metodo de secado de madera automatico
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METODO DE SECADO DE MADERA AUTOMATICO
SECADO ARTIFICIAL.
El secado artificial surgi como respuesta a las deficiencias del secado natural. Por medio de equipos e instalaciones especiales, se establecen en recintos cerrados condiciones climticas diferentes a las condiciones atmosfricas normales.
Mediante ventiladores, se produce un flujo de aire estable que circula a travs de las pilas de madera, con temperatura y humedad relativa controladas de acuerdo a programas preestablecidos segn especie y dimensiones de la madera a secar.
La velocidad de secado se puede incrementar, elevando la temperatura tanto
como sea admisible para cada especie en particular y a la calidad de producto final
deseada. Tambin se puede controlar la humedad relativa del aire de tal forma que
los gradientes de humedad no produzcan esfuerzos de tensin no deseados.
El secado artificial, adems de reducir considerablemente el tiempo de secado
y de restringir la produccin de defectos, permite alcanzar contenidos de humedad
tan bajos como sean requeridos de acuerdo con el uso final que se le ha de dar a la
madera.Los costos directos del secado artificial en cmaras son ms altos que los del
secado al aire, ya que a la inversin en instalaciones y equipos hay que agregar los
costos de funcionamiento en combustibles, electricidad y supervisin. Sin embargo,
la rapidez del secado entre 10 y 40 veces ms rpido que al aire libre, la reduccin de
los inventarios de madera y la calidad final del producto seco, compensan favorablemente los mayores costos del proceso artificial.El secado convencional se desarrolla en recintos cerrados, dentro de los
cuales se establecen climas artificiales progresivamente ms clidos y secos. Cada
clima o etapa del secado se mantiene durante un determinado tiempo, de acuerdo con
un programa determinado segn el tipo y dimensin de la madera y controlado por
un ordenador.Los recintos en los cuales se lleva a cabo el secado se conocen como hornos o
cmaras de secado, tal como se puede apreciar en la figura 2.2, los que adems de
ventiladores para la recirculacin de aire a travs de la madera, poseen elementos de
calefaccin, humidificacin, control y registro de las condiciones ambientales, tales
como la humedad relativa del aire, la temperatura y la humedad residual de la
madera.
El secado convencional es el sistema de secado ms generalizado y se
distinguen varias formas, segn la intensidad de la temperatura aplicada y las
caractersticas de las instalaciones.Para dar calor a estas cmaras se utilizan diferentes fuentes trmicas, siendo
las ms comunes el vapor de agua, el agua caliente o el aceite trmico. Estos
diferentes fluidos trmicos se consiguen a travs de calderas de calefaccin industrial
que utilizan como combustible derivados del petrleo, gas natural entre otros, tales
como la madera, aserrn, etc.Los fluidos trmicos anteriormente citados se hacen circular a travs de unos
radiadores de calefaccin especiales, instalados en el interior de la cmara de secado,
los cuales ceden el calor a la madera al pasar a travs de ellos el aire impulsado por
los ventiladores de circulacin y as mismo a travs de la carga de madera.El clima artificial dentro de la cmara permite el secado progresivo de la
madera hasta el contenido de humedad final deseado.El secado artificial tiene las siguientes ventajas con respecto al natural:
Disminuyendo los costos de un prolongado secado natural, ya que se puede
realizar en un tiempo que vara entre los 6 y 20 das, contra los 18 a 24 meses
del otro sistema.
Evita en gran parte el ataque de insectos y las manchas que se producen en el
secado natural.
Debe cuidarse que no se provoquen grietas y alabeos en la madera debido al
proceso acelerado de secado, para lo cual hay que protegerla en sus extremos
y estibarla convenientemente.
Mtodos de secado artificial.
Cualquiera que sea el mtodo utilizado tienen que contemplarse dos fenmenos, el moviendo de agua contenido en la madera hacia el exterior y su evaporacin de la superficie. La evaporacin superficial no es difcil de conseguir suministrando algunas condiciones adecuadas de temperatura y humedad de aire as como estableciendo una ventilacin suficiente.Las acciones para conseguir un secado acelerado choca con el peligro de la formacin en la madera de alabeos, por lo que debe forzarse la circulacin y evaporacin del agua de una manera controlada.
Existen varias formas que podemos utilizar dentro del proceso de secado artificial de la madera, nos centraremos en los dos mtodos ms utilizados para este fin:- Secado por condensacin
- Secado por conveccinComo es de conocimiento general ningn proceso es totalmente perfecto, cada sistema posee sus ventajas y desventajas, entonces se debe elegir el mtodo ms conveniente de acuerdo a cada necesidad y posibilidades.Secado por Condensacin.
Su funcionamiento consiste en que el aire relativamente saturado de humedad
ser enfriado, esto quiere decir que el aire reduce su capacidad de absorcin de agua
y debido a esta circunstancia el exceso de agua evaporada empieza a condensarse y
sale en forma lquida del refrigerador al exterior de la cmara de secado, tal como se
puede observar en la figura.
De esta manera se mantiene la capacidad de absorcin del aire, caso contrario, el aire se satura con el agua que contiene la madera y se determinara su funcionalidad como medio de secado.
a.- Aire caliente
b.- Aire frio.
c.- Calefaccin.
d.- Refrigeracin.
La temperatura de secado oscila entre 35 a 45 C, relativamente baja, y no se requiere entonces sistemas de calefaccin costosos.
Las principales desventajas que presenta este sistema son:
La fase de secado es lenta, comprendido entre 30 a 60 das en caso de
Tablones de madera dura.
La obtencin de un contenido de humedad menor al 14 % es difcil, y
con un valor econmico elevado. El consumo elctrico tiene un alto costo.
Entonces la manera mas aconsejada para realizar un proceso de secado es
utilizando el mtodo de secado por conveccin.
Secado por Conveccin.Este tipo de secaderos trabajan con temperaturas ms elevadas, normalmente
oscila entre 60 a 80 C, este tipo de secadero utiliza por lo general intercambiadores
de calor, tal como se puede apreciar en la figura 2.4, y como medio de calefaccin se
puede utilizar:
- Agua caliente
- Aceite trmico
- Vapor.
- Gases de combustin.Para la generacin de energa calorfica necesaria, en la mayora de secaderos
se utiliza el diesel, siendo su utilizacin mucho ms econmica que los desperdicios
de madera, ya que el poder calorfico de los desperdicios de madera producidos por
una empresa, es ms alto que la energa trmica requerida para el secado de la
madera slida que la misma empresa necesita.
a.- ventilador
b.- Orificios regulables para intercambio de aire
c.- Intercambiador de calor.
d.- Sistema de humidificacin.
e.- Sistemas de control.
f.- Cmara de secado.
g.- Paquete de tablones.
h.- Coche de alimentacin de madera.
El tiempo de secado depende de lo mismos factores, mencionados anteriormente.
Por las circunstancias ms forzadas, el tiempo necesario se reduce considerablemente
de 6 a 15 das, por fase de secado de madera, y dependiendo del tipo de madera que
se este secando.
LA HUMEDAD DEL AIRE DE SECADO.
La humedad relativa del aire depende de la cantidad de agua que contiene y
su temperatura, para facilitar la evaporacin del agua, se la calienta por intermedio
del aire y por consiguiente se reduce la humedad relativa ambiental, eso da como consecuencia que baje de manera excesiva el equilibrio higroscpico, lo que puede causar daos permanentes a la madera.
Madera expuesta a un clima de este equilibrio higroscpico se tuerce o raja
de tal manera que no puede ser utilizada sino como lea.Se hace necesario entonces humidificar el aire en el secado, elevando de esta
manera la humedad inicial. De otra manera las capas exteriores de madera presecada
en el patio por lo general son encostradas, lo que obstaculiza el recorrido de la
humedad interna hacia el exterior, por eso es de vital importancia humidificar esta
madera para que las clulas encostradas se vuelva a elevar y ablandar, es por este
motivo que la humedad inicial del proceso de secado se ajusta hasta un 98 %.Para mantener un control de la humedad relativa se necesita:
- Sistema de medicin.
- Sistema de humidificacin del aire.
- Sistema para bajar la humedad relativa
EL GRADIENTE DE SECADO.
El gradiente de secado (GS), de madera es la relacin entre la humedad
contenida en la madera y la humedad de equilibrio en ese ambiente. Este es el
criterio ms importante para un adecuado proceso de secado de madera en hornos.
Como se puede observar en la frmula, anterior el gradiente de secado es un
factor adimencional, es decir no tiene unidades. La calidad del secado depende en
suma importancia segn la magnitud del GS. Cuando este valor es demasiado
grande, es secado se realiza de forma forzada con las respectivas consecuencias tales
como rajaduras, torceduras y encostramientos. En el caso inverso de que el GS sea
muy bajo, el proceso de secado es muy lento y existe peligro del ataque de hongos.
Por la tanto el GS se determina en dependencia de los siguientes factores:La clase de la madera.- existen ciertas clases de madera el GS es mas elevado que
en otras.
El estado de secado.- por la ms fcil evaporacin del agua libre, el valor del GS es
ms pequeo, desecando la madera hasta el punto de saturacin de la fibra, en ciertas
ocasiones el GS se eleva ligeramente cuando se evapora el agua de constitucin.
La temperatura de secado.- temperaturas bajas comprendida en valores de menos
40 C el valor del GS puede ser elevado.
Espesor de la madera.- Mayor grosor en la madera produce un GS menor.
Calidad deseada del secado.- Cuando mejor es la calidad del secado menor es el GS.
Los valores normales estn 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 est hmedo, y la superficie, que tiene una humedad de
equilibrio de acuerdo al ambiente, es muy alta y provoca esfuerzos que daan la
madera interrumpen el secado.
El gradiente se secado se toma en cuenta a partir de que la madera se
encuentra bajo el punto de saturacin de la fibra.
Para mantener un determinado GS es necesario bajar de manera paulatina el
equilibrio higroscpico, conforme la madera pierda humedad.
PROCESO DE SECADO.Para secar madera es de mucha importancia controlar de manera permanente
los siguientes factores que influencian dentro del proceso:
- Temperatura de secado (C).- Humedad relativa (%).
- Equilibrio higroscpico (%).
- Gradiente de secado.
La temperatura de secado vara entre 45 C hasta 80C, en dependencia de la
madera a secar. En la fase inicial, hasta desecar la madera al punto de saturacin de
la fibra, se mantiene la temperatura entre 45 C y 60 C, para luego elevarla hasta 80
C. En la ltima etapa de secado con la fase de acondicionamiento es posible
incrementar la temperatura hasta 85 C o 95 C, para luego bajar a una temperatura
de 40 C o 50 C en la fase de enfriamiento.
El tiempo de secado depende, entre otros factores, de la temperatura de
secado. En caso de ensayo de secado, incrementar la temperatura de secado de 65 C
a 85 C, esto dar como resultado una reduccin del tiempo de secado del 23 %,
siempre y cuando la velocidad de flujo del aire sea mayor de 1,5 m/s. Elevar la
temperatura de secado en caso que la velocidad del flujo de aire sea menor a 1 m/s,
esto sin embargo no significa un ahorro del tiempo de secado.
La humedad relativa se ajusta de acuerdo al equilibrio higroscpico
requerido, para obtener u n determinado gradiente de secado.
El proceso de secado consta de tres etapas distintas:
- Periodo de calentamiento.
- Periodo de secado.
- Periodo de tratamiento posterior.
Periodo de calentamiento.- se calienta la madera a la temperatura de secado,
el tiempo de secado de esta etapa depende de la potencia del sistema de calefaccin
que se encuentra instalada, se calcula una hora por cada cm de espesor de madera de
manera aproximada.Es de suma importancia que la madera en esta fase de calentamiento no
empieza a desecarse sino ms bien que se humedezcan las partes exteriores de la
madera para que las clulas encostradas vuelvan a ablandarse. El costo de costo de
consumo de energa trmica en esta fase de inicio, es el ms alto, se lo puede estimar
en un 12% de la energa total requerida en el proceso de secado.
Periodo de secado.- Dentro de este proceso podemos identificar dos etapas: Periodo de secado hasta el PSF. (Punto de saturacin de la fibra) (t1).
Perodo de secado desde El PSF hasta la humedad final (t2).El valor de t1 existe, cuando la madera tiene un contenido de humedad superior al
PSF.En el perodo de secado del PSF hasta la humedad final (t2), generalmente se eleva la
temperatura de secado, lo que implica a su vez una reduccin del tiempo necesario.Perodo de tratamiento posterior.- Consta de una fase de acondicionamiento y
de una fase de enfriamiento, en la fase de acondicionamiento se uniforma la
humedad dentro de la madera secada.
Las partes exteriores de la madera se han desecado ms que su parte interior.
El objetivo de la fase de acondicionamiento es el de igualar estas diferencias de
humedad final deseada.
La temperatura de secado se mantiene constante durante esta fase de secado o
tiene un aumento muy pequeo, con la fase de enfriamiento termina el proceso de
secado, se desactiva el sistema de calefaccin y se abre ligeramente los orificios para
el intercambio del aire caliente con aire fro, el EH (Equilibrio higroscpico) se
ajusta a la humedad deseada en la madera.
La prdida de agua se produce por un proceso de naturaleza diferente
dependiendo de si el contenido de humedad est por encima o por debajo del punto
de saturacin de las fibras.
Por encima de este nivel, la velocidad de secado bajo condiciones estables de
temperatura y humedad relativa del aire permanece constante. Cuando el secado ha
avanzado a contenidos de humedad por debajo del PSF, el agua retenida en la
madera se mueve ms lentamente, retardando el proceso.
TIEMPOS DE SECADO.
El tiempo de secado depende de los siguientes factores:
- Especie de la madera.
- Espesor de la madera.
- Humedad inicial de la cmara.
- Temperatura de secado.
- Velocidad del flujo del aire de secado.
- Calidad de secado que se desea.
Referido a la especie de la madera podemos distinguir entre maderas
conferas y frondosas, en lo que respecta al espesor de la madera, relacionada
directamente con el peso especfico, es decir, cuan ms pesada sea, mayor es su masa
celular y ms difcil la evaporacin del agua en el interior de la madera, entonces es
mayor el tiempo de secado.
La frmula matemtica del espesor de la madera con respecto al tiempo de secado es:
Donde:
t1= tiempo de secado conocido.
t2= tiempo de secado de madera de diferente espesor.
e1= espesor de la madera de tiempo de secado conocido.
e2= espesor de la madera de tiempo de secado desconocido.
f = numero constante = 1,5.
El tiempo requerido para secar una carga de tablas depende de:
a.- las caractersticas de la madera,
b.- el tipo de horno, y
c.- el programa de secado empleado.
Los parmetros dentro del proceso de secado artificial dependen del tipo de
madera. Con respecto al segundo factor que es tipo de horno, se puede mejorar el
desempeo de los hornos optimizando algunas caractersticas de ste, como ejemplo,
el aislamiento trmico y sistema de ventilacin, que pueden resultar en una
disminucin del tiempo de secado.A continuacin podemos indicar mediante la tabla 2.2, los tiempos necesarios para
secar distintas clases de madera
Clculo del Tiempo de Secado.
En dependencia de los parmetros antes mencionados para el secado, se calcula el
tiempo requerido, mediante la siguiente frmula:
ts= tiempo de secado en horas.
a= factor de proporcionalidad de la madera.
a= 0,0477 para madera blanda.
a= 0,0265 para madera dura.
Hi= humedad inicial %.
Hf= humedad final %
e= espesor de la madera en mm.
= temperatura de secado C calculado para cada fase.
v= velocidad del aire.
f = numero constante = 1,5
CALCULOS DE DISEO DEL SISTEMA DE SECADO DE MADERA
CAMARA DE SECADO.
Es el lugar donde se ubica la madera a secarse, para el dimensionamiento de la cmara, se toma como base los 20m3 de capacidad cuya equivalencia es de 800 tablones, para evitar problemas de espacio dimensionaremos la cmara con 900 tablones, esta variacin es importante ya que se debe tener en cuenta que en nuestro medio la madera no es de un ancho uniforme, tambin se debern tener en cuenta el volumen de los separadores de madera, los ventiladores y los intercambiadores de calor.
Las dimensiones de la madera a secarse son las siguientes.
L tab = 2.5 mA tab = 0.21 mE tab = 0.05 mL tab Longitud del tabln.
A tab Ancho del tabln
E tab Espesor del tabln.
DIMENSIONAMIENTO DE LA CAMARA DE SECADO.
Para el dimensionamiento de la cmara de secado se debe tener en cuenta que la madera se aloja dentro de la misma en forma de paquetes, de acuerdo a la capacidad que deseamos secar aproximadamente 900 tablones, sabiendo adems las dimensiones de cada uno de ellos.
Longitud de la cmara.
La longitud de la cmara esta determinada por la longitud de los tablones, los cuales tienen una dimensin de 2,5m, por lo cual la longitud de la cmara la podemos deducir de la siguiente ecuacin.
C = (2*a) + (3*b)
De donde:
a ,Longitud del tabln.
b ,Espacios para la circulacin del personal en el momento de apilar la madera dentro de la cmara.
c ,Longitud de la cmara.
La longitud promedio del tabln es de 2,5m, el espacio para la circulacin dentro de la
cmara la tomamos de 0,50m por lo cual la longitud es:
c = (2*2,5)+(3*0,5)
c = 6,5 m
Ancho de la Cmara.
Para determinar el ancho de la cmara, primero se debe estimar el ancho de cada paquete como se observa en la figura tiene un valor (y).
Por cada fila se ubican 7 tablones, tomamos este valor ya que nos da un ancho de la pila
promedio de 1,5m con lo que garantizamos una uniforme distribucin de la madera.
De donde el ancho de la cmara es:
n = (2*y) + (2*z) + x.
La dimensin de (z) debe ser mayor que (x) ya que en las paredes de la cmara se debe
formar pendientes que faciliten la circulacin del aire.
Se puede deducir n de la siguiente ecuacin:
n = (2*1,5) + (2*0,7) + 0,6
n = 5m
Por cada fila se ubican 7 tablones, tomamos este valor ya que nos da un ancho de la pila
promedio de 1,5m con lo que garantizamos una uniforme distribucin de la madera.
De donde el ancho de la cmara es:
n = (2*y) + (2*z) + x.
La dimensin de (z) debe ser mayor que (x) ya que en las paredes de la cmara se debe
formar pendientes que faciliten la circulacin del aire.
Se puede deducir n de la siguiente ecuacin:
n = (2*1,5) + (2*0,7) + 0,6
n = 5m
Altura de la Cmara.
Para determinar la altura de la cmara necesitamos saber el numero de filas que van en
cada paquete de madera.
Cada paquete de madera esta formado por 225 tablones, cada fila contiene 7 tablones por lo cual el numero de filas se obtiene de la siguiente manera:Nf = Nt/(Ntab*f)
Nf = 225/7
Nf = 32.
Donde:
Nf, Nmero de filas.
Ntab, Nmero de tablones.
De la expresin anterior llegamos a la conclusin que el numero de filas es 32, tambin se debe de dar el separador que tiene un espesor de 2.5 cm, este valor se suma al espesor del tabln que es de por lo tanto cada fila tiene un espesor de 7,5 cm.
A cada paquete de madera lo dividimos en dos sub paquetes de 16 filas cada uno, para
lograr una mejor distribucin del aire caliente en el interior de los mismos.
Por lo cual la altura aproximada de cada paquete de madera es:
Hp = Nf * Ef
Hp = 32 * 7,5
Hp = 2,4m.
Donde:
Hp, Altura de los paquetes de madera.
Hf, Espesor de la fila incluido el separador
En la mitad de cada paquete se coloca un separador de 9cm, por lo cual la altura total es.
Hp = 2,49m.
Tomaremos como altura real de cada paquete de 2,5m.
EL SISTEMA DE VENTILACION.Circulacion del aire en la cmara.La circulacin del aire en la cmara, es un factor muy importante a tener en cuenta para un correcto y eficiente proceso de secado, el aire se encarga de transportar la humedad que sale de la madera, una circulacin incorrecta del mismo aumentara el tiempo de secado, para esto es necesario dimensionar correctamente los ventiladores y elegir una adecuada distribucin de los mismos.
La velocidad del flujo de aire incide directamente en el tiempo de secado, velocidades
relativamente altas disminuyen los tiempos de secado se recomienda velocidades entre 2 y 3 m/s en este valor influye el tipo de madera a secarse y su espesor.
Durante la fase inicial de secado se tiende a elevar la velocidad del aire ya que en esta
etapa la madera tiene la mayor cantidad de humedad, por lo cual se recomienda utilizar
reguladores de velocidad que nos ayuden a utilizar eficientemente la energa elctrica.
Ventiladores Axiales.
Este tipo de ventiladores se utilizan en donde se requieren grandes caudales a baja presin, el consumo de energa elctrica es menor, que los de tipo radia, este tipo de ventiladores pueden tener una circulacion en reverso del aire invirtiendo el sentido de giro.
Dimensionamiento de los ventiladores.
Para seleccionar los ventiladores es necesario dimensionarlos debidamente para obtener la
velocidad del aire requerido en la cmara el cual normalmente oscila entre 2 y 3m/s.
El valor mas importante para seleccionar un ventilador es su caudal para esto se debe tener
en cuenta el rea de barrido en la cmara y el rea libre que debe recorrer entendindose por rea
libre el espacio que existe entre los tablones.
La formula para calcular el caudal es:
Donde:
Q, Caudal.
A, rea de circulacin del aire.
V, Velocidad del aire.
La velocidad del aire recomendada es de 2 a 3m/s como se dijo anteriormente dependiendo del tipo de madera, para nuestro calculo utilizaremos un valor promedia de 2.5 m/s.
Calculo del rea libre.
Es el rea de barrido del aire la cual es igual a el rea promedio de los separadores mas el rea libre lateral, en el grafico se puede observar estas reas.
A, rea libre.
S, Espesor de los separadores en mm.
E, Espesor de la madera en mm.
L, Longitud de la madera.
X, rea libre lateralmente de la pila en (m2).
El valor del rea lateral se debe multiplicar por una factor 0.5 o 0,7 ya que en los extremos se debe disminuir la velocidad de secado para evitar rajaduras en los extremos de la madera.
Los valores que se tienen son:
S =25mm.
E =50mm.
L= 5.5m
X =?
El valor de X es en base al rea lateral de la pila, tenemos tres reas laterales de las
siguientes dimensiones.
A1=A2=A3.
A1=a*b ; a=0.5 ; b=2.43.
A1=0.5*2.43
A1=1.2
X=A1+A2+A3.
X=1.2*3
X=3.6*0.5
X=1.8A =A = 5.05 m2
Q= A*V.
Q=5.5x2.5
Q=13.75 m3/sEn la cmara se ubican tres ventiladores razn por la cual el resultado obtenido se divide para tres:
Q cv = Q cv = Q cv =4.58 m3/sDeterminacin De La Presin En La Cmara De Secado
La cantidad mxima de agua que puede absorber el aire depende de su
temperatura, cuanto ms caliente es, mayor cantidad de agua puede absorber, tal
como se puede apreciar en la tabla 1.2
Para una temperatura de 80C se tiene igual a 0.293 Kg/m3
PV=mRT
P= RT
P= (0.293)(0.287)(80)P=29.68 kPa