para reducir la diferencia de temperaturas en la parte alta y baja del horno ,aumentando la tasa de transferencia de calor por convección, en esta etapa se produce una dilatación térmica en el ladrillo.

b)Zona de cocción o alta temperatura: En contrapartida en esta zona se debe realizar la transferencia de calor con ayuda de la radiación para ello es imprecindible tener regulado el quemador con una gran diferencia de temperatura entre la llama y su propio entorno.

c)Zona de sami enfriado: Esta se da por la eficiente actuación del tiro de flujo de aire que circula después del funcionamiento de los quemadores

Efectos en cada ladrillo

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA INGENIERIA INDUSTRIAL

DISEÑO DE UN HORNO VERTICAL PARA COCCION

DE LADRILLO

INTEGRANTES: VELASQUEZ CONDORI JUAN PABLO POMA CANO OMAR GROVER CARDOZO PERALTA MAURICIO SOLIZ GUTIERREZ JUAN PABLODOCENTE: MALDONADO PASCUAL

MATERIA: DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORAFECHA: 27 DE NOVIEMBRE DE 2009