UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES

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(1)UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE TECNOLOGIA CARRERA DE ELECTROMECANICA. DISEÑO DE UN HORNO PARA EL SECADO DE MADERA DE 23,1(m3) PARA LA CIUDAD DE EL ALTO PROYECTO DE GRADO PRESENTADA PARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE LICENCIATURA. POR: BRUNO GONZALO ALANOCA COLQUE TUTOR: ING. VICTOR HUGO CISNEROS ESPINOZA LA PAZ- BOLIVIA 2015.

(2) DEDICATORIA. Este trabajo se lo dedico a Dios por darme sabiduría y a mis padres Florencio y Dominga, ya que ellos son los impulsores para culminar mi formación. A mis hermanos Roxana, Silvia, Rosmery y Rolando por que son los grandes apoyos que tengo en mi vida.

(3) Agradecimientos Expreso mi profundo agradecimiento: El mas sincero agradecimiento a la Universidad Mayor de San Andrés, en especial a la Carrera de Electromecánica, por brindarme la oportunidad de obtener una profesión. y ser útiles ala sociedad, en especial a MSc Ing. Marcelo Vásquez. Villamor e Ing. Víctor Hugo Cisneros, director y tutor. Al Tribunal revisor MSc. Ing. José Luis Hernández, Lic. Oscar Heredia Vargas, Lic. Samuel Pujro Vito, por las observaciones y sugerencias. que me ayudaron a. corregir y enriquecer el trabajo de grado También agradecer al dentro de capacitación CITE SOBOCE, al Ing. José A. Mercado, por brindarme el apoyo y conocimiento en el área de secado de la madera..

(4) RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo hacer el diseño de un horno para el secado de madera con una capacidad de 23,1 metros cúbicos de madera con la finalidad de satisfacer una necesidad de los talleres, pequeñas microempresas y de poder acelerar el proceso de secado mediante flujos de convección, para tener un producto de calidad y evitar la deformaciones de la madera en el proceso. La metodología de este. trabajo empieza revisando bibliografías respecto a la. madera y aspectos de diseño de hornos de secado, se escogió el horno de mampostería ya que. tiende a mantener la temperatura por mas tiempo, esto. ayuda al enfriamiento de la madera sin causar deformaciones hasta que entre en una humedad de equilibrio con el medio que lo rodea. El horno de secado esta compuesto por tres partes fundamentales la estructura de mampostería, sistema de calefacción y ventilación, el funcionamiento será continuo durante la etapa de secado para lograr el control de las variables de humedad, temperatura y velocidad del aire, estos que serán medidos por los equipos electrónicos compuestos principalmente por microcontroladores. Se determinó la cantidad de energía que requiere para el secado de la madera, el sistema de calefacción se lo hace con un intercambiador de calor con tubos aleteados, la madera entrara al horno con una humedad de 60% debe alcanzar un 10% en diez días, que se tiene con la curva de secado. Para tener un tiempo de secado bien estructurado se debe tener en cuenta varios factores: espesor, especie de la madera, humedad, temperatura, velocidad del aire, tipo de energía, forma del apilado y bajo estos parámetros poder realizar curvas de secado, con esto determinar el tiempo de secado de madera de cada especie..

(5) CAPITULO 1 GENERALIDADES Pág. 1.1 INTRODUCCION -------------------------------------------------------------------------- 1 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ----------------------------------------------- 2 1.3 OBJETIVOS -------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3.1 OBJETIVO GENERAL ------------------------------------------------------------ 3 1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ---------------------------------------------------- 3 1.4JUSTIFICACION --------------------------------------------------------------------------- 3 CAPITULO 2 MARCO TEORICO 2.1 PROPIEDADES FISICAS DE LA MADERA ---------------------------------------- 4 2.1.1 Flexibilidad-------------------------------------------------------------------------------- 4 2.1.2 Densidad ---------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.2.1 Densidad de referencia ------------------------------------------------------------- 5 2.1.2.2 Dureza ---------------------------------------------------------------------------------- 6 2.1.3 Propiedades mecánicas --------------------------------------------------------------- 6 2.1.4 Características físicas del tronco y cortes en la Madera ----------------------- 7 2.2 HUMEDAD EN LA MADERA ---------------------------------------------------------- 9 2.2.1 Agua libre ------------------------------------------------------------------------------- 10 2.2.2 Punto de saturación fibras ---------------------------------------------------------- 11 2.2.3 Agua de saturación higroscópica -------------------------------------------------- 11 2.2.4 Agua de constitución ----------------------------------------------------------------- 12 2.2.5 Movimiento migratorio del agua en la Madera--------------------------------- 12 2.2.6 Fuerzas capilares --------------------------------------------------------------------- 12.

(6) 2.2.7 Fuerzas debidas a diferencias en la presión del vapor----------------------- 12 2.2.8 Fuerzas debidas a diferencias en el contenido de humedad --------------- 13. 2.3 DESARROLLO DEL PROCESO DE SECADO ---------------------------------- 13 2.3.1 Programas de secado---------------------------------------------------------------- 13 2.3.2 Según la especie de madera a secar -------------------------------------------- 14 2.3.3 Según el uso final de la madera -------------------------------------------------- 14 2.3.4 Espesor---------------------------------------------------------------------------------- 14 2.3.5 Apilado ---------------------------------------------------------------------------------- 15 2.3.6 Humedad final ------------------------------------------------------------------------- 16 2.3.7 Etapas del programa de secado -------------------------------------------------- 17 2.3.8 Calentamiento inicial ---------------------------------------------------------------- 17 2.3.9 Secado antes del punto de saturación de fibras (PSF) ---------------------- 17 2.3.9.1 Calentamiento intermedio ------------------------------------------------------ 17 2.3.9.2 Secado después del punto de saturación de fibras (PSF) ------------- 18 2.3.9.3 Acondicionamiento -------------------------------------------------------------- 18 2.3.9.4 Uniformización ------------------------------------------------------------------- 18 2.3.9.5 Enfriamiento ---------------------------------------------------------------------- 18 2.3.9.6 Consideraciones al programar el secado ---------------------------------- 20 2.3.9.7 Programas de secado ----------------------------------------------------------- 20 2.3.10 Aplicación del Programa de Secado -------------------------------------------- 21 2.3.10.1 Modificaciones de los programas de secado ------------------------------ 22 2.3.10.2 Optimización del proceso de secado ---------------------------------------- 22 2.3.10.3 Factores que influyen en el secado de la madera ------------------------ 22 2.4 TIPOS DE SECADO -------------------------------------------------------------------- 24 2.4.1 Secado natural------------------------------------------------------------------------- 24 2.4.2 Secado artificial ----------------------------------------------------------------------- 25.

(7) 2.4.3 Secado en hornos -------------------------------------------------------------------- 26 2.4.3.1 Secado por condensación ----------------------------------------------------- 27 2.4.3.2 Secado por convección --------------------------------------------------------- 28 2.4.4 Conceptos de transferencia de calor --------------------------------------------- 29 2.4.4.1 Transferencia de calor por conducción ---------------------------------------- 30 2.4.4.2 Conducción de calor en paredes planas -------------------------------------- 31 2.4.4.3 Transferencia de calor por convección ---------------------------------------- 33 2.4.4.4 Numero de Nusselt ----------------------------------------------------------------- 35 2.4.4.5 Numero de Prandtl ----------------------------------------------------------------- 36 2.4.4.6 Calor especifico --------------------------------------------------------------------- 36 2.4.4.7 Numero de Reynolds -------------------------------------------------------------- 36 2.4.5 Flujo a través de una banco de tubos ------------------------------------------- 37 2.5 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN LA ESTRUCTURA DEL HORNO Y LOS EQUIPOS ---------------------------------------------------------- 44 2.5.1 Características de los ladrillos de la pared del horno------------------------- 44 2.5.2 Características de la puerta del horno de secado ----------------------------- 46 2.5.3 Características del material de aislación ---------------------------------------- 47 2.5.4 Equipos que componen el horno de secado------------------------------------ 49 2.5.3.1 Psicrómetros ------------------------------------------------------------------------- 49 2.5.3.2 Higrómetros ------------------------------------------------------------------------- 49 2.5.3.3 Transmisor de temperatura ------------------------------------------------------ 50 2.5.3.4 Anemómetros------------------------------------------------------------------------ 50 2.5.3.5 Ventiladores-------------------------------------------------------------------------- 51.

(8) CAPITULO 3 INGENIERIA DEL PROYECTO 3.1 SELECCIÓN DE LA MADERA ----------------------------------------------------- 52 3.1.1 Selección de la madera y de los separadores en la pila --------------------- 53 3.1.2 Propiedades características y descripción de la madera Cedro ----------- 54 3.2 PARAMETROS DE DISEÑO --------------------------------------------------------- 56 3.2.1 Cálculo del horno de secado ------------------------------------------------------- 56 3.2.1.1 Determinación de la longitud y el ancho del horno ------------------------- 58 3.2.1.2 Determinación de la altura del horno ------------------------------------------ 58 3.2.3 Calculo de los coeficientes de transferencia de calor para las paredes - 65 3.2.3.1 Pérdida de calor a través de las paredes----------------------------------- 68 3.2.3.2 Pérdida de calor a través de la puerta -------------------------------------- 69 3.2.3.3 Pérdida de calor a través del techo ------------------------------------------ 70 3.2.3.4 Pérdida de calor a través del techo falso ---------------------------------- 70 3.2.3.5 Calculo del Área de la pared, techo, techo falso y puerta -------------- 71 3.2.4 Propiedades de la madera cedro ----------------------------------------------- 72 3.2.4.1 Determinación del volumen total de la madera y del separador ------ 73 3.2.4.2 Sistema de ventilación ---------------------------------------------------------- 74 3.2.4.3 Determinación del peso húmedo de la madera --------------------------- 77 3.2.4.4 Masa de agua contenida en la madera ------------------------------------- 78 3.2.4.5 Energía necesaria para calentar el agua ----------------------------------- 78 3.2.4.6 Energía necesaria para calentar la madera -------------------------------- 79 3.2.4.7 Energía necesaria para calentar el aire ------------------------------------- 80 3.2.5 Etapa de secado de la Madera -------------------------------------------------- 82 3.2.5.1 Energía necesaria para eliminar el agua contenida en la madera ---- 83 3.2.5.2 Agua de constitución hasta el contenido de humedad final ------------ 84 3.2.5.3 Energía necesaria para eliminar el agua de constitución --------------- 85 3.2.5.4 Energía total para eliminar el agua de la madera------------------------- 85 3.2.5.5 Energía necesaria para calentar el aire de Reposición ----------------- 85 3.2.5.6 Energía requerida para el secado de la Madera ------------------------- 87.

(9) 3.2.6 Diseño del intercambiador de calor -------------------------------------------- 87 3.2.6.1 Calculo del área frontal del intercambiador ---------------------------------- 89 3.2.6.2 Características del tubo para el diseño --------------------------------------- 90 3.2.6.3 Calculo de la velocidad máxima------------------------------------------------- 91 3.2.6.4 Calculo de Reynolds --------------------------------------------------------------- 92 3.2.6.5 Calculo de Nusselt ----------------------------------------------------------------- 92 3.2.6.6 Calculo del coeficiente de convección externa del tubo ------------------- 93 3.2.6.7 Determinación de la temperatura de salida del aire ------------------------ 94 3.2.6.8 Calculo del coeficiente global de transferencia de calor------------------- 97 3.2.6.9 Determinación de la media logarítmica de temperatura LMTD --------- 99 3.2.6.10 Determinación de la cantidad de calor del tubo---------------------------- 99 3.2.7 Calculo de tubos con aleta --------------------------------------------------------- 100 3.2.7.1 Área del perfil de las aletas ----------------------------------------------------- 101 3.2.7.2 Coeficiente de eficacia para tubos con aletas ------------------------------ 101 3.2.7.3 Calculo del área de la aleta ----------------------------------------------------- 102 3.2.7.4 Determinación del calor real del tubo aleteado ----------------------------- 103 3.2.7.5 Calculo de la potencia de la Caldera------------------------------------------ 104 3.2.8 Selección de los equipos ----------------------------------------------------------- 105 3.2.8.1 Programador R2500 -------------------------------------------------------------- 106 3.2.8.2 Sensor de temperatura ----------------------------------------------------------- 106 3.2.8.3 Válvula solenoide de aire -------------------------------------------------------- 107 3.2.8.4 Válvula solenoide de vapor------------------------------------------------------ 108 3.2.8.5 Válvula operacional --------------------------------------------------------------- 109 3.2.8.6 Pistón de simple efecto ---------------------------------------------------------- 109 3.2.8.7 Temporizador ----------------------------------------------------------------------- 110 3.2.8.8 Ventilador---------------------------------------------------------------------------- 110. 3.3 APILADO Y CARGADO AL HORNO --------------------------------------------- 111 3.3.1 Apilado --------------------------------------------------------------------------------- 111.

(10) 3.3.2 Cargado al horno -------------------------------------------------------------------- 114 3.3.3 Soportes y contrapesos de la pila ----------------------------------------------- 115. 3.4 MUESTRAS PARA EL CONTROL DE SECADO ------------------------------ 116 3.4.1 Selección de las muestras ------------------------------------------------------- 116 3.5 PROCESO DE SECADO Y OPERACIÓN DEL HORNO --------------------- 118 3.5.1 Calentamiento del horno ----------------------------------------------------------- 118 3.5.2 Control del horno --------------------------------------------------------------------- 119 3.5.3 Deshumidificacion de la madera-------------------------------------------------- 120 3.5.4 Tratamiento de igualación o equilibrado ---------------------------------------- 120 3.5.5 Descarga del horno ------------------------------------------------------------------ 120 3.6 CONTROL DE LA HUMEDAD SU DISTRIBUCIÓN Y LAS TENSIONES DE LA MADERA --------------------------------------------------------------------------------- 121 3.6.1 Prueba de tensiones ---------------------------------------------------------------- 121 3.7 TIEMPO DE SECADO ---------------------------------------------------------------- 123 3.7.1 Tiempo de secado de la madera Cedro ---------------------------------------- 124 3.7.2 Ventajas de la madera seca ------------------------------------------------------- 127.

(11) CAPITULO 4 MANUFACTURA 4.1 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN ------------------------------------------------- 129 4.1.1 Características de Cimentación -------------------------------------------------- 129 4.1.1.1 Zapatas de cimentación ------------------------------------------------------- 129 4.1.1.2 Cadenas de amarre ------------------------------------------------------------ 129 4.1.1.3 Columnas ------------------------------------------------------------------------ 130 4.1.1.4 Vigas ------------------------------------------------------------------------------ 130 4.1.1.5 Losa superior--------------------------------------------------------------------- 130 4.1.1.6 Muros ----------------------------------------------------------------------------- 130 4.1.1.7 Contra piso ----------------------------------------------------------------------- 130 4.2 OPERACIÓN Y MANTENIEMIENTO---------------------------------------------- 131. CAPITULO 5 COSTOS 5.1 Costo de material ----------------------------------------------------------------------- 133 5.2 Costo de mano de obra directa y montaje ---------------------------------------- 133 5.3 Costos de los equipos ----------------------------------------------------------------- 134 5.4 Costos indirectos ----------------------------------------------------------------------- 134 5.5 Costos de insumos y otros ----------------------------------------------------------- 134 5.6 Costos total aproximado -------------------------------------------------------------- 135.

(12) CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones ---------------------------------------------------------------------------- 136 6.2 Recomendaciones--------------------------------------------------------------------- 137 BIBLIOGRAFIA WEBGRAFIA ANEXOS PLANOS.

(13) CAPITULO 1 GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCION En el mercado nacional e internacional es cada vez mayor, el requerimiento de maderas mas finas y con bajo contenido de humedad para la fabricación de distintos productos, acordes con las necesidades del cliente. El valor agregado que se le otorga a la madera mediante distintos procesos, tales como el secado, es sin lugar a dudas, importante para la valorización del bosque, los productos procesados adquieren una mejor cotización en el mercado, convirtiendo así al manejo sostenible en una alternativa más atractiva desde un punto de vista económico. Por secado de madera se entiende, en forma general la eliminación de agua en exceso, del material recién cortado, que se aplica con el propósito de optimizar su posterior procesamiento y transporte para sus diferentes usos específicos. El secado de la madera se efectúa con el fin de protegerla contra el ataque de los hongos de pudrición, facilitar su manipulación y el encolado, dar a la madera una humedad de estabilización que corresponda al ambiente en la que va a dar servicio y de incrementar sus características de resistencia mecánica. La madera puede ser secada de las siguientes maneras. -. Secado completo al aire libre o Secado natural.. -. Secado completo en hornos o cámaras.. -. Secado al aire hasta cerca del punto de saturación de las fibras y completando el proceso en un horno..

(14) En este trabajo lo que se enfoca es el diseño de un horno para el secado de madera como fundamento de un programa de secado bien estructurado en diferentes etapas, donde se vayan adaptando las condiciones internas de la cámara para que la madera alcance la humedad final requerida con los menores defectos posibles y en un menor tiempo posible. Para esto se debe combinar de la mejor manera las variables como ser temperatura, humedad de equilibrio de la cámara, humedad relativa, y así lograr una condición propicia dentro de la cámara para que la madera pueda eliminar el agua y tener la calidad que se busca. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La madera en su estado natural presenta limitaciones debido a que puede ser atacada por organismos vivos que pueden destruir, para esto debemos tomar en cuenta que la madera no es un material de construcción fabricado a propósito del hombre, si no que es obtenido del tronco y las ramas de los árboles y por tanto es propenso a sufrir daños. El trabajar con madera que no esta seca, ocasiona muchos defectos para la elaboración de diferentes productos, como ser muebles, puertas, zócalos, para la construcción y otras aplicaciones y que disminuye los ingresos de quienes trabajan con este material. También presenta acabados deficientes, porque después de un tiempo muy corto presenta daños como rajaduras, dobladuras y la aparición de hongos por eso es necesario eliminar la humedad en la madera y con esto poder contar con materia prima de calidad y así extender la vida de estos productos..

(15) 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Realizar el “Diseño de un horno para el secado de madera de 23,1(m3) para la Ciudad de el Alto” que tenga la capacidad de retirar la humedad que contiene en un menor tiempo. 1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS -. Determinar la cantidad de energía para eliminar el agua de la madera.. -. Determinar la cantidad de energía para el secado de la madera.. -. Determinar el tipo de intercambiador de calor que se usara para el secado dentro del horno.. 1.4 JUSTIFICACION La madera que llega de los aserraderos es comprada en tablones que posteriormente, se cortarán en tiras uniformes, el problema radica en que cuando la madera llega tiene un cierto grado de humedad y esto hace que al ser cortada se astille, y se adhieren al material de corte como un abrasivo lo que ocasiona el desgaste de la herramienta de corte y reduce la vida útil de la misma. Por otra parte cuando la madera se almacena sin secar y es usada para la construcción de muebles, estas tienden a torcerse lo cual ocasiona una pérdida económica, por eso es la necesidad de diseñar un horno secador de madera que opere por medio de flujos continuos de aire caliente y proporcione un ambiente apto para el secado, el cual sea capaz de satisfacer la demanda de producción, a bajo costo y con buena calidad y con esto generar mayores ganancias para aquellas microempresas y talleres, que se dediquen a este rubro..

(16) CAPITULO 2 MARCO TEORICO 2.1 PROPIEDADES FISICAS DE LA MADERA Las principales propiedades físicas que nos interesan para el secado de la madera son densidad, humedad y contracción. Estas características están íntimamente relacionadas, así el efecto de toda variación en el contenido de humedad se manifiesta, dentro de ciertos límites, en variaciones de las dimensiones y la densidad de la madera (CIS Madera, 2008). Figura 1. Tensiones a que esta sometido la madera. Fuente: Revista CIS madera 2.1.1 Flexibilidad Es la capacidad de la madera para cambiar su forma sin dañar su estructura o quebrarse. Para aumentar su flexibilidad se puede tratar con vapor de agua, esta propiedad se aprovecha en la producción de muebles curvados, como sillas, puertas y de instrumentos musicales guitarras, etc. (Cuevas, 2005)..

(17) 2.1.2 Densidad La densidad de la madera se define como la relación de la masa a un volumen medido y un determinado contenido de humedad, como la madera es un material heterogéneo, su adaptabilidad a eventuales tratamientos y modificaciones, así como la posibilidad de utilización que ofrece. La densidad es el coeficiente entre la masa y el volumen de la madera la cual varia con la humedad es decir cuando la humedad crece, la densidad también crece (Cuevas, 2005).. r=. m v. Ec.1. Donde:. r = Densidad dela madera expresada ( kg / m3 ) m = Masa de la madera ( kg ) v = Volumen de la madera en ( m3 ) 2.1.2.1 Densidad de referencia Es la relación entre masa y el volumen de la probeta, determinados ambos e un mismo contenido de humedad, para este tipo de densidad se definen como densidad anhidra, y densidad normal. -Densidad anhidra.- Es la relación entre la masa y el volumen de la probeta en estado anhidro. -Densidad normal.- Es la relación entre la masa y el volumen determinados ambos a un mismo contenido de humedad igual a 12%..

(18) - Densidad básica.- Es la relación entre masa de la probeta en estado anhidro y el volumen de la probeta en estado verde. -Densidad nominal.- Es la relación de la masa de la probeta en estado anhidro y el volumen de la probeta el contenido de humedad, generalmente es de 12%. - Densidad anhidro o seca al horno para un C H = 0% - Densidad seca al aire o normal para un C H = 12% - Densidad verde para un contenido de humedad > 30% La densidad anhidra varía en las maderas de 0.1 g/cm³, para la madera balsa a 1.4 g/cm³, sus valores varían entre especies y aún dentro de la misma especie. Es una de las propiedades físicas más utilizada como guía para el secado de la madera, en general la madera más dura seca más lentamente y con mayor tendencia a defectos del secado que las maderas menos duras (Rivero, 2003). 2.1.2.2 Dureza La dureza de la madera está directamente relacionada con, la densidad a mayor densidad, mayor dureza con el modo de crecimiento del árbol, el crecimiento más lento produce madera más dura, con el clima de crecimiento en climas cálidos se obtienen maderas más duras, la parte central más antigua, son más duras que las exteriores, el grado de humedad a medida que aumente éste, la dureza primero aumenta para posteriormente disminuir (Rivero, 2003). 2.1.3 Propiedades Mecánicas Las propiedades mecánicas dependen de la especie botánica del árbol y de las condiciones de crecimiento de éste, puesto que estos factores determinan la velocidad de crecimiento y la presencia de defectos al igual que en las propiedades físicas, el grado de humedad influye notablemente sobre las propiedades mecánicas (Rivero, 2003)..

(19) 2.1.4 Características Físicas del tronco y cortes en la Madera El crecimiento del árbol comienza desde la primavera y dura hasta finales del verano y otoño y es tanto en longitud como en espesor, en invierno descansa el crecimiento, con los primeros anillos anulares de un árbol se sabe su edad y son los que conducen la sabia o el agua del árbol, esta parte de la madera se llama albura (Viscarra, 1998). Los anillos anulares viejos interiores del leño no tienen ya paso de sabia o agua, se acumulan en ellos depósitos de sustancias, tales como colorantes, resinas, ceras, grasa, etc. Con ello trabaja menos el leño y se hace más pesado, más duro y más duradero, con la mineralización tiene lugar también un descoloramiento, a esa madera se le llama entonces duramen y se diferencia de la albura por su color mas claro En la parte de la Corteza es la cubierta protectora exterior y está conformada por tejidos muertos, sirve además de proteger al árbol de agentes externos de daño, para evitar la evaporación del agua del tronco. En la parte de la médula, que representa el. núcleo central de un tronco, la. madera cercana a la médula tiende a secar con más defectos que el resto del leño. En la parte del cambium que es el tejido generatriz ubicado entre la corteza interna y el sámago, produce la corteza hacia afuera y la madera hacia adentro, si se daña al cambium, la parte afectada muere (Viscarra, 1998)..

(20) Figura 2. Partes del tronco). Fuente: Revista CIS madera Cuando se hace un corte principalmente se hace en tres sentidos. Figura 3. Cortes de la madera. Fuente: Revista CIS madera Corte transversal.- Es en dirección perpendicular al eje del tronco, se produce, por ejemplo, al voltear un árbol o seccionar un tronco. Corte tangencial.- Se realiza tangencialmente a los anillos de crecimiento del árbol, es el corte en el que mejor se aprecia el veteado o figura de la madera. Corte radial.- Es cuando tiene dirección paralela a los radios es el corte más estable de la madera ante cambios de humedad del material..

(21) Corte oblicuo.- Es cuando se lo realiza de manera intermedia entre el corte tangencial y el corte radial (Viscarra, 1998). 2.2 HUMEDAD DE LA MADERA Se entiende por contenido de humedad, la masa de agua contenida en una pieza de madera, expresada como porcentaje de la masa de la pieza anhidra, el peso anhidro es el peso que se obtiene cuando se coloca la madera en una estufa a 100 o 102°C, hasta que se obtiene un peso constante cuando el contenido de humedad es modificado, existirán variaciones dimensionales las que se ven incrementadas mientras mayor sea la densidad de la madera (Cuevas, 2003). TABLA 1. Porcentaje de humedad de maderas verdes recién cortadas. Especie de la Madera Cedro Quebracho blanco Tajibo. Serebo Plumero Roble. Ajunao Soto. Porcentaje de Humedad % 80-100% 65% 55% 130% 155% 110% 70% 50% 140%. Fuente: Vizcarra, 1998 La formula para determinar la humedad de la madera es: CH =. PMH - PMS ´ 100% PMS. (Ec.2). Donde: CH%= Contenido de humedad en % PMH= Peso de la madera húmeda en (g) PMS=Peso de la madera de secado en horno en (g).

(22) Esto indica que el porcentaje de agua contenido en los espacios huecos y en las paredes celulares de la madera es muy variable en el árbol vivo, el agua contenida en la madera se encuentra bajo diferentes formas de agua libre, agua higroscópica o de saturación y agua de constitución, tal como se describe a continuación en la siguiente tabla (Vizcarra, 1998). TABLA 2. Contenido de humedad para productos terminados. Uso de la madera Madera de obra y construcción Objetos y aparatos de madera al aire libre Ventanas y puertas exteriores Artículos deportivos Muebles, puertas interiores, marcos donde calefacción Cajas para empaque de maquinaria Alfarjes y Atersonados. hay. % De Humedad 12% a 18% 12% a 16% 12% a 15% 10% a 15% 10% a 12% 8% a 12% 6% a 8%. Fuente: BOLFOR, 1998 Figura 4. Clasificación del agua en la madera. 2.2.1 Agua libre Es la que se encuentra ocupando las cavidades celulares o lumen de los elementos vasculares, dándole a la madera la condición de verde, la cantidad de agua libre que puede tener la madera esta limitada por su volumen de poros, al iniciarse el secado..

(23) El agua libre quizá es la parte más difícil de extraer en el momento de secado pero se va perdiendo fácilmente por evaporación. 2.2.2 Punto de saturación de las fibras En este punto la madera estará en lo que se denomina “punto o zona de saturación de las fibras” (PSF), que corresponde a un contenido de humedad entre 21 y 32 % de humedad, cuando la madera ha alcanzado esta condición, sus paredes están completamente saturadas pero sus cavidades están vacías, en esta fase de secado, la madera aun no experimenta cambios dimensionales en su estructura (Viscarra, 1998). 2.2.3 Agua de saturación higroscópica Durante el secado de la madera cuando esta ya ha perdido su agua libre por evaporación y continua secándose, la perdida de humedad ocurre con mayor lentitud hasta llegar a un estado de equilibrio higroscópico con la humedad relativa de la atmósfera circundante es decir que debe alcanzar una humedad de equilibrio en donde el valor de la gran mayoría de las maderas alcanzan una humedad de equilibrio del 15 al 10% esto depende del lugar donde se va utilizar la madera y (BOLFOR, 1998). TABLA 3. Estados de la madera en diferentes estados de corte Denominación del estado Nivel de humedad Lugar de ubicación de la madera (%) Estado verde 80% a + 200% Bajo cubierta en el bosque Madera húmeda 25% a 80% Recién cortada, en patio de trozas o a la interperie Madera poco seca 20 % a 25% Aire libre Madera seca al aire 15% a 20% Bajo techo Madera muy seca 8% a 15% Interiores (hornos) Madera anhidra 0%a 3% En laboratorio Fuente Viscarra, 1998.

(24) 2.2.4 Agua de constitución Es la que forma parte de la materia celular de la madera y que no puede ser eliminada utilizando las técnicas normales de secado, su separación implicaría la destrucción total de la madera (JUNAC, 1982). 2.2.5 Movimiento migratorio del agua en la madera El agua en la madera se mueve de las zonas de alto contenido de humedad a las de más bajo contenido, en un esfuerzo por alcanzar un equilibrio de humedad en toda la pieza de madera y por otra una condición de equilibrio entre el contenido de humedad de la madera y las condiciones climáticas del medio circundante (Viscarra, 1998). 2.2.6 Fuerzas capilares El flujo capilar originado por esta fuerza de arrastre hace que el agua libre del interior se mueva de una célula a otra buscando la superficie de la pieza de madera, la humedad que permanece en la madera se encuentra en forma de vapor en las cavidades celulares o en forma de agua higroscópica en los espacios intermicelulares de las paredes celulares la acción capilar se desplaza progresivamente hacia el centro de la madera para desaparecer gradualmente cuando el contenido de humedad de las células del interior tiende hacia el punto de saturación de las fibras (BOLFOR, 1998) 2.2.7 Fuerzas debidas a diferencias en la presión del vapor La diferencia de presión de vapor entre dos puntos, llamada gradiente de presión del vapor, es la responsable de que la humedad de la madera, en estado de vapor migre de las zonas interiores hacia las exteriores que tiene una presión de vapor menor (Viscarra, 1998)..

(25) 2.2.8 Fuerzas debidas a diferencias en el contenido de humedad Cuando la humedad de la madera empieza a abandonar los espacios intermicelulares de las paredes celulares, en las zonas cercanas a la superficie de la pieza se crea una diferencia o gradiente de contenido de humedad entre la superficie y el interior de la pieza como existe una gran afinidad entre el tejido celulósico de las paredes y el agua, las paredes mas secas de las capas superficiales absorben la humedad de las paredes con un contenido de humedad mas alto es decir, el agua se desplaza de las células interiores mas húmedas hacia las de la superficie que se encuentran mas secas (Vignote,2000). 2.3 DESARROLLO DEL PROCESO DE SECADO En el proceso de secado son los programas que se eligen para secar la madera esto depende analizar los tipos de madera cantidad de agua que contienen y tomar datos antes de que estos entren al horno de secado. 2.3.1 Programas de secado Es un sistema preestablecido de control de las variables que intervienen en el proceso de secado implica el desarrollo de diferentes etapas para inducir la perdida de humedad en la madera y permite controlar el comportamiento de la pieza durante el proceso (Viscarra, 1998). Un programa de secado no es más que una serie de instrucciones sobre la temperatura y la humedad relativa, especie de madera que se va secar que se deben aplicar basados en cambios en el contenido de humedad (PIMES, 2007). Los programas de secado varían según los siguientes factores:.

(26) 2.3.2 Según la especie de maderas a secar -. Densidad de la madera. -. Humedad inicial antes del secado. -. Aspectos anatómicos. -. Humedad final. -. Permeabilidad de la madera. En las maderas blandas se pueden usar velocidades hasta de 3(m/s) esto dependiendo de la humedad que contenga y la densidad. Mientras que en las maderas duras no es posible porque la estructura es compleja y tienen una mayor densidad, requiere mayor tiempo de secado (Klitzke, 2005). 2.3.3 Según el uso final de la madera Siempre que se requiera maderas de mayor calidad, el secado deberá ser lo más suave posible para evitar contracciones colapso, rajaduras, etc. Es decir se realizará en un tiempo más prolongado, siempre que guarde una relación con su beneficio económico (Viscarra, 1998). 2.3.4 Espesor Para diseñar los programas de secado se debe tomar en cuenta el espesor de la madera de 1” de espesor y madera de 2” de espesor, los programas de secado se modifican según las dimensiones de la madera como el espesor a secar, los factores como humedad relativa, temperatura, gradiente de secado cambian según el espesor de la madera como se muestra a continuación en la siguiente tabla (Viscarra, 1998)..

(27) TABLA 4. Espesor y distancia entre el separador y la la madera Espesor de madera (mm.) <20 20-25 25-40 40-65 65-80 >80. Espesor del separador (mm.) 20-30 20-30 20-30 30-40 40 45. Distancia entre separadores(mm.) 300-400 400-500 500-600 700-800 900 1000. Fuente: Revista Forestal CIS madera,2008. 0,025m. Figura 5. Dimensiones del separador que se usa para la pila de madera. 2m. 0 ,0 2 5 m. 2.3.5 Apilado La homogeneidad del secado depende de la uniformidad del paso del aire a través de la pila, por lo cual es esencial un correcto apilado en forma horizontal es el sistema tradicional en el secado convencional (Vargas, 2007). Para cada espesor de la madera se recomienda un grosor de separador a mayor espesor de la madera, mayor espesor del separador y mayor separación entre estos en el distanciamiento entre separadores porque esto ayuda en el secado a la libre circulación del flujo que va pasando por las paredes de la madera impulsadas por el ventilador (Klitzke, 2005)..

(28) Figura 6. Distancia de los separadores y el tablón que forman la pila de madera 0 ,0 2 5 m. 0,05m. 0,025m. 0 ,5 m. t a b lo n. s e p a ra d o r. Figura 7. Forma correcta de apilar la madera. Fuente: Revista CIS madera 2.3.6 Humedad final Para un secado con una humedad final o la humedad de equilibrio se de debe considerar los siguientes aspectos antes de secar la madera y en cuanto tiempo se requiere. 17-20% puede ser un secado moderado 7-8% debe ser un secado suave y mayor tiempo Una vez establecidos estos factores, se puede determinar si la madera es de difícil o fácil secado esto servirá de base, para definir los valores iníciales de las variables de secado temperatura y humedad relativa inicial y final (PIMES, 2007)..

(29) 2.3.7 Etapas del programa de secado Un programa de secado está estructurado en diferentes etapas, estas se van adaptando según las condiciones internas de la cámara, para que la madera alcance la humedad final requerida, sin presentar defectos y en el menor tiempo posible, durante el proceso debe existir una combinación correcta de las variables de secado, como ser la temperatura, humedad relativa, humedad de equilibrio, potencial de secado (BOLFOR, 1998) 2.3.8 Calentamiento inicial En el calentamiento de toda la cámara y de la madera que conforma la carga, esto nos permite dilatar los poros y eliminar el aire interno de la madera, facilitando la posterior eliminación del agua se trabaja con alta humedad relativa y baja temperatura y luego se llega a una temperatura mayor a los 40°C y desde este momento el horno empieza a operar para la eliminación de agua de la madera (BOLFOR, 1998). 2.3.9 Secado antes del punto de saturación de fibras (PSF) Es el proceso de eliminación del agua de la madera, se trabaja con baja humedad relativa y alta temperatura en esta etapa se elimina el agua libre de la madera, hasta el 28 o 30 % de humedad de la madera (Viscarra, 1998). 2.3.9.1 Calentamiento intermedio Se eleva la variable temperatura y se aumenta considerablemente la humedad relativa, evitando eliminar el agua de la madera, para que no sufra daños en la paredes internas este calentamiento interno es también a causa de las perdidas que hay por la ventilas y calentar el aire de renovación que es mínima pero influye en el tiempo de secado de la madera esto nos ayuda a dilatar los poros de la.

(30) madera para que entre el flujo de aire caliente en. las paredes y las capas. (Vargas, 2007). 2.3.9.2 Secado después del punto de saturación de fibras (PSF) Se vuelve a eliminar el agua de la madera, se elimina agua de impregnación o higroscópica y se produce un aumento de la temperatura y una disminución de la humedad relativa y es donde la madera llega a eliminar el agua libre que se encuentra en el centro de la madera pero la madera siempre debe salir con un porcentaje de humedad que esta depende del lugar (Viscarra, 1998). 2.3.9.3 Acondicionamiento Se disminuye la temperatura y se aumenta la humedad relativa a los efectos de igualar el gradiente de humedad dentro de cada pieza de madera y esto ayuda estabilizar la humedad del tablón que se esta secando (Viscarra, 1998). 2.3.9.4 Uniformización Se disminuye la temperatura y se aumenta la humedad relativa a los efectos de igualar el contenido de humedad entre las piezas que conforman la carga de madera esto para que vaya enfriándose la madera de acuerdo a las condiciones del exterior (BOLFOR, 1998) 2.3.9.5 Enfriamiento Se busca el equilibrio de la temperatura interna de la cámara con el medio ambiente exterior, se hace circular aire seco frío dentro de la cámara, se disminuye la temperatura y se baja humedad relativa la madera seca se trabaja con más facilidad..

(31) Su superficie soporta mejor cualquier tratamiento es mas maciza y dura, así como más duradera y resistente contra los daños y enfermedades de la madera, además se transporta mejor y por lo tanto a menos precio que la húmeda (BOLFOR, 1998) Figura 8. Ciclo esquemático del secado de madera. Fuente: Vargas, 2007 1. Calentamiento 2. Etapas de secado A (antes del PSF) 3. Calentamiento intermedio 4. Etapa de secado B (después del PSF) 5. Acondicionamiento C 6. Enfriamiento D ECH=Contenido de humedad de equilibrio (%) PSF= Punto de saturación de las fibras.

(32) 2.3.9.6 Consideraciones del programar el secado Antes de comenzar a realizar algún programa de secado debemos tener en consideración los siguientes aspectos. -. Especie de madera. -. Densidad de la madera. -. Humedad inicial de la madera. -. Humedad final de la madera. -. Espesor de la madera. -. Tipo de horno de secado. -. Tipo de controlador. -. Calidad y destino de los productos y usos finales. -. Contenido de humedad de equilibrio final. 2.3.9.7 Programas de secado Siempre se debe tener en cuenta que las madera mas duras tardan mas en secar que las madera blandas y de acuerdo a la densidad, contenido de humedad se hace la tabla de secado las madera duras pueden tener un programa de secado fuerte y moderado y las madera blandas deben tener un secado moderado todo esto dependerá del la especie y de la densidad (Viscarra, 1998)..

(33) TABLA 5. Programa moderado (M) para maderas blandas Contenido de. Temperatura. Temperatura de. Humedad. humedad de la. de bulbo seco. bulbo. relativa. madera%. (°C). húmedo(°C). aproximada %. Verde. 50. 47. 80. >60. 55. 49. 70. 50. 60. 51. 60. 40. 65. 52. 50. 30. 70. 54. 40. 20. 70. 50. 35. Fuente. Silverio Viscarra, 1998 A esto debemos. añadir que estas tablas son parámetros para elaborar un. programa de secado adicional controlando las temperaturas dentro de la cámara la humedad velocidad del aire dentro de la cámara y elaborar una propia tabla y sacar las curvas de secado. 2.3.10 Aplicación del Programa de Secado Los programas se aplican de acuerdo al contenido de humedad de las muestras de secado ubicadas dentro de la carga de madera, para decidir cuándo deben cambiarse las condiciones del horno, se determina el contenido de humedad de la mitad más húmeda de las muestras ese valor guía en todo momento los pasos del programa, algunos operadores se guían por la muestra más húmeda y realizan los cambios cuando el nivel de humedad se acerca a uno o dos por ciento del valor de contenido de humedad de equilibrio especificado por el paso del programa (Viscarra, 1998)..

(34) 2.3.10.1 Modificaciones de los programas de secado Una vez que el operador ha secado con un programa una serie de cargas de una especie, sin causar deterioro puede proceder a modificarlo en forma sistemática para reducir el tiempo empleado en el secado (PIMES, 2007). 2.3.10.2 Optimización del proceso de secado Cuando los cambios de temperatura se realizan de manera brusca o excesiva pueden generar problemas en el material un cambio de programa sobre la base del material que se esta utilizando, optimizar el proceso de secado y mejorar el tiempo de secado y se obtiene una madera de mejor calidad si se toma todos los recaudos necesarios (Jiménez, 2003). Para poder optimizar un proceso de secado se debe tener en cuenta las siguientes variables. -. Las maderas blandas secan mas rápido. -. Las maderas mas duras o semiduras tardan mas en secar. -. El tipo de corte que se hace en la madera. -. La abura colapsa en menor proporción que el duramen. -. La albura seca mas rápido que el duramen. -. Las rajaduras se originan en los radios debido al la naturaleza de los mismos proceso de secado que son sometidos.. 2.3.10.3 Factores que influyen en el secado de la madera Tanto en el secado en estufa como en el secado al aire, el agua es removida de la superficie de la madera por evaporación la velocidad de evaporación es controlada por la temperatura, la humedad del ambiente y la velocidad del aire que pasa a través de la pila de secado para entender la mecánica del proceso es por lo tanto.

(35) necesario familiarizarse con las leyes de la evaporación y sus relaciones con sus parámetros de control (Vargas, 2007). Temperatura El calor es la fuente de la que las moléculas de agua en la madera adquieren la energía cinética necesaria para la evaporación la velocidad de esta depende de la cantidad de energía suministrada por unidad de tiempo y de la capacidad del medio, para absorber la humedad liberada por la madera, cuanto mas elevada sea la temperatura del ambiente que rodea la madera, mas intensa será la evaporación puesto que el aire podrá absorber mas humedad (Jiménez, 2003). Humedad relativa Es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenida en el aire y la máxima cantidad que puede contener a la misma temperatura, si aumentamos 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 si extraemos vapor de agua del aire, y bajamos su humedad relativa y aumenta la capacidad de sacar vapor de la madera que contiene en sus capas (Jiménez, 2003). Velocidad del aire La circulación del aire es otro de los elementos que actúa sobre la velocidad de evaporación del agua durante el proceso de secado, para maderas de mayor densidad y secado lento se recomiendan velocidades de 2 m/s y de 5m/s para maderas de secado rápido, si se utilizan velocidades mayores sin un debido control puede comprometerse la calidad de la madera (Inzunza, 2004)..

(36) Contenido de humedad de equilibrio Se establece un equilibrio entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la que existe en el interior de la pieza de madera, cuando este equilibrio es alcanzado, la humedad de la madera no varía más y se dice que ha llegado al contenido de humedad de equilibrio o humedad límite, este contenido de humedad permanecerá constante mientras las características del aire que rodean a la madera no cambien (Vargas, 2007). 2.4 TIPOS DE SECADO El costo del material en la planta de estacionamiento, los riesgos de manipuleo los reclamos por defectos, la posibilidad de vender justo a tiempo, la homogeneidad del producto y estos son algunos de los costos adicionales que, deberían ser tenidos en cuenta al momento de comparar detenidamente ambos proceso. La madera como material higroscópico se equilibra en humedad con el medio en el cual se encuentra, la diferencia entre humedad de equilibrio es importante, ya que se la expone a riesgos de contracciones y deformaciones que pueden ir en contra de la funcionalidad del producto elaborado (Vargas, 2007). 2.4.1 Secado natural El secado natural o al aire libre consiste en exponer la madera a la acción de los factores climáticos de un lugar, estos factores son la temperatura, la humedad relativa de la atmosfera y el aire que en permanente movimiento, sirve de agente para establecer un equilibrio higroscópico entre el medio ambiente y la madera. Es el procedimiento mas antiguo y tradicional aunque, bastante lento variando según las especies a secar y el lugar donde se depositan (CIS Madera, 2008)..

(37) Figura 9. Secado natural. Fuente: Revista CIS Madera 2.4.2 Secado Artificial Los costos directos del secado artificial en cámaras son más altos que los del secado al aire, ya que la inversión en instalaciones y equipos hay que agregar los costos de funcionamiento en combustibles, electricidad y supervisión, sin embargo la rapidez del secado entre 10 y 40 veces más rápido que el secado al aire libre (CIS Madera,2008) Figura 10. Secado Artificial. Fuente: Revista CIS Madera.

(38) 2.4.3 Secado en Hornos Cualquiera que sea el método utilizado tiene que complementarse dos fenómenos el movimiento de agua contenido en la madera hacia el exterior y su evaporación de la superficie, la evaporación de las paredes superficial no es difícil de conseguir suministrando algunas condiciones adecuadas de temperatura y humedad de aire así como estableciendo una ventilación suficiente (Vargas, 2007). Existen varias formas de secado que podemos utilizar dentro del proceso de secado artificial de la madera pero nos centraremos más en dos métodos que son mas aplicados. - Secado por condensación - Secado por convección 2.4.3.1 Secado por condensación. Su funcionamiento consiste en que el aire es relativamente saturado de humedad será enfriado, esto quiere decir que el aire reduce su capacidad de absorción de agua y debido a esta circunstancia el exceso de agua evaporada empieza a condensarse y sale en forma liquida del refrigerador al exterior de la cámara de secado, de esta manera se mantiene la capacidad de absorción del aire, caso contrario el aire se satura con el agua que contiene la madera y se determina su funcionalidad como medio de secado (Vargas, 2007)..

(39) Figura 11. Cámara de condensación. a. c b. d. Componentes de la cámara a) Aire caliente b) Aire frio c) Calefacción d) Refrigeración La temperatura de secado oscila entre 35 a 45°C, relativamente baja y no se requiere de sistemas de calefacción costosos. Como principales desventajas que presentan este sistema son: i) Fase de secado es lenta, comprendido entre 30 a 60 días en caso de tablones de madera dura. ii) La obtención de un contenido de humedad menor al 14% es difícil y con un valor económico elevado. iii) El consumo eléctrico tiene un alto costo. Entonces la manera, mas aconsejada para realizar un proceso de secado es utilizando el método de secado por convección..

(40) 2.4.3.2 Secado por Convección. Este tipo de secado trabaja con temperaturas mas elevadas, normalmente oscila entre los 60 a 80°C este tipo de secadero utiliza por lo general intercambiadores de calor, y como medio de calefacción usa los siguientes componentes. -. Agua caliente. -. Aceite térmico. -. Vapor. -. Gases de combustión. Para la generación de energía calorífica necesaria , en la mayoría de secaderos se utiliza diesel , siendo su utilización mas económica que los desperdicios de madera, ya que el poder calorífico de los desperdicios de madera producidos por una empresa, es mas alto que la energía térmica requerida para el secado de la madera solida que la misma empresa necesita. Figura 12. Cámara de convección. b c d e g f h.

(41) Componentes de la cámara a) Ventilador b) Orificios regulables para intercambio de calor c) Intercambiadores de calor d) Sistema de humidificación e) Sistema de control f) Cámara de secado g) Paquete de tablones h) Coche de alimentación de madera El tiempo de secado depende. de los mismos factores, mencionados. anteriormente por las circunstancias mas forzadas, el tiempo necesario se reduce considerablemente de 6 a 15 días, por fase de secado de la madera. y. dependiendo del tipo de madera que se esta sacando y los equipos utilizados. 2.4.4 CONCEPTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Transferencia de calor, se le define como el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. La transferencia de calor completa al primer y segundo principios de la termodinámica, al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden utilizar para establecer la rapidez de transferencia de energía (HOLMAN, J.P.) El calor puede transferirse por conducción, convección y radiación o por una combinación de los tres modos, aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos..

(42) El calor siempre se mueve de las zonas más calientes a las más frías buscando el equilibrio, cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápidamente fluye el calor hacia la zona más fría (Y. CENGEL, 2004) 2.4.4.1 Transferencia de calor por conducción. Supóngase que una fuente de calor existe a la izquierda de la pared y que existe un recibidor de calor en la superficie derecha es conocido y después se confirmará por una derivación, que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la pared y al área de la pared si es la temperatura en cualquier punto de la pared y es el espesor de la pared en dirección del flujo de calor (HOLMAN, J.P.1998) Figura 13. Tipos de transferencia de calor a través de paredes. Conductividad térmica.- Es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor a través de su masa cada material, ya sea aislante o de otro tipo, tiene un valor de conductividad térmica específico que permite determinar su eficacia como aislante del calor..

(43) Puede definirse como la cantidad de calor o energía expresada en (Kcal, Btu. o Julios) que puede conducirse por unidad de tiempo a través de la unidad de superficie de un material de espesor unitario, cuando la diferencia de temperatura es la unidad la conductividad térmica puede expresarse en. (Kcal/ m° C), (Btu/ft°F) o también en (W/m°C) (HOLMAN, J.P. 1998). 2.4.4.2 Conducción de calor en paredes planas Si consideramos un pared simple, homogénea (K= cte.) de espesor, (e1) las superficies externas de la pared se mantienen a temperatura constante a T1, T2 respectivamente. Figura 14. Transferencia de calor a través de una pared plana. Fuente, HOLMAN, J.P. De la ecuación de Fourier tenemos q = K ´ A´. T1 - T2 e. Donde q = Flujo de calor (W ) K = Conductividad térmica del material (W / m°C ) A = Área transversal al flujo de calor de la pared ( m 2 ).

(44) T1 - T2 = Temperatura de las paredes interior y exterior ( °C ). e = Espesor de las paredes ( m ). Con el objeto de simplificar la ecuación anterior se puede cambiar las resistencias térmicas en un solo valor U, llamado Coeficiente Total de Transferencia de Calor esto es para paredes que tienen diferentes espesores que. se muestra a. continuación (HOLMAN, J.P. 1998).. U=. 1 e e e e 1 1 + 1 + 2 + 3 + 4 + hi K1 K 2 K 3 K 4 he. (Ec.3). Donde U = Coeficiente total de transferencia de calor (W / m 2 ´ ° K ). (. hi , he = Son los coeficientes de transferencia de calor interna y externa W / m 2 ´ ° K. ). e1 , en = Son los espesores de la pared de cada material que compone el horno ( m ) K1 , , K n = Son la conductividad térmica que tiene cada material (W / m ´ °K ). El Coeficiente Total de Transferencia de Calor U puede basarse en cualquier área escogida este resultado puede garantizarse para incluir más paredes como en nuestro caso que usaremos para el diseño estará conformado de varias paredes Para un análisis para cada área. de cada pared podemos tener la siguiente. ecuación.. Q* =. i. åU n. i. ´ A i ( T i n t e r n a - T e x te r io r. ). (Ec.4).

(45) Donde Q * = Coeficiente de transferencia de calor (W ). (. 2 U = Es el coeficiente total de transferencia de calor de las paredes W / m ´ ° K. ). ( ). A i = Son las áreas de transferencia de calor de la que compone las paredes m 2. Texte r = Es la temperatura exterior ( °C ). Tint = Es la temperatura interna ( °C ) 2.4.4.3 Transferencia de calor por convección La convección es la transferencia de calor entre partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla, supóngase que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama caliente el líquido que se encuentra en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso que antes, debido a su expansión térmica el líquido adyacente al fondo también es menos denso que la porción superior fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende (HOLMAN, J.P. 1998). q = h ´ A (TW - T¥ ). (Ec.5). Donde q = Flujo de calor (W ) A = Área transversal al flujo de calor de la pared ( m 2 ) h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W / m 2 ´ °C ). TW =Temperatura de la superficie ( °C ) T¥ = Temperatura del fluido circundante ( °C ).

(46) La mayoría de los problemas de transferencia de calor por convección de interés práctico, debido a la complejidad matemática de sus ecuaciones, se estudia experimentalmente y los resultados se presentan en forma de ecuaciones empíricas que se expresan en función de los grupos a dimensionales.. Re =. r ´V ´ D ; Pr = m. Cp ´ m ; Nu = k. h ´ Lc k. Donde Re = Numero de Reynolds. Pr = Numero de prandtl Nu = Numero de Nusselt. r = Densidad del fluido ( kg / m3 ) V = Velocidad del fluido ( m / s ). D = Diámetro del tubo ( m ). m = Viscosidad dinámica del fluido ( kg / m ´ s ) Cp =Calor especifico del fluido ( J / kg ´°C ) k =Coeficiente de conductividad térmica del fluido (W / m ´ °C ) h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W / m 2 ´ °C ) Lc = Longitud característica ( m ). Donde la longitud característica esta definida como.. Lc =. 4A =D P. (Ec.6).

(47) Donde P = Perímetro mojado ( m ) A = Área de la sección transversal al flujo ( m 2 ) D =Diámetro del tubo ( m ). 2.4.4.4 Número de Nusselt Es un número a dimensional que mide el aumento de transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre, transferencia de calor por convección comparada con la transferencia de calor si ésta ocurriera solamente por conducción. La transferencia de calor dentro de una cavidad por convección natural, cuando el número de Reynolds es inferior a 1000 se considera que la transferencia de calor es únicamente por conducción y el número de Nusselt toma el valor de la unidad, en cambio para números de Reynolds superiores, la transferencia de calor es una combinación de conducción y convección, y el número de Nusselt toma valores superiores, a continuación el numero de nusselt esta dado por (Y.CENGEL).. Nu =. transferenciadecalorporconveccion h ´ Lc = transferenciadecalorporconduccion k. (Ec.7). Donde ambas transferencia de calor se consideran en la dirección perpendicular al flujo, el número de nusselt también puede verse como un gradiente a dimensional de temperatura en la superficie (Y.CENGEL. 2004). Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convección. Un número de Nusselt de Nu = 1 para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura..

(48) El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural. 2.4.4.5 Número de Prandtl Es un número a dimensional proporcional al cociente entre la difusividad de momento (viscosidad) y la difusividad térmica. Se llama así en honor a Ludwig Prandtl.. Pr =. v ¥. Velocidaddedifusionndemomento = Velocidaddedifusiondecalor. Cp ´ m k. (Ec.8). =. Los metales líquidos poseen números de Prandtl muy bajos, los gases presenta la particularidad de tener un número de Prandtl en torno a 0.70, el agua tiene un valor intermedio, y finalmente los valores mayores del número de Prandtl lo presentan los fluidos viscosos. En problemas de transferencia de calor el número de Prandtl controla el espesor relativo de las capas límite de momento y térmica, cuando (Pr), es pequeño significa que el calor se difunde muy rápido comparado con la velocidad (Y.CENGEL. 2004). 2.4.4.6 Calor Específico Es la cantidad de energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura (℃) una cantidad de sustancia (Kg). 2.4.4.7 Número de Reynolds Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido, es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento (Y.CENGEL. 2004)..

(49) Re =. fu erzasdeinercia = fuerza svis cos as. r ´V ´ D = m. V ´ Lc n. (Ec.9). n = Viscosidad cinemática ( m 2 / s ) Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento. Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar. El valor del número de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el número crítico de Reynolds. Este valor crítico es diferente para las diferentes configuraciones geométricas donde tenemos a continuación. Para una placa plana (Re) crítico = 5x105. Para tubos: si (Re) < 2300 el flujo es laminar. Si 2300 < (Re) < 10000 el flujo es de transición, Si (Re) > 10000 el flujo es turbulento. El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada. 2.4.5 Flujo a través de un banco de tubos La transferencia de calor en este tipo de arreglo es muy utilizada en la industria, de hecho es uno de los tantos tipos de intercambiadores de calor. Comúnmente un fluido fluye dentro de los tubos, mientras un segundo fluido circula por el exterior a diferente temperatura, la transferencia de calor desde o hacia un banco o haz de tubos en flujo cruzado es relevante para numerosas aplicaciones industriales, como la generación de vapor en una caldera o el enfriamiento en el serpentín de un acondicionador de aire (Y.CENGEL. 2004)..

(50) Figura 15. Banco de tubos escalonados. Normalmente un fluido se mueve sobre los tubos, se enfocará de forma específica en la transferencia de calor por convección asociada con el flujo cruzado sobre los tubos para el diseño del intercambiador de calor, las filas de los tubos de un banco, pueden tener una configuración escalonada o lineal, en la dirección de la velocidad del fluido. La configuración se caracteriza por el diámetro exterior del tubo D, ST y SL medidas entre los centros de los tubos, las condiciones del flujo dentro del banco están dominadas por los efectos de separación de la capa límite y por las interacciones de estelas, que a su vez influyen en la transferencia de calor por convección (Y.CENGEL. 2004). Figura 16. Arreglo de Tubos en un banco.

(51) Donde S L = Distancia entre hileras ( m ) ST =Distancia transversal ( m ) S D =Distancia diagonal ( m ) N L =Numero de tubos en dirección longitudinal ( m ) NT =Numero de tubos en la dirección transversal ( m ). Los tubos de las primeras líneas actúan como una rejilla de turbulencia, que aumente el coeficiente de transferencia de calor para los tubos de las líneas siguientes, sin embargo, la mayoría de las configuraciones las condiciones de transferencia de calor se estabilizan, de modo que ocurren pocos cambios en el coeficiente de convección para un tubo más allá de la cuarta o quinta línea (HOLMAN, J.P. 1998). En general se desea conocer el coeficiente promedio de transferencia de calor para todo el haz de tubos, para un flujo de aire que circula a través de haces de tubos compuestos de 10 o más líneas Nu ≥ 10 Grimison, obtuvo una correlación de la forma. Nu = C1 ´ Re m. é N L ³ 10 ù ê 2000 < Re < 40000 ú ê ú êë Pr = 0, 7 úû. Donde C1 y m se presentan en la siguiente tabla.. (Ec.10).

(52) TABLA 6. Constantes C y m para flujo de aire sobre bancos de tubos de 10 o mas líneas. Fuente: (HOLMAN, J.P.). Donde el número de Reynolds se evalúa de la siguiente manera. Re =. r ´ VMAX ´ D m. (Ec.11). Donde VMAX = Es la velocidad máxima del fluido ( m / s ). Para hacer el cálculo del banco de. tubos las propiedades del fluido siempre. deben ser evaluadas a temperatura fílmica o promedio como algunos autores lo indican como se muestra a continuación.. Tf =. TP + TW 2. (Ec.12). Tp =. Ti + To 2. (Ec.13).

(53) Donde T f =Temperatura fílmica de película ( °C ). TP =Temperatura promedio ( °C ) TW = Temperatura de la pared ( °C ) Ti = Temperatura inicial del fluido ( °C ) To = Temperatura final del fluido ( °C ). Para la corrección de Nu, se aplica un factor de tal manera que Nusselt quede de la siguiente manera.. Nu N L < 10. C2 Nu=N L ³ 10. Donde C2 esta dado en la siguiente tabla. TABLA 7. Factor de corrección C2, para NL < 10. Donde la velocidad máxima del fluido que ocurre dentro del banco de tubos se lo calcula de la siguiente manera.. Vmax =. V ¥ ´ ST ST - D. (Ec.14). El autor Zhukauskas propone una relación de la forma. 1/ 4. Nu = C Re Pr m. 0,36. æ Pri ö ç ÷ è Prw ø. é N L ³ 20 ù ê 6ú ê1000 < Re < 2 ´ 10 ú ê 0, 7 < Pr < 500 ú ë û. (Ec.15).

(54) Donde todas las propiedades se evalúan a temperatura fílmica excepto Prw y las constantes C y m se presentan en tablas y también se aplica un factor de corrección.. Nu N L < 20. C2 Nu= N L ³ 20. TABLA 8. Coeficiente C y m de corrección de Zhukauskas. TABLA 9. Factor de corrección C2 para NL<20. Fuente: (Y.CENGEL). Una vez que se conoce el número de Nusselt y por tanto, el coeficiente de transferencia de calor promedio para el banco de tubos completos se puede determinar la velocidad de la transferencia de calor como el fluido experimenta un cambio grande de temperatura a medida que se mueve por el banco de tubos, la transferencia de calor sería significativamente sobre pronosticada al usar DT = TS + T ¥ , como la diferencia de temperaturas en la ley de enfriamiento de Newton (Y.CENGEL. 2004). A medida que el fluido se mueve a través del banco, su temperatura se aproxima a. D T disminuye, la diferencia de temperaturas apropiada para el flujo interno es la.

(55) diferencia Media Logarítmica de Temperaturas LMDT, definida por la siguiente ecuación. LM TD =. D T1 - D T 2 æ D T1 ö ln ç ÷ è D T2 ø. (Ec.16). Donde DT1 - DT2 = Es la diferencia entre los dos fluidos de entrada y salida ( °C ). La temperatura de salida del fluido se la calcula. con la siguiente ecuación. (Y.CENGEL). æ A ´h ö Ta ,o = TW - (TW - Ta ,i ) exp ç - s ÷ è m ´ Cp ø. (Ec.17). AS = N p DL. (Ec.18). m· = rV ( NT ST L ). Donde Ta ,o = Temperatura a la salida del banco de tubos ( °C ) Ta ,i = Temperatura a la entrada del banco de tubos ( °C ). TW = Temperatura de la pared del tubo ( °C ) As =Área superficial de transferencia de calor ( m 2 ) h = Coeficiente de transferencia de calor (W / m 2 °C ). m = Gasto de masa del fluido ( kg / s ). Cp = Calor especifico del fluido externo ( J / kg °C ) N = Numero total de tubos en el banco. D = Diámetro exterior del tubo ( m ) L = Longitud del tubo ( m ). NT =Numero de tubos en el plano transversal al flujo ST = Paso transversal ( m ). (Ec.19).

(56) V =Velocidad del fluido antes de entrar al banco de tubos ( m / s ). r = Densidad del fluido externo ( kg / m3 ) Con estos datos podemos calcular la velocidad de transferencia de calor que esta dado por la siguiente ecuación Q = h ´ AS ´ LMTD. (Ec.20). 2.5 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN LA ESTRUCTURA DEL HORNO Y LOS EQUIPOS. Las paredes del horno deben poseer característica como -. Hermeticidad. -. Buen asilamiento térmico. -. Resistencia a la corrosión por lo ácidos liberados por la madera en el proceso. -. Resistencias a temperaturas mas de 60°C. El material que más se ajusta a nuestro medio son los materiales cerámicos que en particular se usan para la construcción de hornos de secado, para nuestro diseño se escogió el ladrillo de 6 huecos y también el ladrillo macizo, que tiene las siguientes dimensiones y características.. 0 .1 2 m. 0,. 24. m. 0.065m. Figura 17. Ladrillo macizo.

(57) 2.5.1 Características de los ladrillos de la pared del horno k = conductividad térmica éë 0,87 ( | W / m° K ) ùû. Cp = Calor especifico éë1380 ( J / kg ° K ) ùû. r = Densidad del material éë1800 ( kg / m3 ) ùû. 0,15m. Figura 18. Ladrillo hueco. 0,. 25. m. 0 ,1 1 m. k = conductividad térmica éë 0.49 ( J / kg ° K ) ùû. Cp = Calor especifico éë920 ( J / kg °K ) ùû. r = Densidad del material éë1200 ( kg / m3 ) ùû Figura 19. Componentes de la pared del horno. 0,295m. Pared interior ladrillo hueco revoque de cem ento. ladrillo macizo cem ento m aterial de aislacion poliuretano Pared exterior.

(58) Características del enlucido o revoque de cemento k = conductividad térmica éë 0, 72 ( | W / m° K ) ùû. Cp = Calor especifico éë1050 ( J / kg ° K ) ùû. r = Densidad del material éë 600 ( kg / m3 ) ùû 2.5.2 Características de la puerta del horno de secado La puerta es una parte fundamental de el horno ya que por ahí donde se accede el ingreso del la pila de madera que se va secar, y es también por donde mayor perdidas de calor que tiene el horno, las puertas de horno de secado deben tener las siguientes características. -. Deben ser manipulables de peso ligero. -. Hermeticidad. -. Deben estar construidas de materiales resistentes a la corrosión. -. Tener un buen asilamiento térmico. -. Resistencias a temperaturas mayores a 60°C. La puerta estará conformada de planchas de aluminio de 2(mm) de espesor y al centro tendrá el material de aislación que será el poliuretano la puerta tendrá la forma de tipo Sándwich, las dimensiones que tendrá se muestran en la figura..

(59) Figura 20. Dimensiones de la Puerta del horno de secado. 3m. 1,5m. Características del material aluminio. r = 2739 ( kg / m3 ) k = 177 (W / m°C ) Cp = 0,896 ( J / kg °C ). 2.5.3 Características del material de aislación. Para nuestro material de aislación se escogió el poliuretano porque tiene una menor conductividad térmica esto permite que el horno no pierda calor desde su interior hacia el exterior ya que son espumas flexibles que se usas para recubrimientos, resistentes a químicos, adhesivos y selladores, para aislamiento de edificios y aplicaciones técnicas como los intercambiadores de calor, tubos de refrigeración y mucho mas..

(60) Características del poliuretano. r = Densidad del material éë30 ( kg / m3 ) ùû k = Conductividad del material éë( 0, 026W / m° K ) ùû. Cp = Calor especifico éë1800 ( J / kg ° K ) ùû Rango de temperaturas de operación (-120°C a 120°C) Ventajas del poliuretano que tienen sobre otros materiales de aislación -. 5 cm de poliuretano. -. 7,5cm de Poliestireno. -. 9cm lana mineral. -. 10cm en corcho. -. 13cm tabla aglomerada. -. 28cm tabla de madera. -. 76cm bloques de concreto. -. 173cm de ladrillo. Figura 21. Paneles de poliuretano y método de Spray para paredes. Fuente: KAEFER SOUYET Distribución.

(61) 2.5.4 Equipos que componen el horno de secado 2.5.3.1 Psicrómetros Que son los encargados de proporcionar datos de temperatura de bulbo húmedo y de temperatura de bulbo seco ya que este es para controlar la temperatura dentro del horno. Figura 22. Psicrómetro. 2.5.3.2 Higrómetro Es el instrumento que esta encargado de leer el porcentaje de la humedad pero también se encuentra higrómetros digitales de un costo más elevado. (KLIMA LTDA). Figura 23. Higrómetro.