Modelación computacional de la transferencia de calor en hornos túneles con calentamiento radiante eléctrico

Abstract

El siguiente trabajo tiene como objetivo el desarrollo de un programa computacional que simule la transferencia de calor en un horno túnel con resistencias eléctricas. Para esto, primero se investigan los detalles constructivos y los materiales empleados en hornos de este tipo. Luego, se realiza un análisis de transferencia de calor de acuerdo con un modelo que se divide en tres partes, según los subsistemas más relevantes del horno: interior con intercambio radiativo, paredes con pérdidas de calor y la carga con difusión de calor. El sistema de estudio se establece como un prisma prolongado del cual se discretizan todas sus superficies, con el objetivo de llevar a cabo el intercambio. El interior de la carga también se discretiza para resolver la ecuación de calor a través del método de Euler implícito (diferencias finitas). Los múltiples sistemas de ecuaciones resultantes se acoplan mediante las temperaturas o los flujos de calor. Posteriormente, se establece un algoritmo de resolución compuesto por tres ciclos anidados que convergen de acuerdo con un valor de tolerancia definido para cada loop. Los sistemas lineales del intercambio radiativo y de la difusión de calor se resuelven con el método iterativo de Gauss-Seidel. El algoritmo se implementa en lenguaje Python, validándose en dos escenarios simplificados: un horno piloto con intercambio radiativo y pérdidas asociadas a las paredes, y una pared que recibe un flujo constante de calor, tomando como referencia las ecuaciones de pared semiinfinita. Los resultados de la validación dan cuenta de valores esperados dentro de márgenes físicos y órdenes de convergencia de acuerdo con los métodos ocupados. Finalmente, se llevan a cabo tres ejemplos de aplicación con curvas de calentamiento de tratamientos térmicos comunes, entregando todos los resultados para cada caso. Éstos son: curvas de calentamiento de temperaturas y flujos, temperaturas internas y externas de las paredes del horno, eficiencia local, diferencias internas y los perfiles de temperaturas transientes al interior de la carga en su desplazamiento por el horno. Se concluye con una revisión de los parámetros auxiliares ocupados, la utilidad de los resultados y las líneas de trabajo aplicables al programa.