Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión.

Escuela de Diseño
Tesis
Análisis térmico para
diseño de horno por
convección forzada para
vitrofusión.
Que para obtener el título de la:
Licenciatura en Diseño
Industrial
Presenta:
Ma. Eugenia González
Gollaz
Acuerdo: 2002192 León, Gto. 2015

i
UNIVERSIDAD DE LA SALLE BAJÍO
ABSTRACT
ANÁLISIS TÉRMICO PARA DISEÑO DE HORNO POR
CONVECCIÓN FORZADA PARA MANEJO DE LA TÉCNICA DE
VITROFUSIÓN.
Por: Ma. Eugenia González Gollaz
Lo que a continuación se presenta, trata de una investigación
realizada para impulsar la técnica de manejo de vidrio a alta
temperatura denominada como vitrofusión, a través del análisis
térmico de un horno en distintas situaciones en el que se pondrá a
prueba la convección forzada para realizar la propuesta de mejora
de un horno.
El siguiente trabajo habla sobre las razones las cuales me
impulsaron a realizar esta investigación, se plantea la problemática
que se percibe al trabajar con un horno de resistencias, el cual
consiste en la mala distribución de calor dentro de la cámara de
cocción que tiene como consecuencia desperfectos en las piezas y
desperdicio de calor.
Las premisas obtenidas del análisis del manejo de un horno de
resistencias eléctricas que fueron cuestiones de ergonomía,
proceso y resultado en piezas centraron la problemática para
después obtener vertientes las cuáles, permitieron tener un criterio
para realizar un estudio de referentes que fueron dos fabricantes
líderes en hornos de resistencias para la técnica de vitrofusión y
cerámica; Skutt y Olympic Kilns. Posteriormente se generó una
hipótesis sobre aspectos que mejorarán la repartición de calor
dentro del horno, cuestiones de uso, ergonomía y transferencia de

ii
calor. Al generar está hipótesis se plantea el uso de una
metodología adoptada para llegar a la validación bajo un esquema
concluyente.
De igual manera, se invita al lector a introducirse a esta técnica de
manejo del vidrio, pues se presentan datos referentes al marco
histórico sobre el uso de esta materia prima, aspectos sociales y
culturales, además de fundamentos del uso de esta materia prima
para despertar interés a los que no están familiarizados con el
tema, así como una referencia para los practicantes de esta
técnica.

iii
Índice
Capítulo 1: Estado de problemática 1
1.1. Motivación. 3
1.2. Definición de las áreas de investigación. 3
1.3. Establecimiento de la problemática. 4
1.4. Análisis de la problemática 5
1.5. Definición de objeto de estudio. 11
1.6. Justificación. 12
1.7. Referentes. 14
1.8. Hipótesis. 21
1.9. Postura de la investigación. 25
1.10. Objetivos de la investigación. 25
1.11. Estrategia de Investigación. 26
Capítulo 2: Antecedentes del vidrio e introducción a la
técnica de vitrofusión. 29
2.1. Marco histórico y social del vidrio. 29
2.2. Naturaleza del vidrio. 29
2.3. Tipos de vidrio. 29
2.4. Características y comportamiento del vidrio. 29
2.5. Procesos de las técnicas de la vitrofusión. 29
2.6 . Tipos de hornos y características. 29
2.7 . Ciclos de horneado. 29
Capítulo 3: Aspectos sobre termodinámica y transferencia
de calor. 49
3.1. Importancia de la termodinámica y transferencia de calor en la
industria. 52
3.2. Introducción a la termodinámica. 52
3.3. Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico. 52
3.4. Principios de la termodinámica. 54
3.5. Transferencia de calor. 56
3.6. Conducción. 56
56
Capítulo 4: Estudio comparativo entre hornos para
vitrofusión modelos: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC
209GFE 58
4.1. Objetivo del estudio de comparación. 60
4.2. Método y estrategia de experimentación para el estudio de
comparación. 60
4.3. Muestras para realizar experimentación. 61
4.4. Variables dependientes estudiadas. 63
4.5. Muestras en el interior de los hornos. 63
4.6. Estrategia de aplicación y recolección de datos. 64
4.7. Conclusión sobre comparación entre dos hornos para vitrofusión. 75

iv
CAPÍTULO 5: Desarrollo de la propuesta 78
5.1. Requerimientos de la problemática para ser solucionada 80
5.2. Requerimientos de la propuesta de solución para su ejecución 81
5.3. Documentación de la propuesta de diseño 93
5.4. Tablas técnicas complementarias y diagramas de flujo. 115
5.5. Memoria descriptiva 121
5.6. Análisis térmico para validación de hipótesis. 123
5.7. Tabla comparativa entre modelos existentes y
propuesta de diseño. 151
5.8. Cumplimiento de la hipótesis 154
5.9. Conclusiones finales 159
5.10. Prospectivas 164
Bibliografía 1
Glosario 2
Anexos 6

v
Agradecimientos
A mi familia por su apoyo incondicional y ejemplo.
A Carlos Sánchez Vega, por introducirme al mundo del vidrio.
A mis maestros por enseñarme a superarme.
Al Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) en especial al
Ing. Luis Manuel Arredondo Vega, por su tiempo, conocimiento y
asesoría.
A los Talleres de Diseño de la Universidad de La Salle Bajío, por su
confianza y tiempo.
A DIFAM por su asesoría.

1
Figura1. Fotografía
del interior de horno
skutt modelo km-
1227, fotografía
tomada por Joyce
Barba Ontiveros
Capítulo 1: Estado de problemática
1 1.1Motivación.
1.2Definición de las áreas de investigación.
1.3Establecimiento de la problemática.
1.4Análisis de la problemática.
1.5Definición del objeto de estudio.
1.6Justificación.
1.7Referentes.
1.8Hipótesis.
1.9Postura de la investigación.
1.10 Objetivos de la investigación
1.11 Estrategia de investigación.

3
1.1. Motivación
Mi mayor motivación para realizar esta investigación, es favorecer la actividad de
manipulación del vidrio como materia prima a través de la técnica conocida como
vitrofusión.
Con el paso del tiempo los trabajadores y conocedores de distintas técnicas de
manejo de vidrio a alta temperatura, parten de un aprendizaje del material y de su
transformación; por lo que se convierte en un reto conocer la manera en que
posiblemente reaccionará. Es por esto que, me propongo exponer un caso de
estudio en particular que beneficiará a próximos trabajos usando la técnica de
vitrofusión.
Debido a que este tipo de actividad abre oportunidades a PyMEs aprecio la
necesidad de crear una propuesta de mejora a un horno de resistencias que es la
herramienta básica para llevar a cabo esta técnica.
Siendo practicante de la técnica de vitrofusión, me permite generar una propuesta
de mejora a un horno a partir de una previa investigación, que suministra
información útil a otras disciplinas tales como la ingeniería en sus diversas ramas,
para explotar la idea y generar alternativas.
Al hablar del diseño de una máquina que mejora un proceso que está generando
capital económico dentro de nuestro país, es otro motivo el cual me motiva a
realizar esta investigación, porque así como la historia lo demuestra el diseño ha
contribuido en el crecimiento de la economía en diversos países.
1.2. Definición de las áreas de investigación.
Vitrofusión (palabras clave: fusionado, termoformado, diseño en vidrio)
Horno (palabras clave: cerámica, vidrio, eléctrico, producción)
Ergonomía (palabras clave: herramientas, trabajador, sistema)
Transferencia de calor (palabras clave: convección, conductividad, transmisión,
calor)
Termodinámica (palabras clave: calor, tiempo, transferencia, conducción, joule,
BTU)

4
1.3. Establecimiento de la problemática.
Lo ideal al trabajar una pieza de vidrio en un horno, es tener el mejor control sobre
la disipación de calor dentro de la zona de cocción.
El calor suministrado por las resistencias eléctricas es intervenido a través de un
controlador que puede variar de acuerdo al fabricante. El problema que se ha
identificado en diversas quemas efectuadas en hornos con características
similares, en cuanto a ser manipuladas por un controlador digital, poseer un
pirómetro y resistencias eléctricas, es que difícilmente se obtiene una repartición
de calor homogénea dentro de la cámara de cocción sin generar desperdicio de
calor, que repercute en el resultado final de producción. Antes del establecimiento
de un producto final se deben realizar previamente numerosas pruebas para
analizar el mejor acomodo de las piezas, retrasando el proceso.
El trabajo que implica desarrollar piezas usando la técnica de vitrofusión involucra
cuantiosa energía eléctrica, en cuanto a este problema se han creado alternativas
de generación de electricidad a partir de elementos naturales, pero existe otro
factor que se debe tomar en cuenta que es la generación de calor y su
desperdicio, se debe enfocar la solución a esta problemática, puesto que
beneficiaría tanto como a la producción en tiempo y número de piezas como al
medio ambiente.
Al referirnos al desperdicio de calor como una de las problemáticas planteadas,
se puede decir que gracias a las leyes planteadas por la termodinámica se conoce
que la fuente de calor más caliente por naturaleza va a tender a ceder su calor al
encontrar un cuerpo con menos calor. En el caso de los hornos para vitrofusión el
material aislante que se usa por mayoría es el ladrillo aislante, el cual por sus
características permite el resguardo del calor dentro de la cámara de cocción
teniendo una absorbancia baja, pero aun así se encuentra el desperdicio de calor,
ya que hasta por misma protección al usuario se recomienda no estar cerca del
horno en el momento en el que este es encendido por el riesgo a sufrir alguna
quemadura. El calor que es producido por las resistencias eléctricas, se transmite
a las piezas por el aire dentro del horno o por convección natural pero también
existe un porcentaje almacenado en los ladrillos.

5
Teniendo en cuenta que es costoso realizar una producción de piezas, se debe
encontrar la solución para que el calor se aproveche, se acelere el proceso sin
repercusiones en las piezas con la finalidad de economizar los recursos, optimizar
el suministro y reutilizar el calor que se desperdicia con fines de beneficio al medio
ambiente.
1.4. Análisis de la problemática
A continuación se hace referencia a los aspectos positivos y negativos que se
presentan al practicar la técnica de vitrofusión, estas premisas se obtuvieron a
partir de un análisis en el que se tomaron en cuenta: contacto ser humano-
máquina, aspectos técnicos del horno como herramienta y su importancia con el
vidrio, aspectos medio ambientales, eficiencia de trabajo y producción y por último
las características del vidrio.
ASPECTOS POSITIVOS
-Los hornos de resistencias son utilizados tanto para cerámicos como para
vitrofusión, por lo tanto pueden llegar a alcanzar más de 1000°C.
-El diseño del horno favorece la eficiencia en cada quema.
-Se realizan piezas de aspecto único que se adquiere a partir de la temperatura
que se maneje.
-Aprovechamiento de la energía.
-Generación de piezas únicas, por el diseño del horno.
ASPECTOS NEGATIVOS
-Se deben usar moldes completamente secos, de lo contrario provoca fallas o
rupturas en las piezas, como consecuencia una quema deficiente.
-Existen factores por los cuales las piezas bajan su calidad, como tipo de vidrio,
compatibilidad, coeficiente de dilatación, choque térmico, diferencia entre
velocidad y temperatura y material con el que interactúa.
-En cada quema se invierte mínimo dos días, hasta que el vidrio enfríe y no se
rompa, por lo tanto el proceso es lento.

6
-No es ergonómico el diseño de algunos hornos, pues implica malas posiciones
para introducir piezas pesadas dentro del horno.
-La disipación de calor dentro del horno no es del todo controlable; es necesario
experimentar hasta lograr una pieza definitiva.
Teniendo estas premisas lo siguiente es ponderar con un porcentaje la
importancia que se le considere a cada punto de acuerdo a la práctica y
conocimiento que se tiene de la técnica y su herramienta de trabajo. Se le asigna
un porcentaje para obtener un resultado total del 100%. Aquél aspecto que
obtenga un porcentaje mayor valdrá como guía para centrar la problemática a
estudiar.
En los aspectos positivos se le asignó el 60% a la importancia del diseño del horno
como variable dependiente que favorece la práctica de la técnica, puesto que la
transferencia de calor es a través de resistencias eléctricas el diseño del horno es
de suma importancia para la ubicación de algunas variables independientes que
pueden ser las resistencias eléctricas, termopares, pirómetro digital, vidrio, etc.
Por otro lado en los aspectos negativos la premisa que obtuvo mayor porcentaje
que fue el 55% menciona la importancia del control del calor dentro del horno. Al
tratarse de un horno eléctrico este control es a través de un pirómetro digital o
análogo.

7
Porcentaje Aspectos positivos Aspectos negativos Porcentaje
10%
Los hornos de resistencias
son utilizados para
cerámicos como para
vitrofusión, por lo tanto
pueden llegar a alcanzar
más de 1000°C.
Se deben usar moldes
completamente secos, de lo
contrario provoca fallas o
rupturas en las piezas,
como consecuencia una
quema deficiente.
15%
60%
El diseño del horno
favorece la eficiencia en
cada quema.
Existen factores por los
cuales las piezas bajan su
calidad, como tipo de vidrio,
compatibilidad y coeficiente
de dilatación, choque
térmico, diferencia entre
velocidad y temperatura y
material con el que
interactúa.
25%
10%
Se realizan piezas de
aspecto único que se
adquiere a partir de la
temperatura que se le
maneje.
En cada quema se invierte
mínimo dos días, hasta que
el vidrio enfríe y no se
rompa, por lo tanto el
proceso es lento.
5%
5%
Aprovechamiento de la
energía.
No es ergonómico el diseño
de algunos hornos, pues
implica malas posiciones
para introducir piezas
pesadas dentro del horno.
10%
15%
Generación de piezas
únicas, por el diseño del
horno.
La disipación de calor
dentro del horno no es del
todo controlable; es
necesario experimentar
hasta lograr una pieza
definitiva.
55%
100% TOTAL 100%
Esquema 1: Ponderación de porcentaje de valor de importancia.

8
Posteriormente se le da un valor de cumplimiento a cada premisa. Teniendo como
valor más alto el 4 y el más bajo 1. De lo cual se concluye que en cuanto a los
aspectos positivos, un horno de resistencias eléctricas puede ser diseñado para
usarse en otras técnicas como la cerámica y tener mejores beneficios a
comparación de un horno de gas pues se tiene mayor precisión en el suministro
de calor dentro de la cámara de cocción, otra premisa de los aspectos positivos
con mayor cumplimiento fue el de aprovechamiento de energía ya que se debe
diseñar la quema para tener un mejor aprovechamiento de espacio y por ende una
optimización de uso de energía eléctrica.
En los aspectos negativos se concluye la importancia de los requisitos técnicos de
los materiales para trabajarlos así como la importancia del control del calor a partir
de un pirómetro como valor de cumplimiento.

9
Valor Aspectos positivos Aspectos negativos Valor
4
Los hornos de resistencias son
utilizados para cerámicos como
para vitrofusión, por lo tanto pueden
llegar a alcanzar más de 1000°C.
Se deben usar moldes completamente
secos, de lo contrario puede provocar
fallas o rupturas en las piezas, como
consecuencia una quema deficiente.
2
2
El diseño del horno favorece la
eficiencia en cada quema.
Existen factores por los cuales las
piezas bajan su calidad, como tipo de
vidrio, compatibilidad y coeficiente de
dilatación, choque térmico, diferencia
entre velocidad y temperatura y
material con el que interactúa.
4
3
Se realizan piezas de aspecto único
que se adquiere a partir de la
temperatura que se le maneje.
En cada quema se invierte mínimo dos
días, hasta que el vidrio enfríe y no se
rompa, por lo tanto el proceso es lento.
2
4 Aprovechamiento de la energía.
No es ergonómico el diseño de
algunos hornos, pues implica malas
posiciones para introducir piezas
pesadas dentro del horno.
3
2
Generación de piezas únicas, por el
diseño del horno.
La disipación de calor dentro del horno
no es del todo controlable; es
necesario experimentar hasta lograr
una pieza definitiva.
4
Esquema 2: Ponderación de valor de cumplimiento

10
A continuación se realiza el producto del porcentaje y la ponderación evaluada,
teniendo esto como referencia se demuestra la importancia del diseño del horno
para una quema con mayor eficiencia, información obtenida a partir del análisis de
las premisas planteadas por el usuario.
Aspectos positivos Resultados
Los hornos de resistencias son utilizados para cerámicos como para
vitrofusión, por lo tanto pueden llegar a alcanzar más de 1000°C
.4
El diseño del horno favorece la eficiencia en cada quema. 1.2
Se realizan piezas de aspecto único que se adquiere a partir de la
temperatura que se le maneje.
.3
Aprovechamiento de la energía. .2
Generación de piezas únicas, por el diseño del horno. .3
Total 2.4
Esquema3: Evaluación del producto del porcentaje por la ponderación

11
1.5. Definición de objeto de estudio.
Por conclusión de este análisis se obtiene que la problemática se ha centrado por
su importancia y ponderación de cumplimiento, en el diseño del horno para una
mejora en la transmisión de calor y su control, para obtener un óptimo resultado de
producción de piezas.
La disipación de calor dentro de la cámara de cocción de un horno es manejable,
más no del todo controlable, lo cual repercute en fallas dentro de la producción de
piezas de vidrio en base a la técnica de vitrofusión, al igual que el desperdicio de
calor que se representa en pérdidas de energía eléctrica y alteraciones en el
medio ambiente.
Aspectos negativos Resultados
Se deben usar moldes completamente secos, de lo contrario puede
provocar fallas o rupturas en las piezas, como consecuencia una
quema deficiente.
.3
Existen factores por los cuales las piezas bajan su calidad, como tipo
de vidrio, compatibilidad y coeficiente de dilatación, choque térmico,
diferencia entre velocidad y temperatura y material con el que
interactúa.
1
En cada quema se invierte mínimo dos días, hasta que el vidrio enfríe y
no se rompa, por lo tanto el proceso es lento.
.1
No es ergonómico el diseño de algunos hornos, pues implica malas
posiciones para introducir piezas pesadas dentro del horno.
.3
La disipación de calor dentro del horno no es del todo
controlable; es necesario experimentar hasta lograr una pieza
definitiva.
2.2
Total 3.9
Esquema 4: Evaluación del producto del porcentaje por ponderación

12
1.6. Justificación
La producción de vidrio nacional, se caracteriza por su diversidad en productos y
porque es un medio para ampliar la creatividad artística en la producción de
objetos para decoración, pero realmente a comparación de otros países en
México estamos atrasados tanto en innovación como en tecnología.
La principal producción vidriera en el país se rige por la manufactura de envases y
ampolletas (INEGI)1
, el segundo grupo importante de producción es el de los
vidrios planos, lisos y labrados, en 1994 la industria manufacturera contribuyó con
el 1.48% del PIB y siguió registrando una tendencia baja, sólo de 1996 a 1998
registraron tasas positivas de crecimiento.
En el país el vidrio es competencia del PET y aluminio, ya que este material se
utiliza para envases de productos alimenticios, cerveza, vinos de alta calidad y
perfumes, en otros países se ha apostado en introducir lo más avanzado en
tecnología para producirlos con estrategias de calidad y diferenciación del
producto, que va de la mano con el éxito.
1 (INEGI) Anuario Estadístico de los Estados Unidos Mexicanos recuperado el 2 de Septiembre del 2014 de
http://www.inegi.org.mx/prod_serv/contenidos/espanol/bvinegi/productos/integracion/pais/histroicas/10/Tema11_sect
or%20Manufacturero.pdf
Figura 2: Vitro empresa líder de vidrio en México, imágenes obtenidas de la website de Vitro.
http://www.vitro.com/

13
En México no se ha avanzado lo suficiente en la fabricación del vidrio con alto
contenido tecnológico en el proceso, como ejemplo la industria de computación y
fibra óptica que son segmentos de la industria del vidrio especializado en países
como Estados Unidos, la Unión Europea y Japón.
En cuanto a la generación de empleo, la industria del vidrio ha registrado un
estancamiento en la industria manufacturera, el valor de producción en 19942
fue
del 1.85% y en el 2008 fue de 2.03%, en 1994 se emplearon a 142, 217
trabajadores y en el 2008 incrementó a 163 123, esto es un crecimiento del 1.05%
por año. La producción de vidrio plano, liso y labrado es la segunda más
importante en la generación de empleo, la fibra de vidrio por otro lado registró las
tasas más altas de crecimiento anual con el 15.31%.
En México según las estadísticas del sistema de información empresarial nacional,
en el 2009 existen 28 empresas productoras de envases y ampolletas, le siguen
las empresas productoras de espejos, lunas y equivalentes con 29, con un total de
41 empresas productoras de vidrio plano, liso y labrado y por último 172
empresas de fabricación de fibra de vidrio.
Otro problema con el que se enfrenta la industria vidriera son los altos precios del
gas natural, junto con problemas de transporte y tiempo de espera en las
aduanas, esto se trata de compensar con salarios bajos, así como la elaboración
de productos con un valor agregado bajo que se comercializan en mercados fuera
de las fronteras nacionales.
Se han estudiado estrategias para mejorar la industria vidriera, entre ellas, la
modernización de infraestructura, certificación ISO-9000 para estar en una
posición competitiva de empresas mundiales, incrementar capacitación de
personal, establecer programas de investigación en procesos industriales del
sector vidriero. Es necesario desarrollar programas para preparar tanto profesores
como alumnos en diferentes procesos industriales del sector vidriero, así mismo
mejorar la herramienta con la que se trabaja, disminuir costos de producción
adquiriendo maquinaría que favorezcan tanto al producto, como al usuario.
2 (Macario, 2002). México: problemas sociales, políticos y económicos. México, Pearson Educación.

14
Como menciona Andrés Openheimer en su libro Crear o morir (Openheimer,
2014) camarón que se duerme se lo lleva la corriente, esto se refiere, a que como
se había debatido anteriormente en la segunda década del siglo XXI, la
exportación de materia prima significaba el beneficio para países latinoamericanos
pero esto ya no es tan favorable para la economía de nuestro país se debe
apostar por una innovación de proceso el cual implica crear nuevos productos de
cualquier tipo con mayor valor agregado, que se pueda vender globalmente y no
quedarse estáticos. Se debe apostar por el descubrimiento de nuevas formas de
producción eficiente.
Actualmente Latinoamérica sigue atrasado en el tema de la investigación, según
un estudio realizado por el Banco Mundial sobre la innovación, Latinoamérica y el
Caribe presentan apenas unas 1200 aplicaciones anuales de patentes esto
representa un 10% de las 12 400 patentes presentadas por Corea del Sur, y se
invierte el 2.4% a la innovación que se concentra en tres países Brasil, México
(12% del total de la región) y Argentina. Es necesario ser parte de la innovación
para estar involucrados en la economía mundial. Crear una cultura de innovación
y por ende desarrollar investigación. Hoy en día contamos con mayor acceso a
herramientas para poder generarla y formar cultura de compartir.
1.7. Referentes
Los hornos de resistencias son los que reciben alimentación eléctrica, están
compuestos por resistencias eléctricas óhmicas que por efecto joule se calientan
y ceden su calor.
Por sus características los hornos de resistencias se dividen de acuerdo a:
-Forma de funcionamiento, puede ser continúo o discontinúo.
-Ubicación de resistencias, estas pueden estar ubicadas en la parte superior,
inferior o laterales.
-Por su morfología, tales como rotativos, de túnel, de solera, de crisol, entre otros.
Los hornos también se clasifican de acuerdo a lo que se requiere trabajar o
transformar a la materia, se divide en:
-Hornos de fusión.
-Hornos de recalentamiento.

15
-Hornos de tratamiento térmico.
-Hornos especiales.
Los parámetros que se tomaron en cuenta para obtener los referentes para la
elaboración de esta investigación son: la arquitectura de un horno en cuanto a su
construcción, características técnicas en cuanto a tipo de material, datos técnicos
de electricidad y controlador.
OLYMPIC KILNS
3
Comenzó en Seattle, a medida que la empresa fue ampliando la gama de
productos usando gas, hornos eléctricos y para vidrio, decidieron moverse a la
ciudad de Georgia en 1982.
Ofrecen el servicio de diseño de horno personalizado, de acuerdo a las
necesidades dimensionales, esto implica trabajo de diseño e ingeniería. Dentro del
servicio de diseño personalizado se encuentran los aditamentos que se pueden
agregar, como modelos con controles remotos, quemadores en los lados para
hornos de gas, ventilador para los quemadores en hornos de gas, corriente
ascendente, hornos de distintos colores, entre otros. Dentro de la gama de hornos
que se fabrican en „Olympic Kilns‟, tienen en existencia hornos con fibra cerámica
para que sea más ligero y guarde el calor dentro de la zona de cocción, el
inconveniente de que se use fibra cerámica es que ocasiona mal olor y humo.
3 Olymplic Kilns. Built better for over 40 years. http://www.greatkilns.com/
Figura 3: Logotipo de Olympic Kilns, imagen obtenida de: dhttp://www.greatkilns.com/e olympic

16
Otro aspecto interesante son los distintos sistemas de apertura que tienen los
hornos, existen desde hornos con puerta en la parte frontal o doble puerta para
que se introduzcan más piezas o piezas de gran tamaño, otro sistema de apertura
es el llamado „clamshell‟ por su parecido a una concha de almeja ya que se abre
como cofre, algunos hornos tienen una base que respalda a la puerta otros tienen
fijadores, el inconveniente de tener este tipo de puerta en el horno es, que con el
tiempo y mal uso se va desgastando, algunos hornos tienen las resistencias en la
parte superior, si no se abre y cierra con cuidado llegan a maltratarse.
Otro sistema de apertura es el de guillotina (Figura 4), este se abre a partir de un
mecanismo con eslabones, está diseñado de manera que protegen las
resistencias. Otro tipo de puerta es el del horno llamado „top hat‟ (Figura 6), este
se abre con un sistema elevador, con poleas y una manija, el inconveniente es el
gran tamaño que tiene pues cuenta con una
estructura como elemento fijo.
Diseñan hornos de acuerdo a la técnica a realizar,
por ejemplo el Crucible 18 (Figura 7), es un horno
para fusionar y fundir vidrio, las resistencias se
ubican en los laterales y la parte superior cuenta
con un orificio para introducir el crisol, el sistema
de apertura es de elevador. Otro ejemplo son los
hornos para mayor producción como el modelo
GF, que está construido con ladrillo, la parte
superior está recubierta con fibra cerámica, tiene
una salida de aire para enfriar al equipo eléctrico,
así como un switch para activar las resistencias,
es por esto que se considera eficiente con la
energía eléctrica.
Figura 4: Horno con apertura tipo guillotina,
imagen obtenida del sitio de Olympic Kilns

17
Venden accesorios para hornos como plataformas y bases de distintas medidas
para colocar más piezas.
En cuanto a los precios, pueden variar dentro de los $11,416.00, hasta los
$120,501.00 considerando el precio del dólar que actualmente se maneja. (Precio
del dólar obtenido en la fecha de Septiembre del 2015 $17.20 pesos mexicanos).
Olympic Kilns cuenta con dos años de garantía y asistencia vía telefónica.
Sobre los controladores que maneja Olympic Kilns, el fabricante es Bartlett
Instruments Co.
Figura 6: Horno con sistema de apertura tipo
elevador
Figura 5: Modelo Annealing.
Figura 7: Modelo Crucible 18, con
aditamentos para fundir vidrio.
Figura 8: Modelo GF10E, con resistencias en la
parte superior y laterales.

18
Se explicarán las funciones que se pueden lograr
mediante los tres tipos de controladores, el más
sencillo es el modelo 3k o PMC (Figura 11), este
controlador da la opción de trabajar con tres
velocidades, se pueden crear programas para rampas
como se había mencionado anteriormente, esto es la
relación de temperatura que ascenderá o descenderá
de acuerdo a un tiempo, tiene la capacidad de guardar
cuatro programas de ocho segmentos, es decir ocho
temperaturas en distintos tiempos, a diferencia de los
otros controladores, este no tiene los segmentos de
cono, sólo tiene tres botones, maneja el termopar tipo
K, que es el que alcanza temperaturas de hasta
1000°C. El que sigue es el controlador tipo RTC 1000
(Figura 10), este controlador se difiere del modelo más
complejo por no tener la opción de „RampHold‟, esta se
refiere a que cierta temperatura se mantenga por un
tiempo, maneja termopares tipo K,S o N. El controlador
tipoV6-CF (Figura 9) es el más completo, se puede
programar como los otros dos controladores, tiene la
opción de velocidad, de conos, „RampHold‟ y alarma.
Los tres controladores manejan ° Centígrados y °
Fahrenheit. Los dos controladores RTC1000 (Figura
10) y V6-CF (Figura 9) tienen la capacidad de seis
programas de ocho segmentos, pero el controlador V6-
CF tiene cuatro velocidades en cuestión de quema por
cono, el RTC1000 sólo tres.
Figura 9: Controlador tipo V6-
CF
.
Figura11: Controlador tipo 3k o PMC.
imágenes obtenidas de barlett instrument
c.o.
Figura10: Controlador tipo RTC1000.

19
SKUTT4
Otro referente son los hornos Skutt, desde 1953, padre e hijo comenzaron a
construir hornos para cerámica en Olympia Washington. Poco a poco fueron
creciendo hasta no sólo dedicarse a la fabricación de hornos para cerámica, si no
que ampliaron su gama de productos a hornos para vidrio y siguieron enfocados
con la cerámica pero con la visualización de poder tener un
horno sin tener que adaptar el espacio donde se utilizara, ya
fuera destinado a una casa o un lugar pequeño pues su
configuración es modular.
Otra aspecto que ha mejorado Skutt es el controlador, de
utilizar un pirómetro análogo pasó a uno digital, actualmente
se han modernizado a comparación de su competencia,
ahora al tener algún problema con el horno, puedes pedir
atención al cliente vía telefónica, proporcionas el número de
serie del controlador que al tener un sensor informa acerca
del amperaje y voltaje, información necesaria para poderlo
solucionar sin tener la necesidad de mandar a un
especialista o acudir a alguien externo.
4 http://skutt.com/
Figura 12: Logotipo de Skutt
obtenido de http://skutt.com/
Figura 14: Pirómetro análogo,
imágenes obtenidas del website de
skutt
Figura13: Pirómetro digital.

20
Otra novedad que tiene Skutt, es su sistema de ventilación „Envirovent‟, el cual
consta de un orificio en la parte inferior del horno que mediante conductos todo el
humo y mal olor va saliendo. Los hornos cuentan con orificios en la parte superior
que auxilian con la ventilación y enfriamiento de elementos eléctricos.
Cuentan con controladores de 120 voltios para hornos de 15 amperes y de
208/240 voltios para hornos de menos de 50 amperes, así como también tienen
enchufes que necesitan más de 40 amperes. El controlador ofrece dos maneras
de realizar cada quema, por conos o por rampas. La diferencia es que en una
rampa el usuario programa a que temperatura va a ascender o descender y en
cuanto tiempo, o si es necesario que realice una parada y se mantenga en la
misma temperatura por cierto tiempo. A comparación de los controladores de
Olympic, los de Skutt son más fáciles de interactuar.
La arquitectura del horno, es muy similar a los hornos Olympic, los hornos Skutt
son completamente modulares lo que facilita el translado del horno de un lugar a
otro, este sistema de construcción también lo tienen los hornos Olympic, el detalle
que marca la diferencia entre uno y otro, es que los controladores de Skutt son
removibles y se pueden reparar de manera más sencilla al poderse desajustar sin
la necesidad de desarmar el horno.
Figura15: Variedad de hornos Skutt imagen obtenida del sitio web de skutt.

21
Acerca de „Link Board‟, es la opción
que ofrece Skutt para que el horno
se comunique con el exterior, esto a
través de una interfaz que por
medio de los nuevos aditamentos
que tienen los controladores se
puedan conectar a internet y a
través de „KilnLink‟, es capaz de
mantener informado al usuario de
los disparos de calor y el diagnóstico
que tiene la quema.
Así como también mensajes de texto
al celular para mantener informado
al usuario.
1.8. Hipótesis
Un horno de resistencias para vidrio es diseñado de acuerdo a la técnica que se
realizará, así como también las dimensiones de acuerdo a la producción de
piezas; estos dos puntos son los que se toman como índice para diseñar la parte
electrónica, la ubicación de resistencias y el dispositivo por el cual serán
controladas.
Retomando la problemática, el calor dentro de un horno es manejable más no del
todo controlable y repercute en la producción de piezas y gasto energético. A
continuación se presenta la propuesta a solucionar dicha problemática.
Figura 16: Sistema de ventilación Envirovent.
v
Figura 17: Diagrama explicativo del sistema
Envirovent imágenes obtenidas de la website de
skutt.

22
A través de esta investigación se tiene como fin resolver la problemática que
permita tener un mejor control y manejo de disipación de calor, una mejora en la
calidad de piezas, beneficio de tiempo en la producción, contrarrestar gastos de
energía eléctrica y favorecer al medio ambiente teniendo un mejor control de
desperdicio de calor.
A continuación se presenta la propuesta de diseño del horno el cual sustenta la
hipótesis que propone mejora en cuanto:
Disipación de calor, se propone la ubicación de las resistencias eléctricas tanto en
la parte superior como en los laterales conectados en paralelo esto permitirá al
usuario escoger las resistencias que suministrarán el calor necesario a las piezas
de acuerdo a lo que se realizará, las resistencias serán ubicadas en cada nivel del
horno ya que así se permitirá un control por cada nivel (B).
Se propone implementar la transmisión de calor por convección forzada a través
de un ventilador el cual acelerará el proceso en tiempo y mejorará la transmisión
de calor en el área de la cámara de cocción. (E)
Por parte del material se propone ladrillo aislante para dar estructura y cuerpo (C)
al igual que fibra aislante en la parte superior para evitar la salida de calor y
concentrarlo para así evitar desperdicio de calor (A).
Para protección del usuario se propone usar material aislante en la manija (F).
En cuanto a ergonomía se propone una base que preste altura suficiente para
evitar lesiones al usuario al introducir y sacar piezas del horno. (D).
Para el mejor control de calor dentro del horno se propone el uso de termopares
en cada nivel conectados a un pirómetro digital que permita crear rampas y
elección de resistencias de la zona de trabajo (G).

23
El techo estará recubierto
por fibra cerámica alrededor
de las resistencias
eléctricas de la parte
superior, esto para
favorecer el calentamiento,
ya que por las
características de este
material se conserva de
mejor manera el calor.
A
A
POR PARTE DE LA
ESTRUCTURA QUE
SOSTENDRÁ AL HORNO,
SE PLANTEA UNA
MEDIDA CONSIDERABLE
ERGONÓMICAMENTE,
PARA EVITAR QUE EL
USUARIO TIENDA A
LESIONARSE.
D
D
EN EL INTERIOR SE PRO-
PONE INSTALAR LAS
RESISTENCIAS ELÉCTRI-
CAS DE MANERA QUE
CADA LADRILLO TENGA
CAVIDADES PARA SOS-
TENER DOS HILERAS DE
RESISTENCIAS.
C
C ASÍ MISMO LA PARTE
SUPERIOR ESTARÁ
CONFORMADA POR
LADRILLO CERÁMICO,
EL CUAL DARÁ
ESTRUCTURA Y
SUJECCIÓN A LAS
RESISTENCIAS
UBICADAS EN LA PARTE
SUPERIOR Y
LATERALES.
B
B

24
SE PROYECTA UNA FORMA RECTANGULAR, PUESTO QUE SE PUEDE TENER
MAYOR ACCESIBILIDAD A LAS PLATAFORMAS EN EL MERCADO. LAS ESQUINAS
SON LIGERAMENTE REDONDEADAS PARA EVITAR LESIONES AL USUARIO.
SIGUIENDO LA TEORÍA
DE TRANSMISIÓN DE
CALOR POR
CONVECCIÓN SE
IMPLEMENTA UN
VENTILADOR EN EL
INTERIOR, EL CUAL SE
ENCIENDE AL
ALCANZAR UNA
TEMPERATURA Y ASÍ
PROPAGAR EL CALOR
DENTRO DE LA CÁMARA
DE COCCIÓN.
F
F
G
G
IMPLEMENTACIÓN DE
MATERIAL AISLANTE EN LAS
MANIJAS, ESTO COMO
MEDIDA DE PREVENCIÓN.
E
EL DISEÑO DEL
CONTROLADOR, PERMITIRÁ
TENER CONTROL DE CADA
RESISTENCIA DE ACUERDO
A LA TÉCNICA EMPLEADA,
CONTARÁ CON BOTONES
PARA AJUSTAR LA
TEMPERATURA, ENCENDER,
APAGAR Y CREAR RAMPAS.
E

25
1.9. Postura de la investigación
SOBRE EL OBJETO DE DISEÑO
La propuesta de mejora sobre el problema planteado al emplear un horno
eléctrico para vidrio, se basará en un análisis térmico que apruebe o desapruebe
la posibilidad de usar convección forzada para así generar una propuesta de
diseño.
Como investigador, se indagará acerca de hornos disponibles en el mercado,
innovación acerca del tema, materiales, su reacción en conjunto, nuevas
tecnologías aplicadas y manufactura del producto. Se aplicarán conocimientos de
otras ramas como lo son la electricidad, termodinámica, ergonomía, entre otras.
Después de generar dicha investigación se procederá a realizar un listado de
requerimientos para la propuesta de mejora, se propondrán diseños del horno
con el fin de obtener un mejor acomodo de piezas, se ubicarán los nuevos
elementos y mecanismos para posteriormente realizar el análisis térmico en el
cual se pondrá a prueba el uso de convección forzada en un horno ya existente
para realizar una comparación entre los resultados de las piezas obtenidas y
mejoras en cuanto al tiempo y temperatura.
Después de aprobar o desaprobar la hipótesis planteada le prosigue una
comparación a través de una matriz en la que se compararán ciertas
características con modelos existentes, para así determinar una conclusión y
generar prospectivas.
1.10. Objetivos de la investigación
OBJETIVO PRINCIPAL
Presentar resultados obtenidos del análisis térmico en el cuál se pondrá a prueba
la hipótesis.

26
OBJETIVOS SECUNDARIOS
Proponer el diseño con mejoras en cuanto a materiales y disposición de
componentes, generar un modelo de construcción y utilización al igual que las
mejoras que se tienen a comparación de hornos que actualmente se encuentran
en el mercado.
1.11. Estrategia de Investigación
El cliente del diseñador es la Industria, es quién propone el problema, pero no se
debe salir inmediatamente en busca de una idea general que lo resuelva, pues
esa sería la manera artístico-romántica de encontrar la solución, esto lo menciona
Munari en su libro “Como nacen los objetos” (Munari, 1981)
La estrategia de Investigación que se realizó, está basada en la metodología
proyectual de Bruno Murani, presentada en su libro ¿Cómo nacen los objetos?
(1981)
 En el primer paso, se define el problema el cual se mencionó en el
apartado “Establecimiento de la problemática”. Si no se tiene control de la
disipación de calor dentro de la cámara de cocción de un horno de
resistencias eléctricas para vitrofusión repercutirá en el resultado obtenido
en una producción de piezas y en el medio ambiente.
 Teniendo conocimiento de cuál es mi problemática se podrán establecer
límites para generar sub problemas, a partir de las características de los
materiales, ergonomía, características estructurales y formales. Los sub
problemas ordenados, pueden ser desde el tipo de material, que forma
tendrá, como funcionará, entre otros. Tener esta información antes de crear
la propuesta es esencial puesto que se tienen datos técnicos que se deben
tomar en cuenta como requerimientos para la propuesta de diseño.
 El siguiente paso recopilación de datos, se consultan desde productos ya
existentes, fabricantes de piezas, materiales, etc. Esto para analizar el tipo
de solución que le han brindado a los sub problemas previamente vistos. A
este paso se le conoce como análisis de datos.

27
 El paso que procede del análisis de datos es la creatividad, en este punto
se proponen todas las ideas que puedan dar solución, estas pueden ser
irrealizables por diferentes razones ya sea económico, razones técnicas
entre otras, siempre y cuando la creatividad se mantenga al régimen de los
límites previamente marcados. Como diseñador debo mantenerme real a
los materiales.
 Se analizan los posibles materiales y tecnología, que se podría
implementar.
 Se parte a la experimentación, en este segmento se estructura un método
de experimentación, puede ser lineal, paralelo, concatenado o mixto.
 A partir de una experimentación se conduce a bocetos del modelo
preliminar, es decir que no es definitivo aún.
 Para después partir al siguiente paso que es el de verificación, en el cual se
realizará el análisis térmico en el que se cuestiona la factibilidad de
realización de la propuesta.
 A partir de este paso es necesaria la realización de dibujos constructivos
con medidas exactas e indicaciones necesarias.

29
Capítulo 2: Aspectos sobre el vidrio
Figura 18: Fibra
fabricada a par-
tir de 1 libra de
vidrio. foto-
grafía cortesía
de American
Glasblowers
Scientific
Society.
2 Capítulo 2: Antecedentes del vidrio e
introducción a la técnica de vitrofusión.
2.1 MARCO HISTÓRICO Y SOCIAL DEL VIDRIO.
2.2 NATURALEZA DEL VIDRIO.
2.3 TIPOS DE VIDRIO.
2.4 CARACTERÍSTICAS Y COMPORTAMIENTO DEL VIDRIO.
2.5 PROCESOS DE LAS TÉCNICAS DE LA VITROFUSIÓN.
2.6 TIPOS DE HORNOS Y CARACTERÍSTICAS.
2.7 CICLOS DE HORNEADO.
2.8 TIPO DE MOLDES PARA TRABAJAR EL
TERMOFORMADO DEL VIDRIO.

31
2.1. Marco histórico y social del vidrio.
Históricamente el nacimiento del vidrio se le atribuye a dos civilizaciones, por un
lado a la egipcia alrededor del 3500 A.C. como referencia se tiene la elaboración
de cuentas de vidrio encontradas en tumbas. Así como también existen registros
hechos por el geógrafo romano Plinio el Viejo (23-79 d.C)5
, en Historia Natural
redactó acerca de unos mercaderes de nitro que desembocaron en las costas del
Mediterráneo Oriental, al calentar sus alimentos sobre los trozos de nitro
aparecían correr pequeños ríos de un líquido extraño.
Al ser conquistado Egipto por los griegos (siglos IV-III a.C.) provocó que
alcanzaran una gran calidad en cuanto a su producción, en ese tiempo el vidrio
era utilizado para adorno personal, para almacenar alimentos, sólidos, medicinas,
ungüentos o perfumes
No fue hasta que en el siglo I a.C. que se desarrolló en las costas fenicias el vidrio
soplado, a partir de este descubrimiento se puede observar el giro que dio su
producción por el bajo costo que tenía a comparación de la cerámica y sobretodo
la amplitud para trabajar, se pudieron realizar figuras más complicadas y con más
decoración. Después de este acontecimiento la mayoría de los talleres se
movieron a la metrópolis, después de que el imperio Romano se desmembró el
trabajo de vidrio soplado pasó a manos de la cultura Islámica, ellos alcanzaron a
recuperar algunas técnicas de los romanos, la diferencia es el esmaltado dorado
que proporcionaban al vidrio, esto para lámparas y jarrones, la expansión de la
cultura musulmana logró la amplitud del vidrio a países como India y China, esto
hasta que fueron invadidos por Siria, así fue como Venecia entra a ser parte de la
historia del vidrio se tienen datos sobre la fabricación de vidrio en esta zona pues
en 1271 hubo un auge en la producción de vino tal que se redactaron leyes para el
gremio vidriero, en las que se pedía protección para las fórmulas desarrolladas. El
gremio vidriero fue instalado en Murano a consecuencia de incendios ocasionados
por talleres.
5
Beveridge Philippa, D. I. (2006). El vidrio Técnicas de trabajo de horno. Barcelona-España: Empresa del Grupo Editorial Norma de
América Latina.

32
En el siglo XVII se descubrió en Inglaterra el cristal de plomo por George
Ravenscroft, esto a partir de que el gobierno Inglés prohibió el uso de leña, porque
este iba a ser utilizado en la industria naval, se optó por usar carbón, pero
manchaba las piezas, Ravenscroft quien trabajaba la técnica de murano,
experimentó utilizando distintos fundentes hasta agregar aluminio y plomo, así fue
que nació el cristal, a partir de esta creación artistas centroeuropeos crearon una
nueva manera de trabajar con este material a partir de la talla.
Como se trataba de abaratar la producción de vidrio se crearon nuevas técnicas y
maquinaria que aceleraba el proceso, hasta que nació el movimiento Arts and
Crafts creado por William Morris, es considerada como una revolución estética,
tenían como inspiración la historia y la naturaleza, con este modelo nacieron
nuevas técnicas como el vidrio mosaico, se recuperó la técnica de pasta de vidrio
y como ejemplo por parte de América se tiene a Luis Comfort Tiffany.
A partir de 1925 nació un nuevo estilo denominado como Art Decó, con René
Lalique, que impulsó el uso del vidrio en objetos decorativos y frascos de perfume.
En 1919 se estableció la Bauhaus, etapa en la que el mayor auge del vidrio se vio
reflejado en la arquitectura, impulsado por Van der Rohe. Más adelante algunas
manufactureras francesas se acercaron a artistas como Picasso, Braque o Dalí.
Tiempo después se creó Studio Glass cuya finalidad era impulsar el trabajo
artesanal del vidrio a través del trabajo en conjunto con artistas, esto terminó
después de la Segunda Guerra Mundial.
A través de la historia se puede observar la necesidad de impulsar las técnicas del
vidrio ya sea para crear objetos de arte u objetos utilitarios, como se habló
anteriormente ha impulsado la economía de países y se ha restablecido y vuelto a
posicionar gracias a la investigación y experimentación con el material.

33
2.2. Naturaleza del vidrio
Por sus cualidades físicas y químicas el vidrio tiene ciertas características que lo
hacen denominarse como un material brillante, traslúcido, líquido, amorfo y sólido.
La estructura molecular del vidrio, tiene como factor clave el modelo de repetición
que tienen sus moléculas, a comparación del cristal el vidrio es desordenado
semejante a la de un líquido, la diferencia es que el vidrio no pasa por el estado de
cristalización, este es un punto importante para entender la reacción que tiene el
vidrio al descender de altas temperaturas, ya que va recuperando su estado
original (sólido) gradualmente durante un intervalo de temperaturas. Al
encontrarse en una temperatura de 1000°C es transparente y homogéneo, y es
cuando el material es apto para trabajar, para después controlar la temperatura de
enfriamiento y evitar la desvitrificación.
Figura 19: Molécula de cristal (a) Molécula de vidrio (b)
imagen obtenida del blog glass art

34
Al vidrio, se le añaden otros materiales para brindarle características como dureza,
color, textura, entre otros se dividen en tres partes:
VITRIFICANTES
Sílice (SiO2) que es el que se encuentra en un mayor porcentaje (60% u 80%)
que brinda la transparencia y viscosidad, pero si el vidrio sólo estuviera compuesto
por sílice este sería frágil, quebradizo y no se le podría dar alguna forma, es por
eso que necesita de los demás componentes.
FUNDENTES
Estos materiales le brindan al vidrio la cualidad para fundirse, esto con la finalidad
de facilitar la formación del material a temperaturas no tan altas. En la historia del
vidrio se han utilizado dos tipos de fundentes los sódicos o potásicos.
ESTABILIZANTES
Los estabilizantes son los que brindan la dureza al vidrio. Desde tiempos antiguos
se ha utilizado lo que actualmente conocemos como la cal.
Figura 20: Diagrama de fabricación de vidrio, imagen obtenida de la
biblioteca digital ilce.

35
2.3. Tipos de vidrio
Comercialmente existen los siguientes tipos de vidrio que se enlistan:
VIDRIO SÓDICO-CÁLCICO
Este es el vidrio más comercial, por su facilidad al
fundirse y por su bajo precio. Está compuesto por óxido
de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y
carbonato de calcio (CaCO3), estos dos últimos óxidos
actúan como fundentes.
VIDRIO DE PLOMO O CRISTAL
En este caso el agente fundente que normalmente es
calcio se sustituye por plomo, es un vidrio más denso
por consecuente tiene una mayor refracción de la luz,
este tipo de vidrio es normalmente utilizado en la
óptica.
VIDRIO DE BORO SILICATO
La característica principal de este tipo de vidrio, es su
resistencia química que le permite aceptar cambios
bruscos de temperatura sin tener algún choque térmico
y soportar altas temperaturas, normalmente es utilizado
en los laboratorios y en la cocina. Está compuesto por
sílice (SiO2), ácido bórico (H3BO3) y en algunos casos
óxido de aluminio (Al2O3).
Figura 21: Ejemplo de vidrio
sódico, obtenida del blog mh
ambient.
Figura 22: Ejemplo de vidrio de plomo
o cristal. Imagen obtenida del blog mh
ambient
Figura 23: Ejemplo de Vidrio de boro
silicato. Imagen obtenida de
kitchenware direct.

36
2.4. Características y comportamiento del vidrio
Para hablar sobre el comportamiento del vidrio, lo explicaré tomando como
ejemplo el cambio de estado de un líquido a un sólido, el punto de transformación
entre el líquido a sólido se conoce como fusión al encontrarse en estado líquido
las moléculas se encuentran excitadas y en desorden. Volviendo al ejemplo
imaginemos cuando el agua se convierte en hielo, alcanza una temperatura baja
para después cristalizarse y convertirse en hielo, hasta que las moléculas se
encuentran ordenadas. Así mismo ocurre con el vidrio excepto por el estado de
cristalización, al encontrarse a una temperatura muy alta (1000°C-1400°C) sus
moléculas estarán en desorden hasta poco a poco ir bajando la temperatura y el
nivel de viscosidad, es el momento en el que el vidrio se adapta o se puede
trabajar hasta que baje la fuerza de atracción entre las moléculas y se inmovilicen.
La viscosidad es una característica que adopta el vidrio, parte de su
comportamiento al estar en una temperatura elevada. La viscosidad en el caso del
vidrio se presenta al ir bajando la temperatura, en el caso contrario a mayor
temperatura menor viscosidad y mayor fluidez.
Otra característica es la isotropía, que se refiere a la manera en que las moléculas
se encuentran ubicadas, que al igual que un líquido estas son transmitidas en
todos los sentidos.
El vidrio consta de propiedades mecánicas, estas se refieren a la deformación que
pueda tener al contacto con otros factores, como la temperatura. El vidrio llega a
fracturarse o romperse al estirarse de más, no tanto por la relación entre la
velocidad y temperatura, sino por un salto térmico o choque térmico; esto se
refiere a que la pieza se enfrenta a un cambio brusco de temperatura y por
consecuencia realiza un esfuerzo.
A esta propiedad se le denomina como resistencia térmica y depende de factores
como la resistencia de tracción, el coeficiente de dilatación y el espesor del vidrio.
Esta característica se debe tomar en cuenta para la realización de piezas que
lleven caída, así como también al realizar el molde de acuerdo al diseño, ya que la
altura del mismo molde puede provocar que se rasgue y por consecuente
romperse.

37
2.5. Procesos técnicos de la vitrofusión
A continuación mencionaré distintas técnicas que se trabajan con la vitrofusión,
hablaré acerca de las características que debe tener el vidrio, el material que se
utiliza y los aspectos importantes de curva de temperatura o ciclo de horneado.
FUNDIDO O ‘FUSING’
El fundido consiste en la unión de dos o más piezas de vidrio para formar una sola
pieza esto a través de la superposición de las piezas, pueden ser de distintos
colores y armar una composición mientras sean compatibles en su coeficiente
térmico. Existen tres tipos de fundido, el fundido parcial o „tack fusing‟ que es
cuando la pieza no queda completamente plana, sino que queda sobrepuesta. El
fundido total o „full fusing‟ es cuando queda una sola pieza y completamente
fundida, a comparación de un „tack fusing‟ los cantos de la pieza pueden quedar
un poco desbordados y las inclusiones son cuando entre dos piezas de vidrio se
introduce otro material que no sea vidrio, esto puede ser algún metal depende del
diseño de la pieza.
FUNDIDO PARCIAL O TACK FUSING
CICLO DE HORNEADO
La temperatura para lograr este tipo de pieza varía de acuerdo al grosor y cantidad
del vidrio; si se quiere lograr un fundido parcial se requiere entre 730 y 760 °C. El
tiempo requerido en una quema de este tipo varia en el tipo de vidrio, tipo de
horno, dimensiones de la pieza y grosor del vidrio ya sea que se use una, dos o
tres piezas superpuestas, existe un aproximado que se da en la siguiente tabla:

38
Fundido Parcial
Calentado Número de capas
1,5 2,5 3,5
Diámetropieza/vidrio
10 cm 25 min 35 45
20 cm 45 65 75
30 cm 80 110 130
40 cm 130 150 180
50 cm 150 180 210
60 cm 180 210 240
Figura 24: Ejemplo de Tack Fusing, se observa la superposición de las piezas de vidrio, que
conforman a una sola pieza. Fotografía obtenida del blog glass r us.
Esquema 5: Relación tiempo con diseño de pieza para generar rampa, obtenido de El
vidrio, técnicas de trabajo de horno. Philippa Beveridge.

39
FUNDIDO TOTAL O ‘TOTAL FUSING’
En este proceso las características que obtiene la pieza a diferencia del fundido
parcial son que pierden la viscosidad por lo tanto es más fluido y por consecuencia
los cantos de la pieza tienden a desbordarse al menos que estén sometidas a un
molde, así como también se adelgaza el vidrio pues se funde completamente.
Debido a que disminuye su grado de viscosidad, se debe de procurar reducir las
dimensiones del vidrio que se encuentra en la parte superior, unos 2 cm por lado.
Ciclo de horneado
La temperatura que se alcanza es aproximadamente de 790 y los 835°C, como se
mencionó anteriormente esto puede variar de acuerdo a la cantidad de piezas
sobrepuestas, el horno, tipo de vidrio y las dimensiones de la pieza. En la
siguiente tabla se proporcionan los datos aproximados de tiempo y temperatura.
FundidoTotal
Diámetropieza/vidrio
Calentado
Número de capas
1 2 3 4 5
10 cm 0 min 20 25 35 45
20 cm 20 40 60 90 130
30 cm 35 60 90 110 180
40 cm 45 90 110 150 210
50 cm 55 110 150 180 240
60 cm 65 130 180 210 240
Figura 25: Ejemplo de fundido total, fotografía
obtenida del blog de glass art by margot
Esquema 6: Relación tiempo con diseño de pieza para
generar rampa, obtenido de El vidrio, técnicas de trabajo de
horno. Philippa Beveridge.

40
INCLUSIONES
Esta técnica consiste en dos piezas de vidrio y entre ellas se introduce una pieza
externa al vidrio, ya sean elementos metálicos como hilos de cobre o de estaño, o
elementos orgánicos como hojas de plantas. El resultado puede ser interesante al
observar los efectos que se tienen con diferentes combinaciones, ya que tanto el
vidrio como el material ajeno tienen sus características y pueden llegar a
ocasionar burbujas de aire. La temperatura requerida en este tipo de trabajo es de
760 y 835°C.
El vidrio que se usa con mayor frecuencia para este tipo de trabajo es el vidrio
flotado o de ventana, se debe considerar que este tipo de vidrio tiene en una de
sus caras estaño que en combinación con otros metales puede dar un resultado
extraño o perjudicial a la pieza. Para esto se realizan pruebas para identificar qué
cara es la que contiene estaño, estas pruebas consisten en hacer una mezcla con
amarillo de plata y agua sobre una superficie que no sea porosa, se vierte en el
vidrio y se introduce al horno a 620°C como resultado se obtiene que la cara del
vidrio con estaño será más clara que la otra cara que no contiene estaño. Otra
prueba que no es tan eficiente como la del amarillo de plata es con una lámpara
de luz ultravioleta, la cara que tenga estaño debe mostrar fluorescencia.
TERMOFORMADO
El Termoformado o „Slumping‟, e refiere a cuando el vidrio es sometido a un molde
durante este proceso el vidrio va cayendo por su propio peso o por la acción de la
gravedad, es cuando el vidrio alcanza su punto de ablandamiento, es decir la
viscosidad y la tensión superficial disminuye y aumenta la fluidez.
Figura 26: Ejemplo de inclusión, se observa la
inclusión de metal, entre dos placas de vidrio.
Fotografía obtenida de Deviant art, foro de cultura
y arte.

41
Para realizar un Termoformado se deben tomar en cuenta diferentes variables
como el tipo de vidrio que se va a utilizar, su grosor y dimensiones. De las
variables más importantes es el diseño de la pieza ya que este es punto clave
para la realización del molde se debe evitar que produzcan candados que hagan
que la pieza se rompa, un método que en particular considero eficiente es el de
imaginar el resultado de sobreponer una hoja de papel mojada sobre la superficie
que es el molde.
Otro tipo de Termoformado que se hablará con mayor profundidad en el siguiente
apartado es el de caída libre, en este caso el vidrio cae completamente por su
propio peso al bajar su nivel de viscosidad y aumentar su fluidez, en este caso se
debe tener cuidado con el grosor del vidrio ya que si es un vidrio muy delgado
sometido a una temperatura muy alta lo más probable es que se rasgue.
Figura27: Ejemplo de termoformado. En este ejemplo se aprecia como el vidrio se
termo formo a través de un molde y tuvo cierta caída. Fotografía obtenida de la
revista evolo.

42
CICLO DE HORNEADO
Para realizar un Termoformado la temperatura varía entre los 630 y 835°C.
Al llegar a los 560°C no se aprecia ningún cambio en la pieza, si no que hasta los
630°C el vidrio va adquiriendo la forma del molde si se realiza una caída libre el
vidrio empieza a curvearse, a los 720°C el curvado el vidrio en caída libre se logra
apreciar más y el grosor del vidrio sigue permaneciendo, al llegar a los 835°C si
está en caída libre es probable que el vidrio llegue a la base, se adelgazan sus
paredes y se ensancha la base o la parte inferior. Si el vidrio está sometido a un
molde, este adquiere el relieve y texturas del molde.
CAÍDA LIBRE
Como se mencionó en el apartado anterior, la caída libre es cuando el vidrio cae
por su propio peso, formando una burbuja o dependiendo del molde que se utilice,
es importante mencionar que el elemento clave para una pieza exitosa en este
caso es el horno, ya que la ubicación de sus resistencias son primordiales como
fuentes de calor, si están ubicadas en la parte superior el calor se concentrará en
la parte superior de la pieza, si el molde de este caso tiene un anillo que es un
orificio en el centro, el vidrio caerá por este orificio, poco a poco se adelgazará y si
no está controlada la temperatura de acuerdo a su ciclo de horneado está muy
posiblemente se romperá, caso contrario si es un horno con resistencias a los
costados el calor se repartirá por toda la pieza siendo más homogénea la
repartición de calor.
La temperatura que se utiliza en este caso varía entre los 650 y 790°C

43
Proceso de caída libre.
Figura 28: Se introduce al horno sobre los moldes para realizar cuencos.
Figura 29: Caída libre del vidrio. Figura 30: Después de salir del horno.
Figura 31: Resultado
final. Fotografías del
proceso de Romero
Gurman en su curso de
cuencos de vidrio.

44
2.6. Tipos de Hornos y características.
El horno es la variable primordial de esta actividad, existen hornos desde los más
antiguos fabricados de adobe su fuente de calor son a través de leños estos
tienen cavidades y bóvedas que permiten la salida del calor, con este tipo de
horno el control de temperatura se deja al alcance de la experiencia del maestro
artesano y generalmente se utiliza para la elaboración de piezas de barro y
cerámica.
Otro tipo de horno es el de gas, su fuente de calor es proporcionada por gas el
cual se disipa a través de mangueras ubicadas en los costados de cada pared, el
control de temperatura en este tipo de hornos se hace a través de conos
pirométricos que son utilizados tanto para conocer el área del horno dónde se
encuentra la mayor o menor concentración de calor así como medidor de
temperatura, siendo que la morfología de estos conos es tronco piramidal con
base triangular, poseen en una de sus caras una numeración que indica la
temperatura a la que se tiene que doblar, estos conos son fabricados de material
cerámico calculados para que se doblen a cierta temperatura, existen tablas que
proporcionan la temperatura a la que se tienen que doblar. En Europa se utilizan
conos „Seger‟ y en América los conos „Orton‟.
Figura 32: Explicación de construcción de un horno de adobe, para
cerámica.

45
La arquitectura de un horno de gas corresponde a cuatro paredes, un techo, piso
y puerta ubicada en la parte frontal o
superior, todas forradas de fibra
cerámica que es ideal para este tipo
de hornos ya que ayuda a que el
calor permanezca dentro de él.
El inconveniente de este tipo de
hornos es su infraestructura ya que
son necesarios conductos para la
entrada de calor y salida de gases,
otro inconveniente por el cual no es
muy utilizado para la técnica de
vitrofusión es la distribución del calor,
no es tan homogénea como la que
proporciona un horno de resistencias.
Los hornos ideales para este tipo de
práctica son los eléctricos,
compuestos de resistencias eléctricas
como fuente de calor.
Están formados por una estructura
metálica, que sirve como carcaza, lo
que se encuentra en el interior del
horno es punto clave para el diseño
de un horno, cuenta con ladrillo
refractario o material cerámico el cuál
brinda estabilidad térmica y
aislamiento, así como las resistencias
que se encuentran empotradas en las
paredes o en el techo, más adelante se hablará sobre la importancia de la
ubicación de las resistencias y el tipo de resistencias.
Figura 34: Horno de resistencias modelo Benjamin,
fotografía obtenida del catálogo de esmaltycolor
Figura 33: Horno Jet aire gas, fotografía obtenida de
horcemeval especialistas en hornos de gas.

46
Existen dos tipos de hornos los que tienen la
puerta de cofre es decir con apertura en la parte
superior y los que tienen la puerta en la parte
frontal. Algunos hornos cuentan con soportes y
placas hechos de cordiarita, este material es
capaz de resistir hasta los 1200°C, los soportes
y placas brindan una mayor organización en
cada quema, en la cual el diseño del horno es
primordial para que se logre una quema óptima
en cuanto al espacio y posición de cada pieza
dentro del horno por la recepción de calor.
Los hornos cuentan con un programador digital, estos se emplean para medir la
temperatura a través de un pirómetro y el tiempo, existen desde los más básicos
en los cuales se determina la temperatura a la que se quiere llegar; y otros en los
que se puede establecer rampas, estas son la relación entre la temperatura y el
tiempo de cada quema.
2.7. Ciclo de horneado
“El ciclo de horneado es el resultado de la correcta combinación entre dos
parámetros, la temperatura y el tiempo…” (Beveridge Philippa, 2006)
Como se mencionó en lo anteriormente citado, mientras exista una buena relación
entre estos dos parámetros, el resultado de cada pieza será el que se desea, a
esto se le suma el conocimiento suficiente de la reacción que pueda tener el vidrio
ya que es un material complejo de trabajar, por lo que se debe tomar en cuenta la
compatibilidad de vidrios y la curva o ciclo de horneado.
A continuación se explicará cómo se divide esta curva o ciclo de horneado, junto
con los aspectos que se deben tomar en cuenta para un buen resultado.
CALENTADO INICIAL
En esta primera fase se tiene que elevar la temperatura ambiente en la cual se
encuentra el horno, paulatinamente en coordinación con el tiempo, esta etapa se
aprovecha para el secado de moldes, se alcanza aproximadamente 300°C, en
palabras técnicas hasta alcanzar un punto de tensión („strain point‟) y no llegar a
un choque térmico.
Figura 35: Soportes y placas, fotografía
obtenida de Skutt Glass.

47
PUNTO DE TENSIÓN
En este punto el vidrio no se ha transformado aún, sigue siendo un sólido, se
encuentra en un punto medio entre el proceso de calentado y de enfriado. Su
viscosidad está alrededor de 1014,16 poises, puede variar de acuerdo al vidrio. La
temperatura puede variar entre los 600°C.
CALENTADO RÁPIDO
En esta etapa, la temperatura pasa de estar en una curva suave a una más
pronunciada, esto quiere decir que en ese momento la temperatura debe subir
mucho más rápido, la temperatura se dictará de acuerdo a lo que se quiere lograr,
que se explicara más adelante. En este punto el vidrio se ha vuelto más fluido.
PUNTO DE ABLANDAMIENTO
Este punto también se conoce como „softening point‟, este punto depende de lo
que se quiere lograr, si está en contacto con un molde o si el vidrio está sometido
a cierta caída. La viscosidad del vidrio ha cambiado a 107,65 poises, esto quiere
decir que ha aumentado su fluidez.
TEMPERATURA DE TRABAJO
O „working point‟, es en esta etapa cuando el vidrio se transforma de acuerdo a la
forma. La viscosidad es de 104 poises.
ENFRIADO RÁPIDO
Una vez que se llegó a la temperatura de trabajo sigue, el enfriamiento, este punto
también llamado como „annealing point‟ se lleva a cabo rápido, algunos sugieren
abrir el horno para que sea más rápido.
PUNTO DE TEMPLADO
Es también llamado recocido, es el ciclo en el cual el vidrio llega a la temperatura
ambiente, en esta etapa el vidrio alcanza 101314 poises de viscosidad.

48
2.8. Tipo de Moldes para trabajar el termoformado del vidrio.
Para la realización de los moldes se debe tomar en cuenta el diseño que tiene la
pieza, este puede llegar a ser tan complejo de acuerdo a la experiencia con la que
cuente el autor, actualmente existen moldes prefabricados que facilitan el trabajo,
puede ser desde un wok metálico hasta los moldes cerámicos prefabricados que
cuentan con diseños para trabajo de termoformado y caída libre.
A continuación hablaré de los materiales que son necesarios para la realización de
moldes, esto es de suma importancia para entender de qué manera puede afectar
o beneficiar a la pieza.
YESO PARA MOLDES
Este tipo de yeso permite captar las cavidades y texturas que se pretende que el
vidrio alcance a copiar. Se encuentran diferentes opciones para realizar este tipo
de moldes, la condición es que tenga la calidad de fraguar a los 30 minutos. El
yeso más comercial es el de construcción, tiene un bajo costo y aporta resistencia,
pero en cuanto a calidad su fraguado no es muy estable por lo que se crean
burbujas. Otro tipo de yeso es el cerámico a comparación con el yeso de
construcción su color es blanco, fino en cuanto a cuerpo, fragua y seca en menor
tiempo.
Figura 36: moldes con cierta complejidad

49
ESCAYOLA
La escayola o yeso calcinado, a comparación del yeso que se mencionó
anteriormente, tiene un color más blanco y es mucho más ligero, seca antes y es
menos poroso, esto beneficia pues permite un acabado mejor. La escayola se
mezcla con agua y sílice para mayor resistencia.
FIBRA CERÁMICA
La fibra cerámica está creada a partir de alúmina y silicatos es decir los materiales
que tienen sílice. La fibra cerámica se encuentra en diferentes presentaciones
para distintos fines, la de 5mm se pone sobre la base del horno esto para
protegerlo del vidrio es una opción para no utilizar la fórmula del separador para
horneado que está conformada por los mismos materiales. La de 8 mm se utiliza
para sobreponerla en superficies como ladrillo cerámico, con la finalidad de que el
vidrio adopte esta forma. El beneficio de utilizar este material es que puede ser
utilizado más de una vez, dándole un tratamiento con separador de horno.

50
Figura 37: manejo
de vidrio soplado,
fotografía cortesía
de free photo
resources, tomada
por Peter Musterd
Capítulo 3: Aspectos sobre
termodinámica y transferencia de calor.
3
3.1 Importancia de la termodinámica y transferencia de calor en
la industria.
3.2 Qué es la termodinámica.
3.3 Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico.
3.4 Principios de la termodinámica.
3.5 Qué es la transferencia de calor.
3.6 Conducción y convección.
3.7 Convección.

52
3.1. Importancia de la termodinámica y transferencia de
calor en la industria.
Existe una estrecha relación entre el Producto Nacional Bruto (PNB) y el consumo
de energía per cápita para la medida de nivel de vida de un país, ya que la
utilización de energía en los países industrializados es un factor importante para
su crecimiento sostenido. Se considera necesaria la reducción de desperdicio de
energía en la industria, transporte y en aplicaciones comerciales y residenciales.6
(Kenneth Wark, 1991)
Este capítulo abarca temas referentes a la termodinámica y transferencia de calor,
puesto que es necesario comprender la relación que se tiene entre teoría, leyes y
afirmaciones matemáticas, para la comprobación que más adelante se lleva a
cabo, se hará uso de termodinámica estadística en la que se medirán conceptos
de temperatura, presión, distancia, etc.
3.2. Introducción a la termodinámica
La termodinámica estudia los procesos en los que interfiere la energía, esta puede
ser interna o térmica esto se refiere a la energía total que incluye tres aspectos la
traslación, rotación y vibración de las moléculas. En pocas palabras la
termodinámica estudia el proceso por medio del cual se transfiere energía y se
convierte en calor.
Los procesos que estudia la termodinámica son el calor y el trabajo. El calor es la
transferencia de energía de un cuerpo a otro, el trabajo es la transferencia de
energía por medios mecánicos.
3.3. Conceptos de la termodinámica para un análisis térmico.
Para el análisis que se realizará es necesario conocer los términos básicos que
componen la termodinámica.
Un sistema, es el cuerpo en cualquier fase encerrado por una superficie que lo
aísla, tiene propiedades como masa, volumen, densidad, presión, temperatura,
entre otras.
6Kenneth Wark, J. (1991). Termodinámica. México: McGraw-Hill.

53
Los sistemas pueden ser aislados es el que no puede intercambiar ni energía,
calor, materia o trabajo con el exterior, cerrado es el que puede intercambiar
energía pero no materia y el abierto puede intercambiar energía y materia con el
exterior. Así como también por su contenido puede ser simple de una sola
sustancia, compuesto de varias naturalezas, homogéneo es aquél que tiene
identidad de sus propiedades en todos los puntos o sea uniforme y heterogéneo
en el cual no se tiene identidad de sus propiedades, estable químicamente,
inestable químicamente, isótropo es el que tiene un comportamiento igual en
todas las direcciones y anisótropo es el que tiene diferente conducta en diferentes
direcciones. Mecánicamente hablando también se clasifican de acuerdo a su
comportamiento en estático o inmóvil y dinámico o móvil.
El término básico para realizar estudios que abarquen la termodinámica, es la
temperatura. La temperatura visto desde una definición conceptual, se refiere a la
propiedad de una materia, es decir que la temperatura en realidad existe en la
naturaleza. En relación con la física la temperatura es una magnitud, característica
presente en la naturaleza, atributo y manifestación macroscópica, esto se refiere a
un parámetro del comportamiento de un número sinfín de moléculas según la
Física Clásica. Para la termodinámica la temperatura es una variable que
caracteriza el estado del sistema, en un proceso en el cual el sistema cambia de
estado.
Para entender mejor el proceso que estudia la termodinámica es indispensable
tener noción de los estados de equilibrio, el equilibrio es un estado por el cual un
sistema padece modificaciones de acuerdo a la circunstancia en la que sus
variables se encuentren, en otras palabras son los cambios que percibe un
sistema al presentar una diferencia en alguna variable macroscópica para
permanecer constante. El equilibrio en la termodinámica implica tres aspectos:
Equilibrio térmico, es cuando la temperatura del sistema se identifica con las
variables del exterior, equilibrio mecánico se refiere cuando hay uniformidad en
cuanto a la presión dentro de distintos puntos de un sistema y equilibrio químico
es la identidad en cuanto a cómo está conformado un sistema y el exterior.
Ahora es importante hablar acerca de los procesos que estudia la termodinámica,
para empezar un proceso en la termodinámica es la transformación del sistema en

54
el cuál pasa de un estado a otro por los cambios en alguna variable, para la
termodinámica existen dos magnitudes para llevar a cabo esta transformación son
el calor y el trabajo, que anteriormente se describieron. Al relacionar a estas dos
magnitudes se obtienen distintas tipos de procesos que son: abierto, al concluir el
estado final no coincide con el inicial, cerrado es el proceso en el cual el estado
final del sistema coincide con el inicial y un proceso cíclico es un proceso cerrado
y múltiple.
3.4. Principios de la termodinámica
A través del tiempo se ha estudiado el comportamiento del calor entre un cuerpo y
otro creando diversas teorías, en el siglo XVII surgió la definición de calórico como
una masa que “inunda” el cuerpo y se transfiere de uno a otro, esto se definió en
la teoría elemental de los intercambios de calor de Lavosier-Laplace7
(González
de Posada Francisco, 2007), pasó el tiempo y surgieron distintas teorías
representativas del calor, afirmaban que no era una masa pero que fluía de un
cuerpo a otro. Fue con la estructuración del concepto de energía, principios de
conservación y degradación que incluyeron al calor como parte de ella, para
después continuar con teorías más específicas sobre la concepción de otras
variables como, la teoría cinética de los gases, radiación térmica y física
estadística.
Los estudios de la termodinámica se rigen por tres principios, solo se mencionarán
los tres principales que nos ayudarán a entender un poco mejor la transferencia de
calor, energía y cómo repercute en un cuerpo o sistema.
7 González de Posada Francisco, R. G. (2007). Teorías Termológicas Aplicación a la Arquitectura y a las Ingenierías. Madrid España:
Pearson Educación, S.A.
7Ignacio, M. J. (2006). Física al alcance de todos. Madrid : Pearson Alhambra.

55
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica define en sí el comportamiento de la energía.
La energía interna en un sistema puede variar mediante intercambios de trabajo
y/o calor con el exterior. 8
(Ignacio, 2006)
Si bien la primera ley de termodinámica es también conocida como el principio de
conservación de la energía. Si un trabajo es realizado a un sistema o este
intercambia calor con otro, la energía interna cambiará. Existe energía transitando,
entrando o saliendo del sistema. En otras palabras el calor es la energía necesaria
para recompensar alguna diferencia entre trabajo y energía interna.
Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824.
La fórmula que define esta primera ley es la siguiente:
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Este principio determina la dirección y límites de pérdida y ganancia de energía,
anuncia que la energía no puede convertirse de un tipo a otro sin tener pérdidas.
Como lo menciona Kelvin-Planck
"Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como
único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de
trabajo".9
Deduce que la máquina no puede transformar todo su trabajo en calor, siempre es
necesario transmitir ese calor a otro cuerpo, por conclusión el calor residual o
parte del calor absorbido se expulsa al medio ambiente como calor.
9
Kenneth Wark, J. (1991). Termodinámica. México: McGraw-Hill.
E entra – E sale= E sistema

56
TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
En este principio Nernst, afirma que ningún cuerpo puede llegar al cero absoluto,
dice que mientras más se acerque un sistema al cero absoluto su entropía que es
un cálculo para deducir la parte de la energía que no puede utilizarse para
producir trabajo, va siendo constante.
3.5. Transferencia de calor
La transferencia de calor como ciencia ha aportado en las labores diarias del ser
humano desde la preparación de sus alimentos, transportación, salud, vivienda
entre otros, y a medida que el tiempo pasa y la tecnología avanza, toma más
importancia en procesos eléctricos y electrónicos en aplicaciones como motores,
transformadores, transistores y conductores. Previamente se habló sobre la
importancia de la termodinámica puesto que estudia el intercambio de calor, pero
es necesario conocer las condiciones que permiten este intercambio de calor.
La transferencia de calor estudia el proceso por medio del cual se transporta la
energía entre dos cuerpos al ponerse en contacto, dentro de la transferencia de
calor se estudian tres mecanismos: la conducción, convección y radiación. Se
tomará como referencia dos de los tres mecanismos, conducción y convección.
3.6. Conducción
La conducción trata del fenómeno de transferencia de energía de un cuerpo
sólido, líquido, o gaseoso por medio de la excitación molecular cuando existe una
diferencia de temperatura.
Cuando los materiales tienen una alta conductividad térmica se llaman
conductores y los que tienen una baja conductividad se denominan aislantes. El
aire tiene la propiedad de tener un bajo grado de conductividad casi como el de un
aislante, pero para ser un verdadero aislante este debe encontrarse estático.
CONVECCIÓN
El fenómeno de transferencia de energía por convección es a través del
movimiento fluido de un líquido o gas.
Se estima el flujo de calor disipado, por la diferencia total de temperaturas entre la
superficie y el fluido, mediante esta fórmula:
q”= h(Ts-T∞)

58
Fotografía 38:
Prueba en un
horno para
templado de
metales, tomada
por Joyce Barba
Ontiveros.
Capítulo 4: Estudio comparativo entre hornos para
vitrofusión modelos: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC
209GFE
4.1 Objetivos del estudio de comparación.
4.2 Método y estrategia de experimentación para el
estudio de comparación.
4.3 Muestras para realizar la experimentación.
4.4Especificaciones sobre las variables independientes
del estudio.
4.5 Especificaciones sobre las variables dependientes
del estudio.
4.6 Elementos a prueba en el interior de los hornos.
4.7 Estrategia de aplicación y recolección de datos.
4.8 Presentación de resultados dentro del horno.
4.9 Conclusión sobre comparación entre hornos para
vitrofusión modelo: Skutt KM1227CK256 y OLYMPIC
209GFE.
4

60
4.1. Objetivo del estudio de comparación.
El objetivo del estudio de comparación, es analizar el comportamiento entre dos
hornos con distintas características pero misma función. El primero con las
resistencias ubicadas en los laterales (Fig. 41) y el segundo con las resistencias
ubicadas tanto en los laterales como en la parte superior (Fig.42). Al mismo tiempo
se va a comprobar la disipación de calor dentro de la cámara de cocción, como
también el tiempo que tarda en subir cierta temperatura y el comportamiento de
las piezas que se introducen.
4.2. Método y estrategia de experimentación para el estudio
de comparación.
Para lograr dicho objetivo, se utiliza un método de experimentación de control y de
dimensión. En la experimentación de control se pone a prueba el comportamiento
de dos variables dependientes que son dos hornos los cuales tienen
características en sus componentes que los hacen diferentes. Las variables
independientes son piezas de vidrio sobre moldes de dos tipos de yeso: para
construcción (Fig. 39) y cerámico (Fig. 40), estas especificaciones serán
controladas a través de diagramas de ubicación al ser introducidas en los hornos.
En cuanto a la experimentación de dimensión, en la segunda fase se analizará la
segunda variable dependiente que es un horno Olympic (Fig. 42), el cual lo hace
diferente a la primer variable dependiente que es un horno Skutt (Fig.41) por la
ubicación de las resistencias y dimensiones puesto que este horno no es
destinado a grandes producciones. Se someterán las mismas muestras
independientes que son las piezas de vidrio sobre los dos tipos de yeso y se
compararán los resultados obtenidos en cuanto a la calidad en las piezas y tiempo
transcurrido en el ascenso de temperatura.
Mediante el uso de gráficas se examinarán los resultados obtenidos en las dos
fases del experimento teniendo en cuenta el ascenso de temperatura con el
tiempo, representado en gráficas lineales. Se realizará una quema en cada horno
con las mismas especificaciones en cuanto a material y objetivo, se alcanzarán
entre los 700-800°C.

61
Mediante el uso de una bitácora se recopilarán los grados que ascendieron
durante cierto tiempo, hasta alcanzar dicha temperatura.
Por medio de una cámara fotográfica se capturarán los resultados obtenidos
después de la quema, para ser comparados.
4.3. Muestras para realizar experimentación.
Muestra 1: Consta de 26 moldes de yeso para construcción (Fig.39) con fecha de
elaboración del 6 de abril del 2014 (12 moldes) y el 20 de abril del 2014 (14
moldes), para la elaboración de estos moldes se requirieron de 10 kg de yeso para
construcción y 14lt de agua aproximadamente. Así como también 26 moldes de
yeso cerámico (Fig.40) con fecha de elaboración del 6 de abril del 2014 (12
moldes) y el 20 de abril del 2014 (14 moldes), para esto se necesitaron 8 kg de
yeso cerámico y 14 lt de agua aproximadamente.
Instrumento 2: Consta de 40 piezas de vidrio sódico o comercial con medidas de
10x10 cm 20 piezas tienen un grosor de 3 mm y otras 20 piezas un grosor de
6mm.
Figura 40: Muestra de moldes de yeso cerámico, utilizados para el experimento.
Figura 39: Muestra de moldes de yeso de construcción utilizados para el experimento.

62
Muestra 3: En la primera fase que se realizará en un horno Skutt (Fig.41), se
requerirá de sus aditamentos: los pilares de soporte, que en este caso se utilizaron
15 de 10 cm y sus respectivas bases. Al igual que el separador en polvo, agua y
una brocha para aplicarlo.
Muestra 4: Para la segunda fase se utilizará un horno Olympic (Fig. 42), con su
respectivo separador de protección con el vidrio (alúmina).
Instrumento a: Libreta para realizar anotaciones sobre la temperatura generada en
el tiempo transcurrido, al igual que una pluma o lápiz.
Instrumento b: Cámara profesional Canon EOS Rebel Xs.
Instrumento c: Pirómetro digital incluido en el horno.
Instrumento d: Cronómetro con alarma.
Figura 42: Horno OLYMPIC 209GFEFigura 41: Horno Skutt KM227CK256

63
4.4. Variables dependientes estudiadas.
Se utilizará el horno Skutt modelo KM1227 CK256 (Fig. 41), por poseer las
resistencias en los laterales, con la intención de analizar el tiempo en el que
alcanza a llegar a la temperatura requerida y la repercusión en las piezas ya que
el calor es transferido en dirección paralela sobre estas. A comparación el horno
Olympic (Fig. 42), posee las resistencias tanto en los laterales como en la parte
superior, se seleccionó este horno con el propósito de comparar el
comportamiento en las piezas ya que se suministra calor tanto en los laterales
como en la parte superior.
Así como también se analiza el comportamiento de dos distintos grosores de vidrio
sódico o comercial, con 3 y 6mm.
La utilización de dos tipos de yesos, es para observar que tipo de yeso soporta
más de una quema y si repercute la repartición de calor en el molde.
4.5. Muestras en el interior de los hornos.
La muestra de estudio en la primera fase de experimentación, se delimita por el
uso de 24 moldes de yeso, 12 de yeso para construcción (Fig. 39) y 12 de yeso
cerámico (Fig. 40). Así como 12 piezas de vidrio sódico o comercial de 10x10 cm
con 3 mm de grosor y 12 piezas de 10 x 10 cm con 6 mm de grosor.
Para la segunda fase, se tiene una muestra de 16 moldes de yeso, 8 de yeso para
construcción y 8 de yeso cerámico, se reduce la muestra de estudio a
comparación de la primera fase por las dimensiones del horno Olympic. Por otro
lado se utilizó como muestra 8 piezas de vidrio sódico de 10 x 10 cm con 3 mm de
grosor y 8 piezas de vidrio sódico de 10 x 10 cm con 6 mm de grosor.

64
4.6. Estrategia de aplicación y recolección de datos
PRIMERA FASE
ESPECIFICACIONES DE LA EXPERIMENTACIÓN
Análisis del ascenso de temperatura hasta llegar a los 760°C, como también el
tiempo en el que se logra alcanzar la temperatura, comparación entre el
comportamiento de dos tipos de yeso y el resultado obtenido en las piezas de
vidrio en relación con la repartición del calor dentro de la cámara de cocción.
MUESTRAS EN EL INTERIOR DEL HORNO
Se utilizaron 24 moldes de yeso que por la altura que tienen de aproximadamente
7 cm permitirán que por gravedad, el vidrio tenga cierta caída al someterse a la
temperatura asignada. De los 24,12 son de yeso para construcción (Fig.39) y 12
son de yeso cerámico (Fig. 40).
También se utilizaron 24 piezas de vidrio sódico o comercial, con las medidas de
10 x10 cm, 12 de ellos con un grosor de 3 mm y los otros 12 tenían de 6 mm.
CONDICIONES EN LAS QUE SE APLICARÁ LA PRIMERA FASE DEL EXPERIMENTO DE
CONTROL.
El experimento se realizó el día con fecha 28 de Abril 2014 en la ciudad de León
Guanajuato, el día contaba con una temperatura de 29°C.
ASIGNACIÓN DE LA UBICACIÓN DENTRO DEL HORNO
Las piezas de yeso y vidrio se acomodaron de la siguiente manera:
El horno se preparó para tener tres plataformas o niveles, se diseñó el acomodo
de las piezas para analizar las repercusiones de la posición y la recepción de
calor. Teniendo esto en cuenta se podrá observar con mayor facilidad el resultado
de las piezas.

65
Se realiza una bitácora sobre los grados centígrados que van ascendiendo
durante un tiempo, tomando en cuenta que la velocidad de cocción fue media.
DOCUMENTACIÓN DE LOS SUCESOS
Como primer paso se organizan las piezas de acuerdo al yeso que le corresponde
al vidrio y se acomodan de acuerdo al diagrama de ubicación.
En las figuras 45,46 y 47 se puede apreciar el interior del horno, se observa el
pirómetro (Instrumento C) y la ubicación de las resistencias, el diseño de Skutt,
indica que lo mejor es instalar dos resistencias en cada bloque.
El siguiente paso es preparar la segunda plataforma para distribuir las piezas
(Fig. 46).
Por último se programa el controlador para detenerse cuando alcance la
temperatura de 760°C y se toman datos sobre la temperatura que ascenderá en
cierto tiempo. 10
10
NOTA SOBRE EXPERIMENTACIÓN: Se llegó a los 761°C, se pasó por un grado pero no repercute en los resultados.
Figura 43: Diagrama de ubicación de las piezas dentro del horno, en la primera fase de experimentación.
Yeso para construcción, vidrio 6mm
Yeso cerámico, vidrio 6 mm Yeso para construcción, vidrio 3mm
Yeso cerámico, vidrio 3mm
Primer nivel Segundo nivel Tercer nivel

66
Figura 44: Fotografía del momento en que fueron organizadas las piezas de
acuerdo a su acomodo en el diagrama.
Figura 46: Fotografía del interior del horno, en la
segunda plataforma.
Figura 45: piezas introducidas en la primera plataforma de acuerdo
al diagrama.
Figura 47: piezas introducidas en la segunda plataforma de
acuerdo al diagrama.

67
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS EN LAS MUESTRAS UBICADAS EN EL INTERIOR DEL
HORNO SKUTT MODELO KM1227 CK256
Los resultados obtenidos en la primera fase de experimentación de control serán
presentados por medio de fotografías y para mejor comprensión se presenta el
diagrama de ubicación de las piezas en dónde se señalan las piezas que tuvieron
alguna diferencia de las demás.
En esta primera fase, en el primer nivel se encontró que no tuvieron caída
suficiente las piezas a comparación de los otros dos niveles, en otras palabras el
vidrio no recibió suficiente calor para deformarse, se logró curvar más no adoptar
la forma del molde, como se demuestra en el diagrama de posición, dos de las
piezas que se ubican en los extremos y dos del centro fueron las que menos calor
recibieron. Las piezas que menos se curvaron son de 6 mm, las piezas ubicadas
en el centro del horno son las que se curvaron mejor a excepción de dos y una de
ellas era de 3 mm. Por lo que se recomienda no posicionar piezas de 6 mm que
requieran termo formarse por completo en este nivel.
Figura48: Se observa que la mitad de las piezas no adoptaron la forma
del molde, esto por la falta de calor.
Figura49: Diagrama de resultados, las
muestras que están marcadas fueron las que
tuvieron falta de caída por calor.

68
Para el segundo nivel se observa en las fotografías capturadas, que sólo fue una
pieza la que no recibió suficiente calor para tener un caída de libre completa, esta
se ubica en el extremo del horno, tal como se muestra en el diagrama dónde se
específica el grosor del vidrio y el tipo de yeso, se trata de una pieza de 3 mm de
grosor sobre yeso para construcción.
Figura 50: Diagrama en el que se
especifican las características del
material y ubicación.
Figura 51: segundo nivel del horno, el calor se comportó
de manera casi homogénea puesto que sólo una pieza
no logró la caída como las demás.
Figura 52: Detalle de piezas ubicadas en el segundo nivel.

69
En el caso del tercer nivel ubicado en la parte superior del horno, se encontró que
todas las piezas recibieron calor de manera homogénea, todas quedaron con los
mismos resultados de caída del vidrio.
Como conclusión en cuanto a la repartición de calor dentro de la cámara de
cocción de un horno Skutt modelo KM1227 CK256, se tiene que por las
dimensiones del horno y sus características técnicas como la ubicación de
resistencias y al estar conectadas en serie, el calor se distribuye de manera no
uniforme, esto se comprueba con el principio de Arquímedes, puesto que la
densidad del aire caliente es menor que la densidad del aire frío el calor dentro del
horno tiende a subir y al ir descendiendo la temperatura, el calor se concentra en
el centro de la cámara de cocción hasta bajar. En los resultados que se obtuvieron
en las piezas se puede observar con mayor precisión que las piezas ubicadas en
el primer nivel, fueron las piezas con menos caída con ubicación en los extremos y
centro del horno que en desventaja con las piezas obtenidas en el último nivel,
todas tuvieron caída uniforme.
Figura 53: Diagrama de resultados,
todas las piezas recibieron calor de
manera uniforme.
Figura 54: piezas en interior del horno en el
primer nivel.
Figura 55: detalle de las piezas en el
interior del horno del primer nivel.

70
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE LA PRIMERA FASE DE EXPERIMENTACIÓN DE
VARIABLES INDEPENDIENTES EN UN HORNO SKUTT MODELO KM1227 CK256
Se programó el horno para que tuviera una velocidad media y ascender hasta los
760°C, se tomaron los datos durante 3 horas y media por cada media hora. Los
resultados se pueden observar en el siguiente esquema (7), junto con la gráfica 1
que nos indica el ascenso de temperatura, que se puede dividir en tres
segmentos, el primero transcurrido entre los 23°C y 489°C, la temperatura va
ascendiendo lentamente durante 1 hora y 30 min hasta alcanzar la segunda etapa
que comprende los 565 °C y 756 °C aquí el ascenso de temperatura ocurre dentro
de una hora y en la tercera etapa durante el ascenso de los 757°C a los 761°C
sucedió de manera más rápida, ya que en menos de un minuto alcanzo esta
temperatura.
Esquema 7: tiempo en
el cual ascendió la
temperatura hasta
alcanzar los 761°C.
Gráfica 1: registro de ascenso de temperatura

71
SEGUNDA FASE
ESPECIFICACIONES DE LA EXPERIMENTACIÓN
En esta segunda fase del experimento de dimensión, recordando que se recurrió a
un método paralelo en el cual se comparan dos variables, se analizó un horno
Olympic modelo 209GFE, con resistencias ubicadas en los laterales y parte
superior. La temperatura que debe llegar es de 760°C, se debe tomar el tiempo en
el que se logra alcanzar la temperatura, la reacción de las piezas de vidrio con la
disipación de calor al ser emitido de la parte superior, al igual que el
comportamiento de los dos tipos de yeso como molde.
PIEZAS EN EL INTERIOR DEL HORNO
Se utilizaron 16 moldes de yeso, que como en la primera fase, se realizaron a
partir de vasos de plástico, pero en esta fase fue menor el número de moldes por
las dimensiones del horno. Se realizaron 8 moldes de yeso para construcción y 8
moldes de yeso cerámico.
Así como 16 piezas de vidrio sódico o comercial, con las medidas de 10 x10 cm; 8
de ellos con un grosor de 3 mm y los otros 8 tenían un grosor de 6 mm.
CONDICIONES EN LAS QUE SE APLICARÁ EL EXPERIMENTO
El experimento se realizó el día con fecha 3 de Mayo del 2014 en la ciudad de San
Luis Potosí SLP el día contaba con una temperatura de 27°C.
ASIGNACIÓN DE LA UBICACIÓN DENTRO DEL HORNO
Se debe registrar en una bitácora el tiempo recurrido y los grados centígrados que
ascenderán hasta llegar a los 760° centígrados, al igual que el registro del
acomodo de las piezas en un diagrama diseñado para tener conocimiento de la
ubicación de las piezas y lograr un registro de las piezas que sufrieron cambios no
especulados de acuerdo a la repartición de calor.

72
Las piezas de yeso y vidrio siguieron el siguiente diagrama de ubicación:
DOCUMENTACIÓN DE LOS SUCESOS
Se introdujeron las piezas en el horno previamente preparado. Las piezas fueron
acomodadas como se había proyectado. El horno alcanzó los 736°C, se planeaba
llegar a los 760°C, sin embargo se tuvo que detener la quema a los 736°C, pues
si se llegaba a los 760°C las piezas quedarían con fallas técnicas quedando
inservibles.
Figura57: Piezas de la segunda etapa realizada en un
horno olympic
Figura58: interior del horno encendido, proceso de caída del
vidrio
Figura 56: Diagrama del acomodo de las piezas dentro del horno, en la segunda etapa del
experimento.

73
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
Al igual que la primera etapa, el método utilizado fue el análisis por medio de
gráficas de líneas, comparación de acuerdo al diagrama de ubicación de las
piezas y fotografías.
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS EN LAS MUESTRAS UBICADAS EN EL INTERIOR DEL
HORNO OLYMPIC MODELO 209GFE
En el primer diagrama se puede demostrar que la quema fue homogénea, en
cuanto a la recepción de calor como hallazgo se tiene que sólo una pieza no
resultó, esto a consecuencia de la humedad del molde el cual era de yeso
cerámico y un vidrio de 3 mm. Las demás piezas obtuvieron la misma caída por la
recepción de calor por parte de las resistencias ubicadas en la parte superior.
Figura 59: diagrama de registro del resultado obtenido en un horno Olympic.

74
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE LA SEGUNDA FASE DE EXPERIMENTACIÓN DE
VARIABLES INDEPENDIENTES EN UN HORNO OLYMPIC MODELO 209GFE
En cuanto al tiempo transcurrido en el ascenso de temperatura; el horno Skutt
llegó a los 761°C y a comparación con el horno Olympic llegó a los 736°C, el
ascenso de temperatura ocurrió mucho más rápido, se puede observar en la
gráfica 2, que el primer ascenso fue brusco en cuanto a la temperatura que
alcanzó con respecto al tiempo, durante media hora de los 22.2°C ascendió a los
255°C.
Es probable que durante este tiempo, la humedad guardada en el molde haya
provocado la ruptura de la pieza. El horno no alcanzó los 760°C, llegó a los
736.11°C, se detuvo el horno a esta temperatura pues si continuaba las piezas
sufrirían de una desvitrificación quedando inservibles.
Esquema 8: registro
del tiempo en el que
ascendió la
temperatura hasta
alcanzar los
736.11°C.
Gráfica 2: gráfica de líneas que demuestra el ascenso de temperatura en el horno
Olympic.

75
4.7. Conclusión sobre comparación entre dos hornos para
vitrofusión.
Teniendo los resultados de las dos variables los cuales fueron analizados a partir
de una gráfica lineal en la que se puede observar la diferencia respecto al tiempo
en los dos hornos, se obtienen las siguientes conclusiones.
En la gráfica 3, se observa que los hornos tenían una temperatura inicial con un
grado de diferencia, el horno Olympic (línea roja) asciende hasta llegar a los
256°C en treinta minutos a comparación del horno Skutt (línea azul) que alcanzó
los 259°C en noventa minutos, la temperatura asignada para los dos hornos eran
los 760°C el horno Olympic no llegó al objetivo pues las piezas ya habían curvado
lo necesario y de lo contrario las piezas tendrían fallas, el horno Olympic llegó a
736°C en una hora cuarenta y siete minutos, el horno Skutt (línea roja) llegó al
objetivo en cuatro horas y media.
Gráfica 3: gráfica de líneas en la que se observa la diferencia en tiempo en el ascenso de temperatura entre un horno skutt modelo
KM1227CK256 y OLYMPIC 209GFE

76
En la gráfica 3 se puede apreciar que el ascenso de temperatura en el horno
Olympic fue lineal y de manera rápida, en cuanto a la calidad en las piezas sólo
hubo una falla en cuestión al molde, por lo que se concluye que la ubicación de las
resistencias en la parte superior y laterales permitió una distribución de calor de
manera uniforme y eficiente.
En virtud de que ninguno de los dos modelos de hornos es malo, cabe aclarar que
cada horno tiene una función diferente, en cuanto al modelo de horno Skutt es un
horno diseñado para grandes producciones, se deben distribuir las piezas de
acuerdo a la técnica a desempeñar teniendo el conocimiento del comportamiento
del vidrio en cada nivel del horno.
En cuanto a la disipación de calor de un horno Olympic, este modelo de horno fue
diseñado para poder realizar las técnicas de vitrofusión como Slumping, fusing y
caída libre, esto mediante la elección de las resistencias, ya que se pueden utilizar
tanto las resistencias de los laterales, como las superiores o ambas, lo que le da
un mejor control en cuanto a la uniformidad del calor, que repercute en las piezas.
Ambos hornos se pueden controlar en velocidad alta, media y baja, pero el modelo
de horno Olympic resultó más eficiente en cuanto al tiempo transcurrido en la
quema, otro punto importante de aclarar es que la velocidad manejada en los dos
hornos no repercute en el resultado, es decir aunque la velocidad sea muy rápida
no dañará a la pieza.

78
CAPÍTULO
5:
Desarrollo
de la
propuesta
Figura 60: fotografía
del área de trabajo
durante los estudios
demostrativos, tomada
por Ma. Eugenia
González Gollaz
Capítulo 5: Desarrollo de la
propuesta.
5
5.1 REQUERIMIENTOS DE LA PROBLEMÁTICA
PARA SER SOLUCIONADA.
5.2 REQUERIMIENTOS DE LA PROPUESTA DE
SOLUCIÓN PARA SU EJECUCIÓN.
5.3 DOCUMENTACIÓN SOBRE LA PROPUESTA
DE DISEÑO.
5.4 TABLAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS Y
DIAGRAMAS.
5.5 MEMORIA DESCRIPTIVA.
5.6 ESTUDIO DEMOSTRATIVO.
5.7 TABLA COMPARATIVA
5.8 CUMPLIMIENTO DE HIPÓTESIS.
5.9 CONCLUSIONES FINALES.
5.10 PROSPECTIVAS.

Análisis térmico para diseño de horno por convección forzada para vitrofusión.

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