Simulación de la transferencia de energía en hornos monoestrato de rodillos para la cocción de baldosas cerámicas

Resumen

La etapa de cocción es, en muchos aspectos, la más importante del proceso de fabricación de baldosas cerámicas. En la cocción se producen cambios microestructurales en las baldosas que les proporcionan sus propiedades y aspecto finales. En el sector español, la cocción de baldosas cerámicas se realiza, desde los años 1990, casi exclusivamente en hornos monoestrato de rodillos, utilizando gas natural como combustible. Se desarrolló un modelo matemático, basado en el método zonal, que permite simular la transferencia de energía en la cocción de baldosas cerámicas en hornos de rodillos. El método zonal requiere, en primer lugar, descomponer el horno en un conjunto de zonas, que pueden ser volúmenes o superficies, lo suficientemente pequeñas como para poder ser consideradas isotermas. La descomposición del horno de rodillos en zonas consistió en una división longitudinal en sectores, constituidos por zonas de diversos tipos: gases, baldosas, paredes y rodillos. El método zonal permite calcular el intercambio de radiación térmica entre las zonas de manera rigurosa, lo que involucra el cálculo de tres conjuntos de áreas de intercambio, las cuales incorporan de manera gradual las propiedades radiantes de los elementos del sistema. Las áreas de intercambio directo son las más costosas desde el punto de vista computacional. Para conseguir que su cálculo fuera eficiente, se desarrollaron analíticamente las integrales múltiples que definen a estas áreas de intercambio, de manera que todos los posibles intercambios pudieron expresarse en términos de integrales simples o dobles. Además, se propuso un algoritmo de integración adaptativo, basado en una cola de prioridades, que permite evaluar las integrales resultantes de manera eficiente. Tras plantear el intercambio radiativo entre las zonas, pudieron formularse balances de energía para cada una de ellas, incorporando otros flujos de energía, tales como los flujos de entalpía o el intercambio convectivo. Son muchos los términos que deben contemplarse en los balances de energía. Por ejemplo, para las baldosas, debe tenerse en cuenta el transporte de energía a su través por conducción, las reacciones químicas endotérmicas que éstas experimentan e incluso la liberación de especies gaseosas a los gases. Los balances de energía planteados para cada zona constituyen, colectivamente, un complicado sistema de ecuaciones no lineales. Se desarrollaron dos algoritmos que permiten resolver dicho sistema. El primer algoritmo permite calcular la temperatura de todas las zonas, partiendo de las dimensiones del horno, de las propiedades de los materiales y de los flujos de materia entrantes (incluyendo los caudales de combustible y comburente). En el segundo algoritmo, se especifican temperaturas de consigna para los gases en lugar de los caudales de combustible en cada quemador, siendo estos últimos un resultado del cálculo. Para validar el modelo, se llevaron a cabo una serie de determinaciones experimentales en tres hornos industriales, bajo condiciones normales de operación. Se recabaron todos los datos de entrada necesarios para poder efectuar el cálculo de las temperaturas de las zonas, las cuales se compararon con valores experimentales. Las máximas diferencias entre las temperaturas experimentales y las teóricas fueron inferiores al 10 %. Una vez comprobada la validez del modelo, se realizaron una serie de simulaciones orientadas principalmente a estimar el efecto de modificar ciertas variables de proceso sobre el consumo energético del horno. Las variables estudiadas fueron: la temperatura del aire comburente, el espesor de las baldosas, la duración del ciclo de cocción, la temperatura máxima de cocción y el contenido en carbonatos en la composición. En todos los casos, se estudió la interacción de la modificación de dichas variables con el exceso de aire, debido a que industrialmente el caudal de aire comburente suele permanecer fijo. Las simulaciones permitieron valorar el peso relativo de las variables estudiadas sobre el consumo energético del horno. Considerando unos intervalos de variación realizables industrialmente, el exceso de aire y el espesor de las baldosas resultaron ser las que más influencia tienen sobre el consumo de energía por unidad de producto.