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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
TEMA:
“CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL SECADO DE MADERA”
TESIS
Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA: SELENE FERNÁNDEZ LARA
XALAPA, VER.
SEPTIEMBRE 2010
CONTENIDO INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................1 JUSTIFICACIÓN....................................................................................................................................2 Hipótesis………………………………………………………………………………………………3 OBJETIVOS............................................................................................................................................4
CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LAS VARIABLES DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS SISTEMAS DE SECADO
1.1 La presión y el vacío...........................................................................................................................6 1.1.1 Dispositivos para crear vacío.....................................................................................................8 1.2 Temperatura y humedad....................................................................................................................11 1.3 Métodos de secado............................................................................................................................16 1.3.1 Secado al aire...........................................................................................................................16 1.3.2 Secado al aire acelerado...........................................................................................................18 1.3.2.1 Duración del secado...................................................................................................18 1.3.3 Presecado.................................................................................................................................19 1.3.4 Secado en horno.......................................................................................................................20 1.3.5 Secado combinado...................................................................................................................21 1.3.5.1 Combinación aire-horno............................................................................................21 1.3.5.2 Combinación presecado-horno..................................................................................21 1 .3.6 Secado solar............................................................................................................................22 1.3.7 Secado por vacío......................................................................................................................23 1.3.8 Secado por radiaciones............................................................................................................24 1.3.9 Secado por deshumidificación.................................................................................................25 1.3.10 Secado dieléctrico..................................................................................................................26
1.4 Estado actual del uso de sistemas de secado.....................................................................................26
CAPÍTULO II ELEMENTOS DE CONTROL
2.1 Bases físicas del secado.....................................................................................................................31 2.2 Humedad............................................................................................................................................31 2.2.1 Movimiento de la humedad durante el secado........................................................................32 2.2.2 Movimiento del agua sobre el punto de saturación de las fibras.............................................32 2.2.3 Movimiento del agua bajo el punto de saturación de las fibras...............................................34 2.2.4 Humedad de equilibrio de la madera.......................................................................................34 2.2.5 Contenido de humedad ...........................................................................................................36 2.2.5.1 Método gravimétrico o por diferencia de peso..........................................................37 2.2.5.2 Métodos eléctricos.....................................................................................................37 2.2.6 Gradiente de secado de maderas..............................................................................................38 2.3 Velocidad...........................................................................................................................................39 2.4 Temperatura.......................................................................................................................................40 2.4.1 Efecto de la temperatura del aire............................................................................................40 2.4.1.1 Control de la temperatura de la cámara....................................................................41 2.5 Presión...............................................................................................................................................42
CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO PARA EL DISEÑO DE CONTROL DEL HORNO
3.1 Cálculo de las variables del secado...................................................................................................46 3.2 Tiempo de secado..............................................................................................................................49 3.2.1 Etapa de calentamiento............................................................................................................52
3.2.2 Etapa de operación...................................................................................................................52 3.3 Volumen de agua a extraer................................................................................................................54 3.4 Cálculo de la bomba de vacío............................................................................................................56 3.5 Funcionamiento del horno.................................................................................................................68 3.5.1 Etapas de funcionamiento........................................................................................................70
CONCLUSIONES.................................................................................................................................73 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………...………75
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL SECADO DE MADERA
INTRODUCCIÓN Veracruz es un estado donde se tiene gran parte de los recursos naturales con los que cuenta el país, entre estos recursos se encuentran grandes extensiones de bosques ricos en diferentes variedades de especies. Aprovechando ésta riqueza especialmente en la industria maderera.
Unas de las actividades madereras más sobresalientes es el secado de la madera, debido a la gran importancia que tiene para aquellos que utilizan la madera como materia prima en la fabricación de productos.
El secado se logra mediante el uso de hornos, que permiten una disminución en los tiempos del proceso de extracción de humedad y un secado homogéneo, ésto para que la madera tenga una mejor calidad y por lo tanto conseguir un mayor valor económico del producto.
El avance que ha experimentado la industria de fabricación de secadores, ha logrado mejores técnicas y tecnologías que han optimizado el rendimiento energético y la capacidad de las cámaras de secado.
Existen hornos de secado desde los más sencillos hasta los más sofisticados como: el horno solar que utiliza colectores y ventiladores, el horno por vacío donde se emplean el generador de vapor, bomba de vacío y válvulas, el horno por radiofrecuencia que transmite energía a la madera por medio de ondas.
No en todos los hornos controlan el secado de la misma manera, unos lo hacen con mayor eficiencia que otros, lo que los diferencía es la implementación de equipos de medición que registran las condiciones en el interior de la cámara.
El presente trabajo tiene como finalidad realizar el estudio de las variables de control del secado, para conocer los factores que intervienen y la influencia que representan en el secado, y así aplicar estos conocimientos en la construcción de un horno en el que se propone la combinación del secado por vacío y solar.
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JUSTIFICACIÓN
Existen en la actualidad una variedad de hornos de secado que ofrecen un mejor aprovechamiento de la madera dando un valor agregado y permitiendo a la industria maderera competir en el mercado. Como las cámaras de vacío que logran secar pequeños volúmenes de madera pero permiten una reducción de tiempos en el proceso comparado con otros sistemas y además garantizan la calidad de la madera sin sufrir alteraciones, las cámaras convencionales que cuentan con una caldera de madera o carbón, serpentines, ventiladores que generan una corriente de aire caliente y el sistema de aspersión de agua usado cuando es necesario humectar o aumentar la humedad relativa de la cámara, entre otros.
El secado al aire o en cámara, es un paso esencial del proceso de elaboración de la madera, por que en esta fase es en la que se consume y requiere de mayor energía, si se realiza en forma incorrecta puede originar pérdidas de materia prima y en consecuencia generar grandes gastos al empresario.
A pesar de que existe una gran variedad de métodos para logar el secado de la madera, en el país el método más usado sigue siendo el secado al aire libre, aunque presenta varias carencias y esto conlleva a un estancamiento de la industria maderera.
El secado en cámara en México se presenta en la zona maderera del norte del país en donde se cultivan maderas de mayor resistencia, y en la mayoría de los casos el secado que se utiliza es a temperatura media, aplicando un presecado a base de vapor húmedo caliente.
Lamentablemente sólo algunas industrias dedicadas a la transformación de la madera que son las que tienen un mayor peso en cuanto a producción y calidad, cuentan con estufas eléctricas para su secado, aunque posteriormente se tenga que dar un segundo tratamiento a las capas superiores para corregir el quemado producido, esto
indica que sus cámaras son obsoletas y su
procedimiento es erróneo.
El total de estufas eléctricas instaladas en México con capacidad de 35000 pie-tabla y 40000 piestabla es de 9, se cuenta con 20 estufas tipo Moore para una capacidad de 25000 pies-tabla a 60000 pies-tabla y 8 estufas de caldera de 40000 pies-tabla a 10000 pies-tablas de capacidad, todas éstas estufas hacen el total del equipo para secado de madera en nuestro país. Y solo se tiene equipo convencional a muy altos precios que permiten una producción muy baja, el resto de la
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producción de madera se seca al aire libre y presenta mala calidad.
La mayoría del secado de madera en Veracruz también se realiza al aire libre y en forma manual, basado en el conocimiento empírico, donde no se hace uso de sistemas que regulen adecuadamente el secado, esto repercute en la calidad y características de la madera ya que ésta al no tener el contenido de humedad adecuado tiende a sufrir torceduras, agrietamientos y una serie de anomalías indeseables.
La mayor parte de estos defectos en el secado ocurren durante la extracción del agua libre, es decir en la reducción de la humedad hasta alcanzar el punto de saturación de las paredes celulares de la madera. Estos defectos son ocasionados por un deficiente manejo de las condiciones de secado.
Actualmente el desarrollo de sistemas de control ofrece alternativas que permiten una manipulación de los factores que intervienen en los procesos de secado mejorando la producción y homogeneidad.
La introducción de sistemas y de programas informáticos en el control de los secadores, posibilita el manejo del secado de forma automática con una importante reducción del tiempo destinado a su supervisión.
Por lo que se plantea la siguiente hipótesis: "Si se logran determinar las variables de control se puede realizar el diseño de un proceso eficiente de secado en un horno para madera"
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OBJETIVO GENERAL: Determinar el cálculo de las distintas variables que intervienen en el proceso del secado de la madera.
OBJETIVOS ESPECÍFCOS:
- Estudiar los antecedentes de las variables de control revisando los conceptos básicos de los descubrimientos que se han ido desarrollando a lo largo de los años, desde tiempos remotos hasta la actualidad, y así poder conocer los fundamentos principales en los que se basan los métodos de extracción de humedad.
- Definir las posibles variables del proceso, mediante el estudio de los elementos a controlar en el secado y así conocer
cuales son los factores que se deben considerar para las adecuadas
condiciones en el en el interior de la cámara, e investigar la relación que existe entre ellos.
-Elaborar el marco conceptual del diseño de control del secado, para lograr esto se partirá de las especificaciones de la madera a tratar, en éste caso la “cedrella odorata” como su contenido de humedad inicial y final, también se estudiarán las variables ambientales del sitio, como la humedad relativa, temperaturas de bulbo seco y húmedo para determinar el comportamiento del proceso de secado.
Con la información de los capítulos anteriores se realizarán los cálculos involucrados en el secado, posteriormente se registrarán los valores en tablas o en gráficas que muestren de manera más clara la evaporación de la humedad contenida en la madera en condiciones cercanas al vacío.
Una vez que se tenga esto se hará la descripción del funcionamiento del horno con la ayuda de imágenes y diagramas que muestren de una manera más clara el proceso de funcionamiento.
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CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LAS VARIABLES DE CONTROL UTILIZADAS EN LOS SISTEMAS DE SECADO.
Dirigiendo la mirada siglos atrás, se puede ver que en todas las civilizaciones desde las más antiguas, aparecen alusiones al sol como elemento imprescindible para la vida y como fuente generadora de calor.
En el siglo V a.c. Sócrates recomendaba construir las casas con las fachadas al sur altas, para captar el sol invernal y las fachadas al norte bajas, para evitar los vientos fríos.
En el siglo II a.c. Arquímedes utilizó un espejo cóncavo para incendiar la flota romana en el puerto de Siracusa.
En siglos posteriores, se utilizó la energía del sol, captándola por medio de espejos, para incendiar árboles y fundir metales. Buffon, en el siglo XVIII, utilizó 168 espejos para incendiar un árbol que estaba a 70 metros y fundió plomo y plata a 35 metros de distancia.
También en el siglo XVIII, Lavoisier ideó lo que hoy se podría denominar el primer horno solar en el que se podían fundir metales.
Un aparato construido más recientemente es el horno solar de Odeillo construido en 1969. Es uno de los mayores hornos solares del mundo, con una potencia térmica de 1000 kW.
Las aplicaciones y usos antes mencionados son tan sólo una pequeña parte de lo que ésta fuente inagotable ha representado a lo largo del tiempo.
En cuanto a los sistemas de secado se tiene que se han ido desarrollando a largo de las últimas décadas. Para la elaboración de éstos se han aplicado conocimientos y principios que fueron estudiados hace ya varios siglos y que al paso del tiempo han ido evolucionando como:
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1.1 LA PRESIÓN Y EL VACÍO
Antes del siglo XVII casi no se sabía acerca de la existencia de la presión atmosférica. El tema principal, por aquel entonces, era saber si el aire pesaba o no.
Aunque los investigadores llegasen a plantearse tal cuestión, no disponían de los instrumentos necesarios para realizar los experimentos requeridos. Al aparecer la máquina de vacío existió la posibilidad de dar solución al problema. Pudo determinarse entonces que el aire era pesado y su presión nada despreciable.
El vacío ha preocupado a los hombres desde hace miles de años. Demócrito (que nació en el 470 a.c.) desarrolló la teoría atómica de la materia que consideraba al Universo formado por átomos y vacío. Epicuro (nacido en Grecia en 342 a.c. decía que para producir vacío bastaba separar con rapidez dos cuerpos planos que estuvieran bien unidos. Éste fue el principio de los metalúrgicos de Egipto, el Cáucaso y China al inventar los fuelles y los pistones, con los que absorbían el aire y después lo comprimían al presionar el fuelle para así activar el fuego y producir las altas temperaturas necesarias para fundir el bronce y el hierro.
Los filósofos griegos consideraban que el vacío significaba falto de contenido y esto fue un obstáculo para el entendimiento de los principios tecnológicos básicos del mismo.
Fue hasta mediados del siglo XVII cuando el italiano Gasparo Berti realizó el primer experimento con el vacío (1640). Motivado por un interés en diseñar un experimento para el estudio de los sifones (tubo en forma de "U" invertida, con uno de sus extremos sumergidos en un líquido), Berti pretendía aclarar el fenómeno como una manifestación de diferencia de presión de aire en la atmósfera. Creó lo que constituye, primordialmente, un barómetro de agua, el cual resultó capaz de producir vacío (Figura I.1).
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Figura I.1. Equipo que utilizó Berti para producir por primera vez vacío, alrededor de 1640. El vacío y sus aplicaciones, Laura Talavera y Mario Farías. Fondo de Cultura Económica.
Al analizar el informe experimental de Berti, Evangelista Torricelli captó con claridad el concepto de presión de aire, por lo que diseñó, en 1644, un dispositivo para demostrar los cambios de presión en el aire. Construyó un barómetro que en lugar de agua empleaba mercurio, y de esta manera, sin proponérselo, comprobó la existencia del vacío (Figura I.2).
El experimento de Torricelli consistía en tomar un tubo de más o menos un metro de longitud llenarlo de mercurio, taparlo con el dedo e invertirlo sobre una cubeta con mercurio. Al retirar el dedo, sólo una porción del mercurio contenido en el tubo se vaciaba en la cubeta, permaneciendo en el tubo hasta aproximadamente tres cuartos del mismo y quedando un espacio vacío en la parte superior. Esto era algo difícil de entender en su época, por lo que se intentó explicarlo diciendo que esa región del tubo contenía vapor de mercurio, argumento poco aceptable ya que el nivel de mercurio en el tubo era independiente del volumen del mismo utilizado en el experimento.
La aceptación del concepto de vacío se dio cuando en 1648, Blas Pascal, cuñado de Torricelli, subió un barómetro con 4 kg de mercurio a una montaña a 1 000 m sobre el nivel del mar. Sorprendentemente, cuando el barómetro estaba en la cima, el nivel de la columna de Hg en el tubo era mucho menor que al pie de la montaña.
Torricelli aseguraba la existencia de la presión de aire y decía que debido a ella el nivel de Hg en el recipiente no descendía, lo cual hacía que el tamaño de la columna de mercurio permaneciera constante dentro del tubo. Así que, al disminuir la presión del aire en la cima de la montaña, el nivel de Hg en el recipiente subió y en la columna dentro del tubo bajó UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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inmediatamente.
Figura I.2. Barómetro construido por Torricelli en 1644. El vacío y sus aplicaciones. Laura Talavera y Mario Farías. Fondo de Cultura Económica.
Después Torricelli realizó la construcción de un barómetro de mercurio que contenía en la parte vacía del tubo, otro barómetro para medir la presión de aire en esa región. Se hicieron muchas mediciones y el resultado fue que no había una columna de Hg en el tubo del barómetro pequeño porque no se tenía presión de aire. Esto aclaró que no existía vapor de mercurio en la parte vacía del tubo. Así, se puso en evidencia la presión del aire y, lo más importante, la producción y existencia del vacío.
1.1.1 Dispositivos para crear vacío
Los egipcios y los chinos, con el invento del fuelle con válvulas para inyectar aire a los hornos, hacían vacío sin saberlo, al abrir el fuelle se llenaba de aire por el vacío que se provocaba dentro de éste.
En el siglo XVII, Otto von Guericke hizo una contribución importante a la ciencia con su invención de la bomba de aire, considerada como una de las cuatro invenciones del siglo.
Von Guericke en 1640 realizó un experimento: la fabricación de una esfera de cobre a la que se le colocó una bomba y bombeó directamente el aire. Cuando había extraído aparentemente todo el aire, la esfera se deformó de manera repentina (sufrió un efecto de compresión) debido a la presión atmosférica.
A partir de estos experimentos llegó a crear la bomba de aire (Figura I.3). Esta era UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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esencialmente igual a una bomba de agua y tenía válvulas manuales.
Contaba con una construcción más cuidadosa ya que estaba herméticamente sellada alrededor del cilindro y las válvulas. En principio, la única diferencia entre tales bombas para crear vacío y las usadas para extraer agua es que el trabajo se realiza jalando en lugar de empujando, con una correspondiente secuencia de válvulas.
El experimento más famoso de Von Guericke fue el llamado de Los hemisferios de Maydeburgo, que consistía en un par de semiesferas unidas y dentro de ellas se hacía el vacío. La esfera así formada era separada con gran dificultad por un equipo de ocho caballos en cada lado (Figura I.4).
Este experimento fue presentado ante un pequeño grupo de espectadores cerca de Reichstag, aproximadamente en 1654. Tiempo después el espectáculo se presentó ante el emperador y su corte y alcanzó tal fama que se llevó en exhibición por toda Europa.
Durante largo tiempo, las bombas de vacío no fueron llamadas bombas de vacío. Von Guericke las llamaba jeringas; Boyle, máquinas neumáticas; después el término de bomba de aire fue establecido. El uso de la palabra bomba para este invento, en vez de compresor de aire rarificado, se hizo relacionándolo con el agua.
Figura I.3. Bombas de aire de Von Guericke usada en la demostración en Berlín y Maydeburgo. El vacío y sus aplicaciones, Laura Talavera y Mario Farías. Fondo de Cultura Económica.
En términos generales, la historia del desarrollo de las bombas de vacío puede ser trazada como sigue: primero, se realizó la modificación de las bombas de agua existentes con pistones y válvulas, las cuales dejaron de utilizarse a finales del siglo XIX. Entonces se volvió a un UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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concepto más antiguo de bombas de pistón de mercurio líquido. Después se estableció el uso de bombas mecánicas rotatorias, seguidas de adaptaciones de bombas de vapor, turbomaquinaria y, por último, de bombas basadas en fenómenos de ionización, combinación química y adsorción criogénica.
Figura I.4. Experimento de hemisferios de Madeburgo. El vacío y sus aplicaciones, Laura Talavera y Mario Farías. Fondo de Cultura Económica.
En la siguiente tabla se muestran las bombas que fueron elaboradas a través de los años.
Tabla I.1 Historia de las bombas de vacío. El vacío y sus aplicaciones, Laura Talavera y Mario. Farías Fondo de Cultura Económica.
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1.2 TEMPERATURA Y HUMEDAD
En la remota antigüedad de la humanidad los hombres suponían que el calor era una sustancia que podía pasar de un cuerpo a otro y ser almacenada. De hecho, el griego Heráclito (500 a. c.) afirmaba que el fuego era la materia originaria y que podía trasformarse en el aire, tierra y agua; en el siglo XVIII la propagación del calor les obligo a pensar parecido a los antiguos griegos, pues los orfebres se daban cuenta que sus recipientes al ser calentados no aumentaban de peso, lo que significaba que el calor debería ser una sustancia sin peso.
Muchos años y hombres pasarían hasta que la ciencia explicó, que lo que en realidad sucede es que se transfiere el movimiento de las moléculas de las sustancias, que pasan de un cuerpo a otro. Con el diseño de aparatos se pudieron establecer escalas para una valoración más precisa de la temperatura.
El primer termómetro (vocablo que proviene del griego thermes y metrón, medida del calor) se atribuye a Galileo quien 1592 inventa un aparato de vidrio para medir la temperatura (Figura I.5), formado por una esfera cerrada por su extremo superior y conectado a un tubo por el inferior. El extremo abierto del tubo, que desciende perpendicularmente desde la esfera de vidrio, se sumerge en un recipiente lleno de agua. Cuando el aire contenido en la esfera se enfría, el agua asciende por la cánula de vidrio, indicando la diferencia de temperatura. Sin embargo, este dispositivo de medida no sólo era sensible a las variaciones de la temperatura sino que registraba las de la presión, por lo que no era adecuado para mediciones precisas. Además, el instrumento sólo señalaba diferencias en la temperatura y no los valores de ésta, ya que no se disponía todavía de ninguna escala de temperaturas.
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Figura I.5. Reproducción del termoscopio de Galileo. [en línea] < http://lioso.net/?p=592 > [consulta: 15/05/2010]
En 1641, el Duque de Toscana, construye el termómetro de bulbo de alcohol con capilar sellado, como los que se usan actualmente. Para la construcción de estos aparatos fue fundamental el avance de la tecnología en el trabajo del vidrio.
A mediados del XVII, Robert Boyle descubrió las dos primeras leyes que manejan el concepto de temperatura.
Posteriormente se descubrió que, todos los cuerpos expuestos a las mismas condiciones de calor o de frío alcanzan la misma temperatura (ley del equilibrio térmico). Al descubrir esta ley se introduce por primera vez una diferencia clara entre calor y temperatura. Los termómetros tuvieron sus primeras aplicaciones prácticas en Meteorología, en Agricultura (estudio de la incubación de huevos), en Medicina (fiebres), etc., pero las escalas eran arbitrarias: "estaba tan caliente como el doble del día más caliente del verano" o tan fría como "el día más frío del invierno".
En 1717 Fahrenheit, un germano-holandés (nació en Dancing y emigró a Amsterdam), fabricante de instrumentos técnicos, construyó e introdujo el termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy) y tomó como puntos fijos:
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el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua, que es la temperatura más baja que se podía obtener en un laboratorio, mezclando hielo o nieve y sal.
y la temperatura del cuerpo humano, una referencia demasiado ligada a la condición del hombre.
Dividió la distancia que recorría el mercurio en el capilar entre estos dos estados en 96 partes iguales. Newton había sugerido 12 partes iguales entre la congelación del agua y la temperatura del cuerpo humano. El número 96 viene de la escala de 12 grados, usada en Italia en el S. XVII (12*8 = 96).
Aunque la temperatura de la mejor proporción de hielo y sal es alrededor de -20 ºC Fahrenheit, finalmente, ajustó la escala para que el punto de congelación del agua (0 ºC en la escala Celsius) fuera de 32 ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212 ºF.
La escala Fahrenheit, que se usa todavía en los países anglosajones, no tenía valores negativos (no se podían lograr en esa época temperaturas por debajo de cero grados) y era bastante precisa por la dilatación casi uniforme del mercurio en ese intervalo de temperaturas. Con este termómetro de precisión Farenheit consiguió medir la variación de la temperatura de ebullición del agua con la presión del aire ambiente y comprobó que todos los líquidos tienen un punto de ebullición característico.
En 1740, Celsius, científico sueco de Upsala, propuso los puntos de fusión y ebullición del agua al nivel del mar (P=1 atm) como puntos fijos y una división de la escala en 100 partes (grados).
Como en Suecia interesaba más medir el grado de frío que el de calor le asignó el 100 al punto de fusión del hielo y el 0 al del vapor del agua en la ebullición. Más tarde el botánico y explorador Linneo invirtió el orden y le asignó el 0 al punto de congelación del agua.
Esta escala, que se llamó centígrada por ser diferente a la mayoría de las demás graduaciones, que eran de 60 grados según la tradición astronómica, ha continuado hasta una época reciente UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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(1967) y se proyectó en el Sistema métrico decimal.
La escala Kelvin tiene como referencia la temperatura más baja del cosmos. Para definir la escala absoluta o Kelvin se debe recordar lo que es el punto triple. El llamado punto triple es un punto muy próximo a 0 ºC en el que el agua, el hielo y el valor de agua están en equilibrio.
En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y se conservó la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero queda a -273,15 K del punto triple y se define como cero absoluto o 0° K. En esta escala no existen temperaturas negativas. Esta escala sustituye a la escala centígrada o Celsius.
A la temperatura del cero absoluto no existe ningún tipo de movimiento y no se puede sacar calor. Es la temperatura más baja posible y todo el movimiento atómico y molecular se detiene. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto pueden emitir energía térmica o calor.
Paralelamente al estudio de los conceptos de temperatura y de calor se empezaron a desarrollar aplicaciones técnicas derivadas de la manipulación de la energía térmica.
Distintos instrumentos han servido a lo largo de la historia para medir la humedad atmosférica. Desde el siglo XV, los llamados higrómetros higroscópicos, aparatos sensibles a cambios en su peso o dimensiones como resultado de absorber humedad en forma de vapor de agua, han servido para ello. Sin embargo, el gran desarrollo de estos instrumentos se remonta a los siglos XVII y XVIII. Un ejemplo de este desarrollo es la invención, en el siglo XVII, del llamado higrómetro de condensación.
Se trataba de un recipiente relleno de hielo, cuya parte inferior terminaba en
punta. La
humedad era medida a partir de la cantidad de agua que, por condensación del aire exterior, se formaba en la superficie del instrumento y caía en una vasija situada bajo el recipiente.
A mediados del siglo XVIII Charles Le Roy (1726-1779), convenció de que el agua debía UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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disolverse en el aire, definiría el punto de rocío (temperatura a la que debe enfriarse el aire a una presión constante para saturarse, es decir, para observar como se condensa el agua en pequeñas gotas), concepto de gran importancia para el desarrollo de este tipo de aparatos.
La aplicación técnica de este principio se tuvo en 1820 con la construcción del higrómetro de punto de rocío por Jhon Frederic Daniell, formado por dos esferas de vidrio unidas por un tubo en forma de U. En el interior del dispositivo se ubica, en una de las esferas, un termómetro en contacto con un líquido etéreo. El aire interior del tubo y otro termómetro exterior completan el dispositivo. La segunda esfera se cubre con una tela, sobre la que se vierte un líquido altamente volátil. La refrigeración por lo tanto produce una disminución de la temperatura en el interior del tubo que es registrada por el primero de los termómetros. Esto, a su vez, supone que el vapor de agua atmosférico se condense sobre la superficie de la esfera en donde se encuentra éste termómetro.
La temperatura a la que ocurre esto establece el punto de rocío. Finalmente, la diferencia de temperatura entre el termómetro interior y el exterior da la humedad relativa, por medio de tablas impresas (Middleton, 1966; Middleton 1969; Turner, 1998).
Por otra parte, a finales del siglo XVII, Jhon Leslie diseñaba un termómetro diferencial, en el que la diferencia de temperatura entre dos termómetros, uno húmedo y otro seco, proporciona una medida indirecta de la humedad ambiente. El mayor problema que presentaba este instrumento era la necesidad de una propia ventilación para evitar las variaciones en la lectura del termómetro.
Luego de la introducción del término psicómetro en 1825 por Ernest Ferdinand August, en referencia al instrumento, explota el enfriamiento como consecuencia de la evaporación de un líquido, Richard Assman presentaría en 1982 su psicómetro ventilado (o aspiropsicómetro), en el que un ventilador hace llegar de forma controlada una corriente de aire a los termómetros, a la vez que se elimina el efecto producido por la radiación.
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1.3 MÉTODOS DE SECADO
Los descubrimientos y principios antes mencionados, desarrollados por los hombres de ciencia de la antigüedad, con el paso de los años han ido mejorando y volviéndose más sofisticados.
En tiempos recientes los
avances experimentados por la industria de fabricación de
secadores, permite disponer de técnicas y tecnologías que han mejorado el rendimiento energético y la capacidad de las cámaras de secado
Enfocando los sistemas de secado a la madera, la cual es uno de los elementos constructivos más antiguos que el hombre ha utilizado en la construcción de sus viviendas y la producción de muebles, para lograr trabajarla en forma adecuada y obtener un resultado excelente, es indispensable conocer y manejar las características y propiedades de la madera relacionadas con su estructura anatómica, así como la forma de corte y el proceso de secado. Éste proceso se puede realizar de distintas formas y su elección depende de varios factores.
En la actualidad se pueden encontrar diversos métodos de secado como los son:
1.3.1 SECADO AL AIRE
Este método es el mas usado y menos sofisticado de todos los procesos de secado, y consiste en exponer la madera a las condiciones ambientales de un determinado lugar, con el fin de disminuir el contenido de humedad hasta llegar al nivel requerido. Este valor tendrá como límite la humedad de equilibrio de la zona en que se encuentre la madera y depende de las condiciones climáticas, especialmente del aire quien actúa como el agente de secado.
El secado de la madera se produce por que el aire transmite su calor arrastrando la humedad proveniente de la pieza de madera, disminuyendo así su temperatura y aumentando la
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humedad relativa a medida que pasa por la pila de madera.
Para este método la tasa de secado está determinada por las condiciones atmosféricas del lugar (temperatura, régimen de lluvias, humedad relativa y velocidad del viento) y su variabilidad a lo largo del año. Cuando las condiciones atmosféricas permanecen más o menos constantes la velocidad del aire se vuelve determinante para la tasa de secado, siendo importante orientar las pilas de madera según la dirección del viento dominante. Éste método se caracteriza por ser de larga duración, dependiendo básicamente de la especie, las condiciones atmosféricas, el encastillado y ubicación del patio de secado.
Debido a que no se tiene control alguno sobre las condiciones ambientales del lugar, se deben tomar medidas especiales para evitar la aparición de defectos de secado, como grietas, rajaduras, alabeos, etc.
Cuando el secado al aire se desarrolla en secadores con alta radiación solar y/o alta pluviosidad es recomendable la implementación de techos, con el fin de proteger la madera de la radiación solar directa, evitando que la superficie de las piezas ubicadas en la parte superior de la pila reduzcan demasiado su contenido de humedad, lo que puede provocar grietas y deterioro de la madera.
La duración del secado al aire libre está determinada por una serie de factores, tales como la especie, el tipo de apilado, condiciones ambientales (temperatura, humedad relativa, velocidad del aire y pluviosidad), propiedades características de la madera, contenido de humedad inicial, etc. Por lo tanto, no se puede estimar una duración del secado al aire en forma general.
Figura I-6. Secado de madera al aire libre. [en línea] < www.cismadera.com> [consulta: 15/05/10]
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1.3.2 SECADO AL AIRE ACELERADO
Consiste en ubicar la madera en cobertizos o bajo techos, pudiendo o no cubrir los costados con mallas u otros métodos más elaborados. Dentro de la estructura el movimiento del aire es forzado con ventiladores y la temperatura se puede o no regular mediante medios artificiales o naturales. Se considera un tipo de presecado.
El hecho de cubrir la madera bajo cobertizos o techumbres proporciona protección cuando las condiciones climáticas son severas, como por ejemplo en caso de lluvia o de excesiva radiación solar, lo que eventualmente puede provocar defectos. Además, se logra una mayor estabilidad en las condiciones ambientales en el sitio en donde se ubica la madera por estar relativamente aislado del exterior.
Los ventiladores provocan el movimiento del aire a mayor velocidad que en el secado al aire, remueve más rápido la humedad de la superficie de la madera, además de transmitirle calor, con lo que aumenta la tasa de secado, disminuyendo el tiempo necesario para llegar a un contenido de humedad final.
1.3.2.1 Duración del secado
El hecho de tener condiciones ambientales más estables dentro del cobertizo o galpón que en el exterior, y que la velocidad del aire sea mayor que la que se tiene en condiciones naturales, permite que el tiempo de secado se reduzca en comparación con el secado al aire.
El tiempo de secado, al depender de diferentes factores, tales como la especie de madera, temperatura, humedad relativa, etc. no puede ser determinado con precisión y depende del caso en particular. A modo de ejemplo, una madera de roble de 25mm de espesor, se puede secar a un 20% de contenido de humedad en aproximadamente 30 días.
El contenido de humedad final será determinado por la humedad de equilibrio correspondiente a las condiciones ambientales que se generen en el ambiente de secado las que, generalmente, no serán las mismas que se encuentran en el exterior.
Estas condiciones deben ser medidas dentro de la cámara y no se deben considerar aquellas UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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definidas para la zona en la que se realiza el secado.
Para poder determinar el contenido de humedad de la madera durante el secado, lo más utilizado es el xilohigrómetro y las tablas.
1.3.3 PRESECADO
El presecado corresponde a una transición entre el secado al aire acelerado y el secado en cámara a baja temperatura.
Una práctica habitual es el secado parcial de la madera al aire, para luego continuar con un secado en la cámara. Esto se realiza especialmente en maderas latifoliadas de secado difícil y de alto valor económico, disminuyendo el costo que significa secar la madera desde estado verde a contenido de humedad final.
El presecado se ha desarrollado con el fin de reemplazar el secado al aire en este tipo de casos, debido a que cuando las condiciones ambientales no son las más adecuadas, el secado al aire puede tardar mucho.
Comparando con el método de secado al aire, la madera puede sufrir deformaciones, degradación y defectos excesivos, no obstante, las variables de secado son más controlables. Debido a la menor duración del presecado se disminuye el costo que representa el mantener la madera detenida por largos periodos y requiere de menos espacio, evitando el tener que habilitar canchas de secado de forma especial.
Básicamente, el método de presecado consiste en apilar madera dentro de una estructura, la que puede ser de diferentes materiales, tamaños y diseños, dependiendo de los requerimientos del caso en particular. Se impulsa aire mediante ventiladores dentro de la estructura y la temperatura se puede aumentar mediante tuberías con agua caliente, métodos solares u otro sistema de calefacción. La magnitud de la temperatura oscila alrededor de los 45°C y la humedad relativa del aire puede ser regulada mediante la apertura o cierre de ventilas, que se ubican en el techo de la estructura. No se emplean sistemas de humidificación adicionales.
Por lo general, el presecado no se utiliza para llegar al contenido de humedad final de la madera, sino para aproximarlo al punto de saturación de las fibras, para luego reducirlo a la UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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magnitud final, aplicando secado en cámara.
1.3.4 SECADO EN HORNO
Debido a los distintos usos de la madera, es necesario que ésta se encuentre a un contenido de humedad muy inferior al que se presenta en el momento de ser cortada.
Uno de los métodos más usados para poder alcanzar un contenido de humedad inferior a 15%, es el secado en cámara o en horno, cuyo uso más eficiente se logra con especies latifoliadas de secado complicado, desde contenidos de humedad cercanos al 25% y con coníferas desde estado verde o parcialmente seco.
La madera se expone a condiciones de temperatura y humedad relativa que pueden ser controladas. Se realiza en una cámara o compartimiento cerrado, con un sistema de calefacción que permite elevar la temperatura del horno y dispositivos regulables para la variación de humedad relativa. El aire es forzado, por medio de ventiladores, a circular por toda la cámara, pasando por las pilas de madera.
La cámara en la que se realiza el secado, debe ser hermética, de materiales que proporcionen una baja conductividad térmica, resistentes a la corrosión y a las altas temperaturas.
Las temperaturas que se utilizan en este método de secado van desde los 40°C, para el secado a baja temperatura, hasta más de 100°C. Para el secado a alta temperatura la velocidad del aire puede ir desde 1 a 7 m/s, lo que depende del tipo de secado en horno que se esté realizando.
En si, el secado en cámara consiste en hacer pasar aire forzado por el sistema de ventilación, por los sistemas de calefacción y de humidificación existentes según sean los requerimientos, para que luego circule entre las pilas que se encuentran dentro de la cámara. A medida que el aire va circulando entre los castillos va recogiendo la humedad proveniente de la madera, por lo que la humedad relativa aumenta y la temperatura disminuye, ya que cede su calor a la madera. Cuando el aire termina éste recorrido, se encuentra más frío y húmedo que al principio y es forzado por los ventiladores a salir por las ventilas y al mismo tiempo se obtiene aire desde el exterior.
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Figura I-7. Secado en horno. [en línea] < www.tec.cr/sitios/Docencia/forestal/Revista Kuru/anteriores/anterior13/pdf/solucion%.pdf > [consulta: 20/05/2010]
1.3.5 SECADO COMBINADO
1.3.5.1 Combinación aire- horno
El secado combinado aire-horno consiste en secar la madera al aire desde que esta verde hasta un contenido de humedad cercano al punto de saturación de las fibras, para luego secarla en la cámara hasta el contenido de humedad final.
Este método busca optimizar el secado, reduciendo el consumo de energía y el tiempo de secado en cámara, ya que el consumo de energía para reducir el contenido de humedad en cámara, desde estado verde hasta la humedad final, es alto.
1.3.5.2 Combinación presecado- horno
La combinación presecado-horno se utiliza para reducir el contenido de humedad de la madera. En el presecado se seca desde verde hasta un contenido de humedad cercano al punto de saturación de las fibras y en el secado en cámara, hasta el contenido de humedad final. El objetivo principal de esta combinación es reducir el tiempo de secado en cámara y los costos involucrados.
Este método se utiliza cuando se desea reducir la humedad de la madera desde su estado verde al punto de saturación de las fibras más rápido que con el secado al aire, las condiciones no son las apropiadas para el secado al aire, o cuando se desea reducir esta humedad de una UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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manera más controlada, con el fin de evitar defectos asociados al secado al aire que se pueden encontrar en maderas de secado complicado de alto valor económico.
La combinación de métodos de secado, tales como el secado al aire con el secado en horno o el presecado con secado al horno, se aplica principalmente para el ahorro, tanto de energía como de tiempo de operación, además de aumentar la calidad de secado.
Como los costos del secado en cámara son altos, es necesario que los tiempos en ella sean reducidos, por lo que conviene reducir los primeros grados de humedad en la madera rápidamente, con el fin de disminuir el tiempo de permanencia de la madera en la cámara.
La práctica del secado combinado requiere un espacio cercano a la cámara de secado, en el cual se realice la etapa de secado al aire o presecado, según corresponda. También se debe disponer de los medios necesarios para el movimiento de la madera desde un sector a otro.
1.3.6 SECADO SOLAR
En el secado solar la fuente de energía para evaporar el agua de la madera, es el sol. La madera se dispone en pilas con listones separadores dentro de una cámara, la que está especialmente diseñada para captar y conservar la mayor cantidad de energía posible.
La cámara consta de un captador, el que recibe la energía proveniente del sol y la convierte en energía térmica. El diseño de la cámara está sujeto al lugar en el que se ubique, ya que debe considerar la trayectoria del sol, pero a modo general, se busca que el colector reciba los rayos solares de la forma más perpendicular posible, es por esto que se le da un inclinación al techo del secador. En el hemisferio sur, los secadores se ubican con el colector mirando hacia el norte.
Con respecto al tiempo de secado, con el secado solar se consiguen entre dos y cinco veces menos que con el secado al aire. Además, se pueden obtener contenidos de humedad por debajo del punto de saturación de las fibras.
La eficiencia de los secadores solares depende de las condiciones climáticas del sector en el que se encuentren y de las características del diseño empleado.
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Figura I-8.Secador solar. [en línea]< http://www.ideassonline.org/tecnologias/E004.Secador%20solar%20para%20madera.Guatemala.pdf>[co nsulta: [20/05/2010]
1.3.7 SECADO POR VACÍO
Este método consiste en someter a la madera a condiciones de vacío y temperatura. La temperatura que se utiliza es del orden de los 60 a 80°C la condición de vacío incrementa el coeficiente de difusión de agua en la madera y se disminuye la temperatura de ebullición del agua, por lo que la tasa de secado aumenta sin que la madera sufra una exposición a altas temperaturas.
El agua que sale de la madera es succionada hacia el exterior por la bomba de vacío o condensada para luego ser evacuada.
Para poder evaporar el agua de la madera es necesario calentarla, aunque la temperatura requerida en este método para tal efecto, es mucho menor que la necesaria en condiciones de presión atmosférica normal.
Como el agente trasmisor de calor es el aire y en el secado por vacío ocurre un enrarecimiento de éste, siendo imposible calentar la madera, esta operación se debe hacer mediante placas metálicas, interrumpir el vacío a intervalos regulares, durante los que se calienta la atmósfera o poner sobre la pila de madera elementos que irradien calor.
Una cámara de secado por vacío consta esencialmente de una celda con los diferentes elementos metálicos, en la que se coloca la madera, un dispositivo de calefacción, otro para la UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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eliminación de agua, la bomba de vacío, los instrumentos de regulación y control. Por lo general, la cámara es un cilindro hecho de láminas de acero, que se dispone en forma horizontal cuya capacidad puede ir desde los 15 a los 25 m3.
Figura I.9. Horno de vacío. Figura 1 Puerta, 2 Pila de madera, 3 Electro ventilador,4 Cuadro eléctrico, 5 Generador de vapor, 6 Bomba de vacío, 7 Carro, 8 Válvula de descarga. [en línea] < http://webdelprofesor.ula.ve/forestal/moranest/pagina_personal/presentaciones/secado_3.pdf>[consulta 20/05/2010]
1.3.8 SECADO POR RADIACIONES
En el secado por radiaciones se emplean ondas para transmitir energía a la madera y elevar su temperatura. Se utilizan especialmente tres tipos de radiación: lámparas infrarrojo, microondas y alta frecuencia, transmitiéndose el calor por el campo que se forma a través de la madera. Éste método se puede realizar bajo condiciones de vacío o de presión atmosférica. Como fuente de energía se puede usar gas o electricidad.
Para realizar el secado, la madera se coloca en la exposición de la fuente de calor, ya sea ésta luz infrarroja, microondas o radiofrecuencia. La alteración que sufre la pieza de madera provoca una rápida y constante agitación de las moléculas del agua al interior de ella, calentando toda su masa. El método de la radiofrecuencia se puede utilizar en el secado por vacío, en el que la transmisión del calor a la madera resulta complicada y existen pocas alternativas.
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Figura I.10. Sistema de secado de madera basado en radiadores infrarrojos [en línea] [consulta:20/05/2010]
1.3.9 SECADO POR DESHUMIDIFICACIÓN
En el método de secado por deshumidificación, la madera se pone en una cámara hermética y aislada térmicamente, secándose por medio de un flujo continuo de aire seco y caliente, recogiendo la humedad que se evapora de la madera.
El sistema consta de una máquina de refrigeración la que succiona la humedad del aire que pasa por la madera, condensándola y expulsándola hacia el exterior mediante una tubería de drenaje. En la cámara también existe un sistema de ventilación que facilita la circulación del aire, además existe un sistema de ventiladores externos complementarios que regulan la velocidad y la mezcla del aire.
Dentro el secado por deshumidificación se distinguen tres fases:
A) Calentamiento de la madera.
B) Secado con intercambio parcial de aire entre el exterior y el interior de la cámara, para renovar el aire húmedo por aire más seco desde el exterior.
C) Secado por condensación, en la que la humedad del aire húmedo es condensada por la máquina de refrigeración y drenado hacia el exterior.
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1.3.10 SECADO DIELÉCTRICO
La madera en si es un material que resiste el paso de la electricidad, pero cuando la madera presenta humedad, la corriente eléctrica puede ser transmitida por ésta humedad. El secado dieléctrico ocurre por la aplicación directa de electricidad a la madera. Se distinguen dos tipos, el secado por resistencia eléctrica y el secado por corriente de alta frecuencia.
El secado dieléctrico por corriente de alta frecuencia consiste en poner la madera en un campo de corriente alterna de alta frecuencia, donde se calienta a una temperatura superior a la del punto de ebullición del agua, producto de la fricción producida por el movimiento de las moléculas. El secado tarda entre dos y cuatro horas en maderas permeables. Para maderas poco permeables el movimiento de agua es mucho más difícil, por lo que las presiones dentro de la madera aumentan, corriendo el riesgo de que ocurran explosiones dentro de ésta, lo que deriva en defectos.
1.4 ESTADO ACTUAL DEL USO DE SISTEMAS DE SECADO
Estos métodos de secado han sido desarrollados y aplicados con mayor o menor grado de control en diferentes partes del mundo, siendo de mayor importancia para los países que cuentan con grandes recursos forestales y para los que desean posicionar sus productos y competir en mercados exigentes.
Entre éstos países se encuentra España que cuenta con laboratorios de investigación para la madera, donde han realizado estudios sobre los programas de secado y elaborado tablas muy completas para diversas especies de madera.
También se encuentran involucrados en el secado de madera países de Sudamérica como:
CHILE
La actividad maderera en éste país es de gran importancia, por eso tienen como objetivo principal obtener productos de buena calidad, ya que la madera presenta defectos si no es tratada adecuadamente. Debido a la demanda de éste producto utilizan el secado artificial para UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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reducir tiempos y tener mayor calidad.
Cuentan con un programa llamado ChileCalifica que pretende contribuir al desarrollo del país y mejoramiento de las oportunidades.
Ellos se enfocan principalmente al secado del Pino Radita en horno , los programas de secado usuales en la industria son el secado a temperatura convencional, el secado convencional acelerado y el secado por alta temperatura .En todos estos casos el programa de secado se inicia con una calentamiento inicial con la mínima diferencia psicrométrica hasta la temperatura de bulbo húmedo y posteriormente un aumento de la temperatura ambiente hasta la temperatura del programa respectivo.
COSTA RICA
El secado que tradicionalmente se lleva a cabo en Costa Rica es al aire libre. Pero presenta la desventaja que logra bajar los contenidos de humedad entre 18 y 24%, dependiendo de la región geográfica donde se realice el proceso de secado. Estos valores no son los óptimos para trabajar productos acabados, pues por lo general existen problemas de contracciones en la madera que afectan la aplicación de adhesivos y acabados, lijado, entre otros. La otra opción que existe es la de utilizar hornos convencionales, pero sólo está disponible en muy pocas industrias, debido a su alto costo de inversión y de operación, poca disponibilidad de mano de obra calificada y complejos sistemas de control de humedad de la madera y de temperatura y humedad relativa de la cámara de secado.
La tecnología intermedia entre el secado al aire libre y el secado en horno convencional, es el uso de secadores solares. La inversión inicial en la construcción de este tipo de secadoras no es muy alta y los diseños y modelos no son complejos de construir ni de operar; se puede obtener material seco más rápidamente y con contenidos de humedad óptimos para el producto acabado en las líneas de fabricación de muebles, puertas, juguetes, entre otros.
COLOMBIA
Es un país ubicado en el trópico, es por ello que posee una gran variedad de especies maderables. Sin embargo, arquitectos, diseñadores, fabricantes de muebles y en general, los usuarios nacionales de primera mano, denuncian que pese a la variedad existente, los UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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depósitos presentan deficiencias y problemas en la oferta de la materia prima, lo que no sólo ocasiona el entorpecimiento del trabajo de quienes se sirven de ellas, sino también el incremento en inversión y la pérdida de tiempo para la entrega de productos.
El principal problema es la venta de madera húmeda y mal dimensionada, lo que ocasiona mala calidad en los productos finales debido a la escasa tecnología con la que cuentan.
MÉXICO
Los métodos utilizados con mayor frecuencia en el sector de transformación de la madera en nuestro país son el secado al aire libre, el secado solar y el convencional el cual usa como fuente generadora de calor serpentines con vapor de agua en su interior. Con el uso de éste método se puede llevar un control preciso sobre el proceso de secado; en México existen guías de secado para las especies más comerciales.
Se ha comprobado en México, el uso de secadoras solares desde hace más de 15 años, esta tecnología es de bajo costo, muy accesible a los pequeños y medianos productores, tienen un bajo consumo de energía convencional, requieren de un mantenimiento básico y sencillo y no generan contaminación ambiental.
XALAPA
Aproximadamente por 1983 se construyó en esta ciudad el primer secador solar para madera con una capacidad de 1000 pies/tabla en la CITEMA (Laboratorio de Ciencia y Tecnología de la Madera) del Instituto Nacional de Investigaciones sobre Recursos Bióticos, los estudios fueron realizados por Enrique Martínez- Pinillos Cueto.
El funcionamiento del secador basado en la captación de energía solar, mediante cuatro colectores, que elevan la temperatura del aire para hacerlo circular a través de la pila de madera. Se utilizan dos ventiladores eléctricos con motor de 1/2 hp.
El aire que sale de la pila que tiene dos opciones de movimiento, según convenga: si las ventilas están abiertas el aire puede salir por ellas con una temperatura mas elevada, si se encuentran cerradas pasa a los colectores para calentarse nuevamente y entonces vuelve a pasar por la madera. UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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Con los datos obtenidos se observó la velocidad del secado de dos cargas iguales de madera de pino de 2.5 cm de peso cada una colocada en el interior del secador; y la otra fue secada al aire libre.
En los resultados obtenidos se observó que, en tiempos iguales, la madera que se encontraba en el interior del secador alcanzó un contenido de humedad del 11% mientras que la que estuvo al aire libre llegó al 21% . La temperatura obtenida en el interior del secador se encontró 10°C, en promedio por encima de la registrada en el medio ambiente.
En la actualidad el laboratorio ha cambiado de nombre de CITEMA por INECOL (Instituto de Ecología), donde se siguen realizando estudios sobre la madera y construyendo éste tipo de secadores en otras regiones del estado de Veracruz.
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CAPÍTULO II ELEMENTOS DE CONTROL
El secado de madera es el proceso mediante el cual se elimina el exceso de agua en la madera. Se aplica con el propósito de estabilizar a la madera para un óptimo procesamiento y maquinado.
El secado se logra por la interacción de una serie de factores que deben ser considerados para éste proceso, con el fin de lograr las condiciones finales deseadas. Los factores a considerar en el secado dependen de dos elementos y son:
*El aire Aquí se toman en cuenta las condiciones ambientales que se tienen en el proceso, pueden ser o no controladas dependiendo del tipo de secado (al aire o en cámara). Dentro de las condiciones ambientales las variables a controlar son, la velocidad del aire, la humedad relativa y la temperatura del aire que rodea al horno.
*La madera Para la madera se debe conocer el tipo, propiedades y las exigencias impuestas por el producto que se desea obtener. Los factores que influyen son el contenido de humedad, densidad y espesor de la madera..
Existen diferentes formas de secar la madera, algunas de ellas permiten un mayor control de las condiciones ambientales que otras, pero independientemente del método de secado que se utilice, siempre existen mecanismos de control, ya sea para controlar la temperatura, la humedad relativa. etc.
En la mayoría de los casos, la función de los sistemas de operación y control es la de obtener UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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datos correspondientes a determinadas condiciones dentro de la cámara, con el fin de regularlas, y controlar el programa de secado establecido.
El control de las condiciones existentes para el secado se hace mediante instrumentos, los que han sido especialmente diseñados y calibrados para medirlas.
2.1 BASES FÍSICAS DEL SECADO
En cuanto a los factores ambientales presentes en el aire se tienen las siguientes variables a controlar: HUMEDAD VELOCIDAD TEMPERATURA PRESIÓN.
2.2 HUMEDAD
La humedad es la condición de la atmósfera en relación al vapor de agua que contiene.
El vapor de agua siempre está presente en el aire de forma variable. La cantidad de agua que el aire puede sostener depende de la temperatura, cuanto mayor es la temperatura mas vapor de agua puede sostener.
El punto de condensación es la temperatura en la cual el aire, que contiene cierta cantidad de vapor agua se satura; cualquier reducción en la temperatura da lugar a la condensación.
Humedad relativa
Es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenida en el aire y la máxima cantidad UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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que puede contener a la misma temperatura. Si aumenta la temperatura, aumenta la capacidad del aire de contener vapor de agua, lo que quiere decir que puede absorber mayor cantidad de vapor de agua de la madera.
Igualmente al
extraer vapor de agua del aire, baja su humedad relativa y aumenta la
capacidad de extraer vapor de la madera. A una humedad relativa dada, hay un valor de equilibrio de la humedad de la madera. Después ya no pierde más humedad. Por eso es que se tienen que ir variando las condiciones del ambiente a medida que la madera se va secando.
2.2.1 MOVIMIENTO DE LA HUMEDAD DURANTE EL SECADO
La estructura celular de la madera permite que dentro de ella se puedan encontrar cavidades, que pueden contener agua líquida, vapor de agua, gases, etc. El agua que se encuentra ocupando estos espacios es denominada agua libre.
El agua además de ocupar estos espacios, también puede estar en la pared celular, donde se asocia con los constituyentes de la madera (celulosa y lignina). Por ésta razón se encuentra ligada más fuertemente a la estructura de ésta y es por esto mismo que se le denomina agua ligada.
Cuando comienza el proceso de secado, el agua libre es la primera en ser
evacuada. Por no
estar asociada a los constituyentes de la madera requiere de menos energía para ser eliminada.
Cuando las cavidades celulares están vacías y las paredes celulares están saturadas de agua, es decir, cuando la totalidad del agua libre ha sido eliminada y sólo queda el agua ligada, la madera se encuentra en un estado llamado punto de saturación de las fibras. En la mayoría de las especies este estado se encuentra entre el 28 y 30% de contenido de humedad.
2.2.2 MOVIMIENTO DEL AGUA SOBRE EL PUNTO DE SATURACION DE LAS FIBRAS
El movimiento de agua sobre el punto de saturación de las fibras corresponde al movimiento del agua libre. El agua que se mueve durante esta etapa puede estar tanto en forma líquida UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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como de vapor y se traslada desde sectores de menor contenido de humedad a los de mayor contenido de humedad; el vapor de agua lo hace por difusión y el agua líquida por la capilaridad debido a la fuerza de las tensiones superficiales. Esta fuerza aumenta si el tamaño de los capilares disminuye, lo que en especies con capilares pequeños puede acarrear problemas de colapso.
El
principio físico de capilaridad del agua, permite que el agua avance por canales
microscópicos de un lugar a otro; es así que el agua en la madera se mueve del interior al exterior por diferencia de presión, generada por el secado superficial del agua en las capas externas de la madera.( Figura II-1)
Figura II-1 Principio de capilaridad del agua. Técnicas de secado de la madera [en línea] [consulta: 20/06/2010]
El agua en una pieza de madera se desplaza del interior hacia las caras superficiales y hacia los extremos, manteniendo la humedad en el centro de la pieza (Figura II-2).
Figura II-2 Desplazamiento del agua del interior a la superficie. Técnicas de secado de la madera [en línea] [consulta: 20/06 /2010]
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2.2.3 MOVIMIENTO DEL AGUA BAJO EL PUNTO DE SATURACION DE LAS FIBRAS
El movimiento de agua bajo el punto de saturación de las fibras corresponde al movimiento de agua ligada. En esta etapa la humedad puede desplazarse como agua líquida que aún se encuentra asociada a los constituyentes o como vapor de agua y en ambos estados el agua se mueve desde sectores de mayor contenido de humedad a sectores con menor contenido de humedad por difusión. La energía necesaria para mover el agua ligada en forma líquida, es mucho mayor que la necesaria para mover el mismo volumen de agua libre, líquida.
Cuando la madera pierde humedad por debajo del punto de saturación de las fibras, se vuelve inestable reduciendo sus dimensiones a medida que el contenido de humedad disminuye, fenómeno conocido como contracción, el que se atribuye a la deshidratación de las paredes celulares.
La madera además de perder humedad también puede ganarla y en este caso ocurre un movimiento de agua, similar al descrito anteriormente. Todo esto se produce para alcanzar el contenido de humedad de equilibrio adecuado a las condiciones ambientales a las que se expone la madera.
2.2.4 HUMEDAD DE EQUILIBRIO DE LA MADERA
La madera es un material que por sus características tiene la posibilidad de ganar o perder humedad (material higroscópico). Esto ocurre para adecuarse a las condiciones ambientales a las que está expuesta y llegar al contenido de humedad de equilibrio, el cual se define como el punto en que la madera no pierde ni gana humedad y depende de las condiciones ambientales de temperatura y humedad relativa a las que se somete, además de las características propias de la especie de la madera.
Cuando se seca madera, ésta va perdiendo humedad para adaptarse a las condiciones ambientales existentes en el medio. Cuando el secado es en horno estas condiciones pueden ser manejadas de tal forma que se va reduciendo el contenido de humedad de la madera más conveniente para la especie y uso posterior de la madera. En el secado al aire las condiciones están dadas por las características del lugar geográfico en donde se realice el proceso, y de ellas depende la humedad de equilibrio que alcance la madera. UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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De acuerdo a las condiciones promedio de temperatura y humedad relativa de un lugar determinado, se puede estimar la humedad de equilibrio que alcanzará la madera si es dejada en este ambiente, por un tiempo prolongado.
Es importante que el secado de la madera se haga pensando en las condiciones de uso a las que será expuesta y se trate de lograr un contenido de humedad cercano a la humedad de equilibrio del lugar en el que se establecerá el material.
Las condiciones ambientales a las que se expone la madera cuando se encuentra en uso, no son constantes por lo que experimenta variaciones en su contenido de humedad. Cuando las condiciones ambientales de un lugar varían con un periodo corto de tiempo, estas no alteran la humedad de la madera de forma importante, como pudiera ocurrir con las variaciones entre estaciones que suelen ser más severas y prolongadas, en este caso se provocan variaciones dimensionales en la madera.
Para que esto no ocurra es necesario utilizar un correcto contenido de humedad, para que no se produzcan deformaciones que afectarán sus propiedades físicas y mecánicas además de la incidencia en la apariencia del material.
Kollman, comprobó que la Humedad de equilibrio Higroscópico (HEH) es casi constante para todas las maderas, elaborando un ábaco (Figura II-3) para determinar éste valor.
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Figura II.-3 Curvas de equilibrio higroscópico de la madera. Tecnología de la madera. Santiago Vignote, Francisco J. Jiménez [libro]
2.2.5 CONTENIDO DE HUMEDAD
El contenido de humedad es el agua presente en la madera, o en un producto de madera.
Convencionalmente, el contenido de humedad (CH) se define como la relación porcentual del peso del agua contenida en la madera, respecto al peso seco o anhidro (libre de humedad) de la madera:
CH
Peso del agua 100 Peso sec o al horno
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(2.1)
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Existen varios métodos para determinar el CH de madera; se describen a continuación los dos más importantes.
2.2.5.1 Método gravimétrico o por diferencia de peso
De una pieza de madera se corta una muestra e inmediatamente se pesa para obtener el peso inicial (Pi), luego se coloca en un horno a una temperatura máxima de 105 grados Celsius hasta que se obtenga un peso constante de la muestra, el que será el peso seco al horno o peso final (Po).
Para calcular el contenido de humedad (CH) se aplica la siguiente fórmula:
CH
Pi
Po 100 Po
(2.2)
2.2.5.2 Métodos eléctricos
Las propiedades eléctricas de la madera más importantes son su resistencia al paso de una corriente eléctrica y sus características como material dieléctrico. Estas se utilizan como base para la fabricación de aparatos destinados a medir el contenido de humedad de la madera. Estos medidores eléctricos (Figura II.4) tienen la ventaja de que las lecturas del contenido de humedad son inmediatas y es una determinación no destructiva; pero presentan ciertas limitantes, principalmente el rango de confiabilidad (6 a 25% CH), se debe corregir la lectura según especie, temperatura y dirección del grano en la madera.
Figura II-4 Determinación de contenido de humedad por métodos eléctricos. [en línea] [consulta: 7/02/ 2010] UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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En la mayoría de los secaderos de madera, la humedad relativa se mide a través del "Bulbo Húmedo" que es una medida termodinámica de la humedad contenida en el aire. Este parámetro se mide con un aparato llamado Psicómetro que es sencillo y por eso su uso.
Un psicómetro está compuesto por dos termómetros, unos es el seco y el otro el húmedo, éstos entregan distintos valores de temperatura, el valor que entrega el termómetro seco corresponde al valor de la temperatura de seco y el que entrega el húmedo al de la temperatura de bulbo húmedo. Conociendo estos dos valores de temperatura se puede conocer la humedad relativa del ambiente, mediante el uso de tablas psicométricas.
2.2.6 GRADIENTE DE SECADO DE MADERAS
Durante el secado ocurre una interacción entre la madera y el ambiente que la rodea. En las primeras etapas del secado la superficie de la madera comienza a perder humedad (por evaporación) y experimenta una velocidad de secado mayor que la de interior de la pieza, por lo que su contenido de humedad es menor que el de la parte interna, esta diferencia es conocida como gradiente de humedad. Este es el punto más importante para un adecuado proceso de secado de madera en hornos.
Un gradiente muy bajo puede prolongar el tiempo de secado de la madera excesivamente, mientras que un gradiente muy alto aceleraría mucho el proceso pero normalmente traería consecuencias graves en la calidad de la madera ó la interrupción del secado de la madera.
Los valores normales están entre 1,5 y 2,5 dependiendo de la especie. En piezas muy gruesas no se pueden usar gradientes altos ya que la diferencia entre el centro de la pieza, que está húmedo, y la superficie, que tiene una humedad de equilibrio de acuerdo al ambiente, es muy alta y provoca esfuerzos que dañan la madera ó interrumpen el secado.
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2.3 VELOCIDAD
El aire es el medio encargado de transportar la humedad que despide la superficie de la madera. A mayor velocidad aumenta la capacidad de arrastre, pero un exceso de aire provocaría un resecamiento de la superficie de la madera generando esfuerzos que pueden dañar la madera o interrumpir en algunos casos el proceso de secado de madera. En la actualidad se utilizan controladores que varían la velocidad del aire de acuerdo a la etapa de secado de la madera.
Dentro de una estiba de madera la velocidad del aire tiene dos finalidades:
1) Trasmitir la energía requerida para calentar el agua contenida en la madera facilitando así su evaporación. 2) Transportar el vapor de agua que sale de la madera.
Figura II-5 Bases físicas del sistema de secado.Técnicas de secado de madera. [en línea]http://www.citemadera.gob.pe/images/publicaciones/documentos/GUIA_secado3.pdfn [consulta: 20/06/2010]
El aparato destinado a medir la velocidad relativa del viento que incide sobre él es el anemómetro. Si éste está fijo, colocado en tierra, entonces medirá la velocidad del viento reinante, pero si está colocado en un objeto en movimiento, puede servir para apreciar la velocidad de movimiento relativo del objeto con respecto el viento en calma. UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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2.4 TEMPERATURA
La temperatura del aire entrega energía necesaria para evaporar el agua de la madera. Mientras más alta sea la temperatura, más rápido se evaporará el agua, por lo que su intensidad influye directamente en la velocidad del secado.
2.4.1 EFECTO DE LA TEMPERATURA DEL AIRE
La temperatura del aire es una condición ambiental muy importante durante el secado de la madera y tiene directa relación con el gradiente de humedad. La evaporación del agua, que tiene lugar en la zona superficial de la madera, se ve acelerada con el incremento de la temperatura del aire ya que éste presenta mayor capacidad para absorber humedad.
El aumento de temperatura también estimula el flujo de humedad dentro de la pieza.
Figura II-6. Contenido de humedad (EMC) en relación con la temperatura y humedad relativa (RH%). Secado de la madera. [libro]
En el gráfico anterior se muestra la influencia de la temperatura en el contenido de la humedad a distintos valores de humedad relativa. Como se aprecia a mayor temperatura menor es el contenido de humedad de la madera, para cualquier valor de humedad relativa.
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Como la superficie de la pieza experimenta temperaturas más altas que el interior, los contenidos de humedad entre estas dos zonas serán diferentes, creándose el gradiente de humedad.
En el secado de la madera la temperatura debe ser controlada de la mejor forma posible, cuidando de no usar condiciones demasiado severas que provoquen defectos, ni demasiados suaves que alarguen el proceso más de lo necesario. Si la madera se expone en forma directa a la radiación solar su superficie eleva su temperatura, por lo que reduce su contenido de humedad más rápido que en el interior aumentándose el gradiente de humedad.
2.4.1.1 Control de la temperatura de la cámara
El control de la temperatura se puede hacer de variadas formas, dependiendo del tipo de cámara, la disponibilidad de recursos, etc .Los medios para medir la temperatura que más se conocen son las termorresistencias, termistores, pirómetros de radiación, etc. pero termocople es el sistema más común cuando de secado de madera se habla. Un termocople está formado por alambres de cobre que constan de hierro o plomo.
Figura II.7 Termocóple [en línea]
[consulta: 24/06/2010]
La medición de temperatura se hace de acuerdo a las variaciones en el flujo de la corriente que pasa por los cables, ésta a su vez depende de la diferencia de temperatura que hay entre las juntas de los cables. En el potenciómetro se pueden leer los datos de temperatura.
El control de la temperatura tiene como fin obtener los datos de temperatura ambiental existente en el interior de la cámara de secado. Una vez conocidos, se debe tomar la decisión UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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de modificar las condiciones o mantenerlas.
2.5 PRESIÓN
La
presión
atmosférica
es
la
que
ejerce
la
atmósfera
o
aire
sobre
la
Tierra. Específicamente es el peso de una columna de aire que tiene como base la unidad de superficie y como altura la de la atmósfera, y varía con la altitud y la temperatura.
Figura II.8 Gráfica presión- altitud [en línea] [consulta: 24 /06/2010]
De la gráfica se puede apreciar que al aumentar la altura o latitud la presión disminuye y al disminuir la latitud la presión aumenta.
PRESIÓN MANOMÉTRICA: La presión manométrica es la que se obtiene o se mide mediante el empleo del manómetro, instrumento diseñado para medir las presiones.
Cuando en este instrumento la aguja indica cero quiere decir que se encuentra a la presión atmosférica.
PRESIÓN ABSOLUTA: Se denomina presión absoluta a la presión que soporta un sistema respecto al cero absoluto. Para poder decir que existe sobrepresión la presión absoluta debe ser superior a la presión atmosférica.
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Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica se dice que existe una depresión. Por lo tanto la sobrepresión y la depresión son la presión relativa. Se debe tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (Pab) como la presión relativa (Pr) están en función de la presión atmosférica (P0).
Figura II.9 Tipos de presión. [en línea] [consulta: 24/06/2010]
Una manera de medir la presión atmosférica es con un barómetro de mercurio, su valor se mide normalmente por la altura de la columna de mercurio introducido en un tubo angosto de vidrio de 1m de longitud y que alcanza una altura de 760 mm.
Con base en esto se tiene
que una atmósfera (atm) estándar es igual a 760 mm Hg
(milímetros de mercurio). Utilizando por conveniencia la unidad Torricelli (torr) como medida de presión; 1 torr = 1 mm Hg, por lo que 1 atm = 760 torr; por lo tanto 1 torr = 1/760 de una atmósfera estándar, o sea 1 torr =1.136 x 10-3 atm (1 x 10-3 es igual a 0.001 o igual a un milésimo).
La presión se está considerando como una variable de control porque en el secado por vacío debe tenerse en cuenta que la temperatura del punto de ebullición del agua disminuye al disminuir la presión. Éste fenómeno hace, que con pequeñas temperaturas se pueda eliminar mucho más facilmente el agua de la madera.(Figura II-.10)
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Figura II-10. Relación entre la presión y la temperatura de ebullición del agua. . Tecnología de la madera. Santiago Vignote, Francisco J. Jiménez [libro]
De acuerdo con la definición de la Sociedad Americana de Vacío (1958), el término vacío se refiere a cierto espacio lleno con gases a una presión total menor que la presión atmosférica, por lo que el grado de vacío se incrementa en relación directa con la disminución de presión del gas residual. Esto significa que en cuanto más se disminuya la presión, mayor vacío se tiene, lo que permite clasificar el grado de vacío. Entonces, se puede hablar de bajo, mediano, alto y ultra alto vacío, en correspondencia con intervalos de presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene características propias.
1) Bajo vacío: El intervalo de presión atmosférica con estas características se manifiesta desde 100 KPa a 100 Pa. Con las técnicas usuales para hacer vacío, los gases que componen el aire se evacuan a diferentes velocidades y esto altera la composición de gases del aire residual.
2) Medio vacío: El intervalo de presión se extiende desde 100 Pa a 0.1 Pa.
3) Alto vacío: El intervalo de presión va desde 0.1 Pa hasta 10mPa. La composición de gases residuales presenta un alto contenido de vapor de agua (H2O).
4) Ultra Alto vacío: Menor a 10mPa. En este intervalo el componente dominante de los gases residuales es el hidrógeno.
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LA NECESIDAD DE HACER VACÍO
Existen diversas razones prácticas por las que es conveniente hacer vacío, a continuación se presentan algunos casos:
1) La tecnología de vacío es utilizada para extraer la humedad de los alimentos, químicos, productos farmacéuticos, madera etc., y los gases disueltos en aceites plásticos, y otros líquidos.
2) La producción de jugo de frutas y leche concentrada, son ejemplos de producciones a gran escala basadas en la concentración en vacío, para lo cual no se requiere de alta temperatura para evaporar el agua o solventes contenidos en los productos.
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CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO PARA EL DISEÑO DE CONTROL DEL HORNO 3.1 CÁLCULO DE LAS VARIABLES DEL SECADO
En este apartado se presentan los cálculos de las variables de control, los cuales serán utilizados para determinar los tiempos de secado y la forma de regular el secado dentro de la cámara. Además como en este proceso de secado se hace uso de una bomba de vacío, la cual permite manejar presiones inferiores a la atmosférica y por lo tanto disminuir el punto de saturación del agua, es necesario realizar unos arreglos al programa de secado (Tabla lT8D3S) del que se habla mas adelante, debido a que las temperaturas que se manejan para cada etapa de secado se aplican a presión atmosférica.
Para iniciar con los cálculos se toman como base las siguientes especificaciones.
DATOS DE LA MADERA Madera a secar: Cedro Nombre científico: Cedrela Odorata Nombre internacional: Cedar, Cedro, Spanish Cedar Espesor: 2" Contenido de humedad inicial: 82% Contenido de humedad final: 15% Volumen a secar: 70 m3 Partiendo de los datos anteriores se tiene que para la aplicación razonada de temperatura y depresiones, se cuenta con programas de secado ya preestablecidos para el menor deterioro posible de la madera. Estos programas fueron obtenidos de la Guía Para el Secado de la Madera en Hornos , documento técnico 69/1998, consultor referencia que
Silverio Viscarra, donde hace
la lista ha sido tomada de experiencias realizadas en el Laboratorio de
Productos Forestales de Madison (Estados Unidos de Norteamérica). En la siguiente tabla se muestran los diferentes tipos de madera y el programa de secado que UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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le corresponde. En este caso como la madera a secar es el cedro de 2" de espesor se aplica el programa T8-DS3.
Tabla III-1 Peso específico Básico, Densidad y Programas de secado para maderas Bolivianas *Peso específico básico ( peso seco al horno/ volumen verde) **Valor en g/cm2 , madera seca al 12% de C.H. *** Horarios sugeridos para piezas de 1” y 2” de espesor
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Ahora para poder formar un programa combinado de temperatura y depresión psicrométrica correspondiente a cada especie y espesor de madera, se deben tomar en cuenta las Tablas ( III-2. III.3, III.4) , para poder llegar a la tabla 233 de la Guía para el Secado de la Madera en Hornos (Tabla III.-5)
Tabla III-2.Clases de Madera según su Contenido de Humedad Verde
Tabla III- 3 Programas Generales de Temperatura para Maderas Latifoliadas
Tabla III-4 Programas Generales de Depresiones Psicrométricas para Maderas Latifoliadas
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Tabla III-5 Programa de secado T8-DS3 (tabla 233, Guía para el Secado de la Madera en Hornos)
La tabla III-5 muestra de lado izquierdo las etapas o pasos de secado y de lado derecho las temperaturas que deben registrar el bulbo seco (B. S.) y húmedo (B. H.) para llegar a un cierto porcentaje de humedad de equilibrio.
También se puede observar que en las primeras cuatro etapas la temperatura es baja y se mantiene constante, esto se debe a que en la superficie de la madera se encuentra la denominada agua libre que es más fácil de extraer y por lo tanto se requiere de menor energía, ya para las siguientes etapas se va incrementado mucho más la temperatura por que el agua se encuentra fuertemente ligada a las paredes celulares.
3.2 TIEMPO DE SECADO
Para el cálculo aproximado de los tiempos de secado en cada etapa del programa se suele utilizar la formula de Braunsin:
T
Hi
Hf
a1 a2 a3 a4 a5
(3.1)
Formula obtenida de Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [libro]
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Donde:
Hi= Humedad inicial de la etapa Hf= Humedad final de la etapa a1; a2; a3; a4; a5 ; Coeficientes siguientes:
TIPO DE VENTILACION DEL
VALOR DEL COEF.
SECADERO
a1
Ventilación mecánica de gran velocidad
1
Ventilación mecánica de escasa velocidad
0.8
Ventilación natural
0.5
Tabla III-6. Coeficiente que depende del tipo de ventilación del secado (a1). Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [ libro].
HUMEDAD ETAPA
a2
80-70%
2.3
70-41%
2
70-41%
1.7
30-21%
1.1
20-15%
0.9
15-H
0.6
Tabla III-7. Coeficiente que depende de la humedad inicial y final de cada etapa (a2). Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [libro].
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ρ
a3
0.35
1.25
0.375
1.1
0.4
1
0.425
0.9
0.45
0.83
0.475
0.77
0.5
0.72
0.55
0.63
0.6
0.56
0.65
0.48
0.7
0.44
0.75
0.39
0.8
0.36
Tabla III.8. Coeficiente que depende de la densidad de madera (a3). Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [ ibro].
G
a4
15
2.1
20
1.4
25
1
30
0.8
35
0.65
40
0.55
50
0.4
60
0.3
70
0.25
80
0.2
90
0.15
100
0.12
120
0.1
Tabla III-9. Coeficiente que depende del grueso de la madera (a4). Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [libro].
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VALOR DEL COEF.
EJEMPLO DE
a5
ESPECIES
1
Coníferas en general
Cuidadoso
0.9
Nogal, haya, roble
Rápido
1.1
Balsa, chopo
TIPO DE SECADO Normal
Tabla III-10. Coeficiente que depende del cuidado que se quiera dar al secado, y de la calidad de la madera a secar (a5). Tecnología de la Madera. Vignote Peña-Jiménez Peris. [libro].
Los factores a utilizar en los cálculos del tiempo son los siguientes : Tipo de ventilación del secador: De gran velocidad Humedad etapa: Se manejan los porcentajes de humedad del programa T8-DS3 Coef. que depende de la densidad de la madera: 0.42 g/m3 para el cedro Coef. que depende del grueso de la madera: 2" Coef. que depende del cuidado que se quiera dar al secado, y de la calidad de la madera a secar: Normal
3.2.1 ETAPA DE CALENTAMIENTO En la primera etapa se presenta la fase de calentamiento inicial en el interior del horno , y se realiza a una tasa de 5° C por hora para maderas livianas de 2" de espesor (Guia Para el Secado de la Madera en Hornos). Así que partiendo de una temperatura de 22°C hasta llegar a la temperatura de la primera etapa de secado que es 54.5°C se tiene que : Ti
54.5 C 22 C
1hr 5C
6.5hrs.
3.2.2 ETAPA DE OPERACION
Para la fase de operación se utilizan los contenidos de humedad de cada etapa del programa y se calculan los siguientes tiempos: UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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ETAPA 1
T1
82 50 (1)(2.3)(0.9)(0.4)(1)
38. 6hrs.
ETAPA 2
T2
50 40 13.8 hrs. (1)( 2)(0.9)(0.4)(1)
ETAPA 3
T3
40 35 (1)(1.7)(0.9)(0.4)(1)
8.17 hrs.
ETAPA 4
T4
35 30 (1)(1.7)(0.9)(0.4)(1)
8.17 hrs.
ETAPA 5
T5
30 25 12.62 hrs. (1)(1.1)(0.9)(0.4)(1)
ETAPA 6
T6
25 20 12.62 hrs. (1)(1.1)(0.9)(0.4)(1)
ETAPA 7
T7
20 15 (1)(0.9)(0.9)(0.4)(1)
15.4 hrs.
Esto hace un total de 115.88 hrs de operación, considerando que el tiempo de operación es de 16 hrs por día da una estimación de 7 días de secado.
El secado natural en promedio tarda 75 días para disminuir del 30-14% de contenido de UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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humedad, en la siguiente grafica se muestra como varía el tiempo de secado dependiendo del método.
Figura III.-1 .Comparación entre tres sistemas de secado. Diseño de un secador solar .Enrique Martínez – Pinillos Cueto. [Folleto].
3. 3 VOLÚMEN DE AGUA A EXTRAER
La cantidad de agua (Cagua) extraída de la carga de madera desde estado húmedo (CH1) hasta su secado en horno (CH2), es:
Cagua
Cagua1 Cagua2
Peb Vv
CH1 CH 2 100
(3.2)
(Fórmula obtenida de la Guía para Secado de la Madera en Hornos)
Donde:
Caua1 = Cantidad de agua a CH1, kg
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Cagua2 = Cantidad de agua a CH2, kg Peb = Peso específico básico, kg/m³
Vv = Volumen verde, m³
Obteniendo el volumen de agua en cada etapa de secado:
ETAPA 1
Ca
(420)(70)
82 - 50 100
9,408 Kg
50 - 40 100
2,940 Kg
40 - 35 100
1,470Kg
35 - 30 100
1,470 Kg
30 - 25 100
1,470 Kg
25 - 20 100
1,470 Kg
ETAPA 2 Ca
(420)(70)
ETAPA 3 Ca
(420)(70)
ETAPA 4 Ca
(420)(70)
ETAPA 5 Ca
(420)(70)
ETAPA 6 Ca
(420)(70)
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ETAPA 7 Ca
(420)(70)
20 - 15 100
1,470 Kg
Dando un total de 19, 698 Kg,
Pero:
(3.3)
m v
v
m agua
19,698kg 19.69 m3 de H 2O 1000 kg m3
La energía total requerida para remover los 19.69 m3 de agua es de Q=328.26 K wats/ hr.
3.4 CÁLCULO DE LA BOMBA DE VACÍO Para la selección de la bomba como primer paso se debe definir el caudal de aire necesario para el secado de la madera a una cierta velocidad del aire, así como también la presión de operación.
El programa de secado para el cedro fue diseñado para hornos con circulación forzada de aire a velocidades entre 1 y 2 metros por segundo (Guía para Secado de la Madera en Hornos), por lo que se considera para este caso la velocidad máxima de 2m/s.
Para determinar el caudal necesario, se debe calcular el área transversal por donde circulara el aire en la pila de madera y multiplicado por la velocidad de circulación del aire.
Q V A
(3.4)
Arreglo de madera en el horno por pila es el siguiente: Alto: 39 tablas de 2” Ancho: 24 tablas de 12" UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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Separadores por tabla: 5 de 1" de espesor y 2" de ancho, con separación de 0.55m entre ellos. En la imagen siguiente se puede apreciar el apilado y dimensiones.
VISTA LATERAL
0,5m
7,5m
3m
2,5m
3m
4m
2,5m
0,5m
1,1m
0,7m
0,7m
Figura III-2. Vista lateral del horno y pilas de madera.
Figura III-3. Área de la zona de flujo de aire.
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Considerando las dimensiones anteriores el área de una zona es : A= 0.03m* 0.55m= 0.016m2
Pero por pila son 4 zonas por las que entra el aire en la parte inferior y son dos pilas.
At = 0.016 m2 * 8 = 0.128 m2 Calculando el caudal: Qaire= (0.128 m2)(2 m/s)= 0.256 m3/s Qaire=(0.224 m3/s) (3600 s /1 hr)= 921.6 m3/hr
La depresión o vacío estimado para la cámara esta en el rango de 1bar a 320mili bars. En la Figura III.-4 se muestran las curvas características de las bombas.
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Figura III-4. Curvas características de bombas marca Silak, obtenidas a una temperatura ambiente de 20°C y temperatura del agua a 15 °C con tolerancia en el desplazamiento volumétrico, en el rango de presión de 900 a 33 milibares del 10%. [en línea]< http://www.silak.cl/Bombas%20de%20Vacio.htm > consulta (2/08/10)
Ubicando los 320 mili bars en el eje de las abscisas y el caudal de 921.6 m3/hr en el de las ordenadas se obtiene un punto entre dos curvas por lo que se toma la próxima superior, y del lado derecho de la grafica aparece el modelo de la bomba que para este caso es una silak 1100.
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Si se divide el caudal entre dos da 460. m3/hr y localizándolo en la grafica se tiene el modelo silak 550 vs con una potencia de 20 hp, esto es para utilizar dos bombas y lograr un mejor flujo de aire.
Por el uso de la bomba de vacío se deben realizar unos arreglos al programa de secado (Tabla T8-D3S), de manera que hay que conocer las temperaturas de los puntos de saturación del agua a diferentes presiones, estos datos se obtienen de las propiedades de saturación del agua ( Tabla III.- 11) PROPIEDADES DE SATURACION DEL AGUA TEMP. PRESION ºC
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PRESION
P/hPa
Pa
TEMP. ºK
24
29,858
2985,8
297,15
25
31,699
3169,9
298,15
26
33,639
3363,9
299,15
27
35,681
3568,1
300,15
28
37,831
3783,1
301,15
29
40,092
4009,2
302,15
30
42,47
4247
303,15
31
44,969
4496,9
304,15
32
47,596
4759,6
305,15
33
50,354
5035,4
306,15
34
53,251
5325,1
307,15
35
56,29
5629
308,15
36
59,479
5947,9
309,15
37
62,823
6282,3
310,15
38
66,328
6632,8
311,15
39
70,002
7000,2
312,15
40
73,849
7384,9
313,15
41
77,878
7787,8
314,15
42
82,096
8209,6
315,15
43
86,508
8650,8
316,15
44
91,124
9112,4
317,15
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CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL SECADO DE MADERA
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45
95,95
9595
318,15
46
100,99
10099
319,15
47
106,27
10627
320,15
48
111,77
11177
321,15
49
117,52
11752
322,15
50
123,52
12352
323,15
51
129,78
12978
324,15
52
136,31
13631
325,15
53
143,12
14312
326,15
54
150,22
15022
327,15
55
157,62
15762
328,15
56
165,33
16533
329,15
57
173,36
17336
330,15
58
181,71
18171
331,15
59
190,41
19041
332,15
60
199,46
19946
333,15
61
208,88
20888
334,15
62
218,67
21867
335,15
63
228,85
22885
336,15
64
239,43
23943
337,15
65
250,42
25042
338,15
66
261,83
26183
339,15
67
273,68
27368
340,15
68
285,99
28599
341,15
69
298,76
29876
342,15
70
312,01
31201
343,15
71
325,75
32575
344,15
72
340
34000
345,15
73
354,78
35478
346,15
74
370,09
37009
347,15
75
385,95
38595
348,15
76
402,39
40239
349,15
7
419,41
41941
350,15
78
437,03
43703
351,15
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CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL SECADO DE MADERA
79
455,27
45527
352,15
80
474,14
47414
353,15
Tabla III.-11.Propiedades de saturación del agua [en línea] [consulta: 8/06/2010 ]
Los puntos más importantes donde se presentan los cambios de fase aparecen en la siguiente grafica:
Figura III-5. Diagrama de presión-temperatura del agua. [en línea]< http://foros.3dgames.com.ar/ciencias-exactas.372/616745.quimica.html/ > [consulta: 8/06/2010]
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De las tablas de vapor de agua se identifican las presiones y las temperaturas a las cuales se encuentra el agua como vapor saturado en un rango que va de 0 a 100ºC.
Figura III.-6. Curva de saturación del agua
El proceso se basa en la circulación de aire hacia la cámara con cierto porcentaje de humedad, donde la temperatura se debe ir incrementando como lo marca el programa de secado, al existir ese aumento las propiedades de la humedad en el aire o vapor de agua varían según la etapa de secado como se muestra a continuación.
Propiedades del aire a una atmósfera Aire Vapor de Agua Temperatura Entalpía Presión Temperatura Bulbo seco Bulbo Húmedo Pa ºC 54,5 51,5 343,46 153,877 54,5 54,5 50,5 275,74 121,746 49,71 54,5 48,5 246,45 107,312 47,19 54,5 46 213,79 90,653 43,9 60 49 246,38 104,138 46,6 65,5 51,5 276,61 115,982 48,74 71 54,5 320,42 133,814 51,62 82 54,5 304,94 120,439 49,49 Tabla III.- 12. Propiedades del aire a presión de una atmósfera
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CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL SECADO DE MADERA
Graficando la tabla anterior se obtienen dos curvas en una se muestran las entalpías del aire atmosférico a diferentes temperaturas de bulbo seco (las del programa de secado) .
Y en la segunda curva se puede ver el comportamiento de la temperatura del vapor de agua que tiene el aire cuando se aplican las temperaturas de bulbo húmedo.
Figura III.-7. Comportamiento de la humedad en el aire del ambiente.
En las etapas en las que no sea posible alcanzar la temperatura del programa, se hará uso de la bomba de vacío. Para conocer las presiones a las que debe trabajar dicha bomba cuando
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disminuye la temperatura se realizo la siguiente tabla y gráficas donde se comparan la temperatura y presiones manteniendo la entalpía constante. Ejemplo : Si la temperatura alcanzada en la cámara en la primera etapa de secado es de 50.5ºC y la que se requiere es de 54.5ºC se activa la bomba a la presión de 69339 Pa o lo que es lo mismo 520.08 mmHg. Los valores fueron obtenidos con la ayuda de una carta psicrométrica para el aire2. Lo que se hizo fue encontrar la entalpía de las diferentes temperaturas de bulbo seco y húmedo del programa de secado a presión atmosférica, para luego buscar diferentes valores de presiones tomando la que tuviera la misma entalpía de las etapas de secado a presión atmosférica.
Propiedades del aire a 1atm. Temperatura ºC Bulbo seco
Vapor de agua
Entalpía
Presión de vacío
Bulbo húmedo
54.5 52.5 50.5 54.5 52.5 50.5 54.5 52.5 50.5 54.5 52.5 50.5 60 58 56 65.5 63.5 61.5 71 69 67 82 80 78
51.5 49.5 47.5 50.5 48.5 46.5 48.5 46.5 44.5 46 44 42 49 47 45 51.5 49.5 47.5 54.5 52.5 50.5 54.5 54.5 54.5
Pa
343.46 343.46 343.46 275.74 275.74 275.74 246.45 246.45 246.45 213.79 213.79 213.79 246.38 246.38 246.38 276.61 276.61 276.61 320.42 320.42 320.42 304.94 304.94 304.94
A presión atm. 77183 69339 A presión atm. 90910 81455 A presión atm. 90685 81050 A presión atm. 90662 80760 A presión atm. 90740 81150 A presión atm. 91015 81645 A presión atm. 91320 82193 A presión atm. 91315 82187
Presión
Temperatura
Pa
ºC
15.3877 11770.2 10648.5 12.1746 11024.4 9968.5 10.7312 9706.5 8766.9 9.0653 8241.4 7433.7 10.4138 9428.1 8523.2 11.5982 10519 9526.5 13.3814 12159.3 11033.6 12.0439 10954.1 9948.8
54.5 49.03 47.04 49.71 47.73 45.75 47.19 45.23 43.26 43.9 42.08 40.12 46.6 44.66 42.72 48.74 46.8 44.86 51.62 49.68 47.74 49.49 47.6 45.71
Tabla III.- 13. Equivalencia de temperatura atmosférica a temperatura de vacío.
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COMPARACION DE LA TEMP. DEL BULBO SECO A 1 ATM. Y EN VACIO 90 82 78
TEMPERATURA DE BULBO SECO
80 71 67
70
60
50
54,5 50,5
54,5 50,5
54,5 50,5
60 56
54,5 50,5
65,5 61,5
40
30
20
10
0 343,46
275,74
246,45
213,79
246,38
276,61
320,42
304,94
ENTALPIA TEMPERATURA DE OPERACION A 1 ATM
TEMPERATURA DE OPERACION EN VACIO
Figura III- 8. Comparación de la temperatura del bulbo seco a 1atm. y en vacío
RELACION DE PRESIONES PARA MANTENER LA ENTALPIA CONSTANTE POR ETAPA 105
100 95
PRESION EN KPa
90 85 81,455 80
81,05
80,76
81,15
82,193
81,645
82,187
75
70
69,339
65
60 343,46
275,74
246,45
213,79
246,38
276,61
320,42
304,94
ENTALPIA POR ETAPA LINEA DE PREION ATMOSFERICA
LINEA DE PRESION DE VACIO
Figura III.-9.Relación de presiones para mantener la entalpía constante.
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Se debe tener en cuenta que al estar creando un vacío la temperatura y presión de la humedad del aire disminuye también, si estas bajan demasiado se puede llegar al punto triple de la curva de saturación
(Figura III.-5) lo cual no es recomendable debido a que podría
presentarse un congelamiento, por eso se debe tener cuidado de no bajar demasiado las presiones. En las graficas siguientes se puede apreciar lo antes mencionado.
COMPORTAMIENTO DE LA HUMEDAD COMO VAPOR DE AGUA (PRESION)
PRESION DE SATURACION
18 16
15,3877
14
13,3814 12,1746
12 10
10,6485
9,9685
10,7312 8,7669
8
12,0439
11,5982 10,4138 9,0653
11,0336 9,9488
9,5265
8,5232
7,4337
6 4 2 0 343,46
275,74
246,45
213,79
246,38
276,61
320,42
304,94
ENTALPIA LINEA DE PRESION DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFERICO LINEA DE PRESION DE LA HUMEDAD DEL AIRE EN VACIO
Figura III.- 10 Comportamiento de la humedad como vapor de agua (Presión)
COMPORTAMIENTO DE LA HUMEDAD COMO VAPOR DE AGUA (TEMPERATURA)
TEMPERATURA DE SATURACION
60 54,5 50 47,04
49,71 45,75
47,19 43,26
40
46,6 42,72
43,9 40,12
48,74 44,86
51,62 47,74
49,49 45,71
30 20 10 0 343,46
275,74
246,45
213,79
246,38
276,61
320,42
304,94
ENTALPIA LINEA DE TEMPERATURA DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFERICO LINEA DE TEMPERATURA DEL AIRE EN VACIO
Figura III.- 11.Comportamiento de la humedad como vapor de agua (Temperatura) UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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3.5 FUNCIONAMIENTO DEL HORNO En el secado de madera se pueden utilizar diferentes métodos, algunos permiten un mayor control de las condiciones ambientales que otros, pero siempre existirán mecanismos de control. La función de los sistemas de operación y control es la de recoger datos correspondientes a determinadas condiciones en el interior del horno, para regularlas y controlar el programa de secado. El control de las condiciones existentes para el secado se realiza mediante instrumentos, que han sido especialmente diseñados y calibrados. Haciendo uso de varios elementos, que fueron elegidos de manera que cumplieran con las especificaciones se realizo el diagrama del horno como se muestra a continuación:
Figura III.-12. Dispositivos del Horno
El horno consta de 2 bombas de vacío las cuales tienen dos funciones, actuar como ventilador y generador de vacío, además llevan un variador de frecuencia, que es un sistema que ayuda a controlar la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor,
permitiendo obtener un control
variable de caudal y presión.
Lo que hace es convertir la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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energía intermedia CC es convertida en una señal quasi-senoildal de CA usando un circuito inversor conmutado.
Figura III.-13.Puente rectificador. [en línea] [consulta: 16/08/2010]
También se hace uso de un termocóple o termopar que registra los cambios de temperatura y un psicrómetro constituido por dos sensores independientes de temperatura uno el B. S. y otro el B. H, este último esta rodeado de una especie de gasa o tela que actúa como mecha y se encuentra saturada de agua.
El flujo de aire del ambiente que atraviesa el sensor de bulbo húmedo evapora parte del agua que se encuentra en el paño o tela dependiendo de la humedad y temperatura del aire ambiente.
Esta evaporación produce en el sensor de bulbo húmedo un efecto refrigerante disminuyendo el valor de temperatura.
Al mismo tiempo el sensor de bulbo seco censa la temperatura del aire ambiente.
El valor de humedad relativa depende de la diferencia psicrométrica de los valores de temperatura de ambos sensores. Este valor se puede obtener mediante un instrumento de medición adecuado, o bien mediante tablas o diagramas psicrométricos.
A las señales de temperatura tanto de bulbo seco como de bulbo húmedo se le intercala UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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exteriormente un conversor para obtener directamente señales normalizadas 4 a 20mA. Un segundo módulo relaciona éstas ultimas señales para obtener una única señal 4 a 20mA proporcional al valor de humedad relativa medida (Figura III-14).
4mA 0% Humedad Relativa 20mA 100% Humedad Relativa
Figura III.- 14Conversor de señales. [en línea] [11/07/2010]
Emilio Cuevas I. y Nadia Rojas V. (2005). Secado de la madera. Por red manufacturera de la madera de la región de Maule. Programa ChileCalifica.
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mm.com/rev53/procesos.pdf> [1/02/2010].
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Justo R. Pérez. Evangelista Torricelli. De la bomba de agua a la invención del barómetro. [en línea] < http://divulgameteo.es/uploads/Torricelli-bar%C3%B3metro.pdf> [consulta:13/07/2010 ]
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Santiago Vignote Peña-Francisco Javier Jiménez Peris (2000). Tecnología de la madera.
Silverio Viscarra. Guía para el secado de la madera en hornos. Documento técnico 69/1998 [en línea] http://www.ritim.org.ar/espanol/Descargas/i007.pdf [consulta: 21/05/2010].
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