UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATÉMATICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DE SECADORES CONVECTIVOS ZONALES PARA
PROCESAMIENTO DE PALETAS Y PRODUCTOS DE ÁLAMO
INFORME DE AVANCE
MATIAS IGNACIO JIMENEZ RIVAS
PROFESOR GUÍA:
LEONEL NÚÑEZ LAZO
PROFESOR CO-GUÍA:
ROBERTO CORVALÁN
SANTIAGO DE CHILE
ABRIL 2015
Índice general
1.
Introducción ................................................................................................................................ 1
2.
Objetivos...................................................................................................................................... 2
3.
2.1.
General ................................................................................................................................ 2
2.2.
Específicos ........................................................................................................................... 2
Antecedentes............................................................................................................................... 3
3.1.
3.1.1.
Estructura del tronco [1] [2] ....................................................................................... 3
3.1.2.
Clasificación de la madera [3] [4] ................................................................................ 4
3.1.3.
Composición de la madera [5] [6] ............................................................................... 4
3.1.4.
Agua en la madera [7] [8] ............................................................................................ 4
3.1.5.
Industria maderera y la producción de paletas [9] [10] [11] [9] ................................. 5
3.2.
Proceso de secado de la madera [12] ................................................................................. 8
3.2.1.
Mecanismos de movimiento del agua durante el secado [3] [13] [14] ...................... 8
3.2.2.
Secadores de productos de madera [15] [16] [17] ................................................... 10
3.2.3.
Secadores de micro-productos de madera [18] [19] [20] [21].................................. 12
3.2.4.
Flujo por un medio poroso [22] [23] ......................................................................... 14
3.3.
4.
Estructura de la madera. ..................................................................................................... 3
Secador zonal convectivo [20] [21] [24] ............................................................................ 16
3.3.1.
Producto a secar ........................................................................................................ 16
3.3.2.
Diseño conceptual ..................................................................................................... 17
3.3.3.
Condiciones de operación ......................................................................................... 18
Metodología .............................................................................................................................. 22
4.1. Investigación conceptual de los mecanismos de distorsión de las paletas y considerarlos
en el diseño mejorado del equipo. ............................................................................................... 22
4.2.
Estudios experimentales de pérdida de carga en lechos/camas de paletas..................... 22
4.3.
Estudio CFD de la aireación del lecho de secado .............................................................. 23
4.4. Configuración de alta eficiencia y desempeño para los ventiladores e intercambiador
convectivo ad hoc para el secador. .............................................................................................. 24
5.
Resultados ................................................................................................................................. 25
5.1.
Investigación conceptual de mecanismos de distorsión de las paletas [21] [25] ............. 25
6.
Conclusiones .............................................................................................................................. 30
7.
Referencias ................................................................................................................................ 31
8.
ANEXOS...................................................................................................................................... 33
8.1.
Ensayos INNOVATEC [20] .................................................................................................. 33
Índice de Figuras
Figura 3-1 Secciones del tronco [2] ..................................................................................................... 3
Figura 3-2 Paletas de pintura [9] ......................................................................................................... 6
Figura 3-3 Flujograma de los procesos de producción de palitos de helado [9] ................................ 7
Figura 3-4 Defectos típicos de secado [3] ......................................................................................... 10
Figura 3-5 Secado de madera por aire [15] ....................................................................................... 11
Figura 3-6 Secador solar de madera [17] .......................................................................................... 12
Figura 3-7 Secador de madera continuo [18].................................................................................... 13
Figura 3-8 Secadora de Lecho Fluidizado [19]................................................................................... 14
Figura 3-9 Esquema del secador convectivo [20].............................................................................. 17
Figura 3-10 Esquema entrada de aire secador convectivo [24] ....................................................... 18
Figura 4-1 Equipo experimental para la pérdida de presión............................................................. 23
Figura 5-1 Comparación de la densidad aparente y contracción de secado de las especies álamo y
hualle (De las Tabla 5-2 y Tabla 5-3) ................................................................................................. 27
Figura 5-2 Comparación propiedades mecánicas de álamo y huelle como función de la densidad
anhidra. [21] ..................................................................................................................................... 27
Figura 5-3 Relación NCT de la densidad de la madera de álamo y hualle [21]................................... 29
Figura 8-1 Pérdida porcentual de peso v/s Tiempo de residencia para duramen, ensayado a distintas
temperaturas de aire de secado. [20] ............................................................................................... 35
Figura 8-2 Pérdida porcentual de peso v/s tiempo de residencia para albura, ensayado para distintas
temperaturas de aire de secado [20] ................................................................................................ 35
Figura 8-3 Gráfico de variación de porcentaje de humedad [20] ..................................................... 36
Figura 8-4 Razón de cambio temporal del porcentaje de humedad [20] ......................................... 36
Índice de Tablas
Tabla 3-1 Composición de la madera. Fuente: Elaboración propia a partir de [5] ............................. 4
Tabla 3-2 Dimensiones y propiedades de paleta para pintura de álamo [20] .................................. 16
Tabla 3-3 Peso y distribución de paletas de pintura [20] .................................................................. 16
Tabla 3-4 Condiciones zonales de secado [20].................................................................................. 17
Tabla 3-5 Tiempo de residencia en las tres zonas de secado [20] .................................................... 18
Tabla 3-6 Condiciones zonales de secado [20].................................................................................. 19
Tabla 3-7 Disminución de peso por evaporación en zonas de secado [20] ...................................... 19
Tabla 3-8 Parámetros de placas de inyección de aire [20] ............................................................... 19
Tabla 5-1 Productos de álamo y hualle afectados por problemas de secado. [21] .......................... 25
Tabla 5-2 Densidad de álamo y huelle en estado verde y seco [21] ................................................. 26
Tabla 5-3 Contracción en el secado de la madera desde el estado verde hasta 5 [%] de humedad
[21] .................................................................................................................................................... 26
Tabla 5-4 Relación de aspecto de los productos estándar de TEMSA [21] ....................................... 29
Tabla 8-1 Ensayos en lecho rotatorio para distintos parámetros de secado [20] ............................ 33
Tabla 8-2 Ensayos estáticos 3 zonas. [20] ........................................................................................ 34
Tabla 8-3 Porcentaje de rechazo para distintos tiempos de residencia y temperatura de aire de
secado [20] ........................................................................................................................................ 36
Tabla 8-4 Porcentaje de rechazo por deformación para distintos tiempos de secado a 90 [°C] [20]
........................................................................................................................................................... 37
Tabla 8-5 Ensayos de retención de deformación [20] ...................................................................... 37
Tabla 8-6 Ensayo de secado con zona intermedia [20] ..................................................................... 37
Tabla 8-7 Ratificación de zonas de secado [20] ................................................................................ 37
1. Introducción
En el siguiente informe de avance de memoria, sobre el diseño de un secador convectivo zonal,
detallan los antecedentes principales, la metodología y los resultados preliminares de éste.
En la Compañía Chilena de Fósforos (CCF) se construyó un secado de microproductos de álamo, el
cual presenta ciertos problemas, como pérdidas de carga en los lechos y pérdida de materia prima
por sobre los rangos permitidos por la empresa. Es por esto que se quieren incorporar nuevas
configuraciones de equipos de manejo de aire y con esto mejorar la aireación y generar una
disminución de las pérdidas de carga en el lecho de secado.
Las pérdidas de carga en lechos de secado de microproductos es una problemática importante en
los secadores convectivos, por lo tanto es importante realizar esta memoria la cual busca la
disminución en las pérdidas de materia prima y en el gasto energético que tienen los secadores de
madera. Lo anteriormente mencionado, produce un déficit de eficiencia en la producción de la
empresa.
Existen dos empresas que están relacionadas con esta memoria, INNOVATEC es una empresa
consultora de ingeniería, la cual realizo todo el diseño y pruebas del secador, y también para la CCF
que es la que quiere incorporar los nuevos avances de esta memoria en sus secadores. Para
INNOVATEC, al ser una consultora de ingeniería, tiene interés en obtener nuevos conocimientos en
el área de pérdidas de carga en el tipo de secadores que se analizan en esta memoria. Por otro lado
para la CCF, la importancia de adquirir estos nuevos conocimientos es para mejorar la producción
actual.
Esta memoria se refiere a un conjunto de equipos que se tienen que seleccionar y requieren diseño
de ingeniería, para luego ser incorporados en un secador de microproductos de álamo. Los equipos
fueron diseñados por INNOVATEC para CCF en la construcción de un secador convectivo zonal.
1
2. Objetivos
2.1.
General
Efectuar el diseño detallado de un secador para paletas de álamo (dimensiones típicas 12”x1
¼”x1/8”), sobre la base de un equipo existente en la Compañía Chilena de Fósforos (CCF),
incorporando nuevas configuraciones de equipos de manejo de aire, mejoramiento de la aireación
y la optimización de la pérdida de carga en el lecho de secado.
2.2.
Específicos
2.2.1. Efectuar una investigación conceptual de los mecanismos de distorsión de las
paletas y considerarlos en el diseño mejorado del equipo.
2.2.2.Efectuar estudios experimentales de pérdida de carga en lechos/camas de paletas.
2.2.3. Efectuar un estudio de Mecánica de Fluidos Computacionales (CFD) de las
condiciones de aireación del lecho de secado.
2.2.4. Proponer configuraciones de alta eficiencia y desempeño para los ventiladores e
intercambiador convectivo ad hoc para el secador.
2
3. Antecedentes
A continuación se muestran los antecedentes que permiten tener conocimientos previos de la
madera y como está formada, la descripción del proceso de corte y proceso de la chapa de madera,
una breve descripción de los secadores de madera para luego mostrar la descripción del
funcionamiento de un secador convectivo zonal que se quiere mejorar
3.1.
Estructura de la madera.
3.1.1. Estructura del tronco [1] [2]
La madera es un material poroso que es producido en la médula y ramas de árboles y arbustos. El
tronco es la parte estructural del árbol, a continuación se describe la composición de éste.





Corteza: También es llamada peridermis, esta capa es formada por células muertas del
mismo árbol, su función es proteger a los tejidos interiores de los agentes invasores y
medioambientales.
Cambium: Es la capa que le sigue a la corteza y es la base constituyente del crecimiento en
espesor del árbol. Esta capa es formada por células de paredes delgadas que se transforman
por divisiones sucesivas en nuevas células, dando origen a dos capas, una interior o capa
xilema, y la capa exterior o capa de floema, que forma parte de la corteza.
Albura: Madera que se encuentra en la porción más externa del tronco o ramas de un árbol,
justo después de la corteza. Es considerada como la “madera viva” de un árbol, ya que su
función primordial es la conducción de agua de las raíces al follaje.
Duramen: Es la madera dura y consistente. Está formada por células fisiológicas inactivas y
se encuentra en el centro del árbol.
Médula: La parte central del tronco, está constituida por un tejido flojo y poroso. Es oscura
y no circula savia por ella. Esta parte es la que tiene un diámetro muy pequeño y suele
desecharse en los procesos de la elaboración de la madera.
En la Error! Reference source not found. se pueden ver las distintas secciones que componen al
tronco
Figura 3-1 Secciones del tronco [2]
3
3.1.2. Clasificación de la madera [3] [4]
Si se ve desde un punto de vista anatómico, existen dos tipos de madera:


Madera blanda: Es madera que se da en las coníferas. Este tipo de madera es fuente de
alrededor del 80% de la producción mundial de madera tomando en cuenta los centros
tradicionales de producción como la región del báltico, américa del norte y China. Dentro
de sus características este tipo de árboles tienen un crecimiento rápido y escasa densidad,
formando troncos rectos y largos que pueden ser cultivados.
Madera dura: Es madera que se da por las angiospermas. Son de crecimiento lento y tienen
una gran densidad. Son especies avanzadas en términos de evolución biológica. Se utilizan
principalmente para tareas de más exigencia que las maderas blandas, como son la
construcción de barriles, instrumentos musicales, botes, etc.
Una madera blanda no quiere decir que tiene una menor dureza que una madera dura. Se llama
madera blanda por la composición y del tipo de árbol de donde es la madera.
3.1.3. Composición de la madera [5] [6]
La madera como cualquier ser vivo está compuesta íntegramente por células que le proporcionan
las distintas propiedades fisicoquímicas. Posee 3 compuestos que tienen una naturaleza polimérica:
celulosa, hemicelulosa y legnina. También se encuentran bajos contenidos de algunos compuestos
inorgánicos como son ceras y polifenoles que aportan entre 5 a 10 [%] del peso de un árbol, esta
variación se debe a la especie, el periodo del año donde es cortado el árbol y también de las
condiciones de crecimiento.
En la Tabla 3-1 se puede ver la composición de maderas duras y maderas blandas.
Tabla 3-1 Composición de la madera. Fuente: Elaboración propia a partir de [5]
Contenido ( %peso)
Madera dura Madera blanda
Hemicelulosa
28-35
25-29
Celulosa
42-48
40-42
Lignina
16-25
23-33
Compuesto
3.1.4. Agua en la madera [7] [8]
Todas las partes de un árbol contienen agua, es fundamental en el proceso de fotosíntesis que
conduce a la formación de nuevas células de los árboles y en el crecimiento posterior. El agua casi
siempre llega a ser la mitad del peso total del árbol. El agua se presenta en tres formas:


Agua libre: Se encuentra en las cavidades celulares y da la condición de madera verde. La
cantidad de agua libre que puede contener una madera está limitada por su volumen de
poros. Al comenzar el proceso de secado, el agua libre se va perdiendo por evaporación.
Esto se produce muy rápido debido a que está retenida por fuerzas capilares muy débiles.
Agua de saturación: Agua que se encuentra en las paredes celulares. Durante el secado de
la madera, luego que se ha perdido el agua libre por evaporación y continua secándose con
la humedad relativa de la atmósfera.
4

Para la mayoría de las especies, el equilibrio higroscópico se encuentra entre el 12 y 18% de
contenido de humedad, dependiendo del lugar donde se realiza el secado. Es por ello que
la madera secada al aire libre solo puede alcanzar estos valores de humedad de equilibrio.
Para obtener contenidos de humedad menores, debe acudirse al secado artificial para
eliminar el resto del agua de saturación.
Agua de constitución: Es el agua que forma parte de la materia celular de la madera y que
no puede ser eliminada utilizando las técnicas normales de secado. La separación se realiza
con la destrucción parcial de la madera.
Para determinar el valor de contenido de humedad se toman los datos de agua libre y de saturación.
En la práctica, la madera se considera totalmente “seca” cuando al someterla a un procedimiento
de perdida de la humedad (secado) la madera tiene un peso constante.
El contenido de humedad (CH) es definido como el peso de la cantidad de agua presente en una
pieza de madera, en función del peso de una pieza en condición seca. Este valor se calcula con la
ecuación 3-1.
 =
Donde:



ℎ − 
∙ 100[%]

3-1
CH= Humedad de la madera expresada como un porcentaje de su peso anhidro.
Ph= Peso de la madera en estado húmedo o peso inicial.
Ps= Peso de la madera en estado anhidro, peso final o constante
3.1.5. Industria maderera y la producción de paletas [9] [10] [11] [9]
Industria maderera
La actividad maderera es una de las principales actividades económicas del país, representando una
totalidad del 4,12 [%] del PIB. Esta industria se ocupa del procesamiento de la madera, desde la
plantación hasta la hasta la transformación en diversos objetos, pasando por la extracción, corte,
almacenamiento, moldeo y tratamiento bioquímico. Dentro de los productos que se pueden
obtener son muebles, materiales de construcción, entre otros.
Dentro de la industria maderera, existe una encargada de fabricar micro-productos de madera, que
son trozos de pequeñas dimensiones, como palitos de helados, bajalenguas, paletas de pinturas y
palos de fósforos.
Para esta memoria es importante conocer la empresa TEMSA, que en Chile es una de las mayores
productoras de microproductos de madera. Dentro de los productos fabricados por la empresa se
tienen palitos de helados, molduras, paletas de pintura, entre otros. Esta empresa es la controladora
de la Compañía chilena de fósforos. En la Figura 3-2 se pueden ver las paletas de pintura fabricadas
por TEMSA.
5
Figura 3-2 Paletas de pintura [9]
Producción de paletas de pintura
La producción de paletas se realiza a través de un proceso de transformación que tiene una alta
especialización y está dado por la siguiente secuencia:









Tala y corte de trozas: Corresponde a la corta de los árboles, se le extraen parte de las ramas
y la corteza para que el árbol comience a secarse. Generalmente esto se realiza en invierno
u otoño.
Transporte a planta: La madera es transportada con la utilización de camiones a la planta
para su proceso.
Formateado de trozas: Proceso en el cual se cortan los troncos a una cierta medida para
comenzar el proceso dentro de la planta
Descortezado y macerado de trozas formateadas: se le extrae la corteza que podría tener
las trozas de madera, luego la madera es macerada, que es un proceso en el cual la madera
es puesta en agua a 95 [°C] por 15 minutos.
Debobinado de trozas maceradas: proceso en el cual la madera del tronco es desbobinada
formando largas tiras de madera o chapa de madera, este se realiza con un torno de grandes
dimensiones.
Picado de paletas: Se toma la chapa de madera y se realiza el picado de la madera mediante
el traquelado.
Secado y pulido de paletas: Proceso en el cual se disminuye la humedad de la madera y
luego se pule para eliminar restos que quedan en el picado, logrando un producto de
calidad.
Preselección y Selección automática de paletas: Proceso donde una máquina automática
se encarga de la selección de las paletas y desecha las que no cumplan los estándares que
tiene la empresa.
Reclasificado manual de paletas: Reproceso de selección de paletas, en ésta se excluyen
paletas que no cuentan con los estándares de la empresa y que la máquina automática no
desechó.
6

Bodegaje/despacho del producto terminado: se guarda el producto para su despacho hacia
el país o su exportación.
En la Figura 3-3 se puede ver el Flujograma de la producción de palitos de helados, que es muy
similar al proceso de fabricación de las paletas.
Figura 3-3 Flujograma de los procesos de producción de palitos de helado [9]
7
3.2.
Proceso de secado de la madera [12]
Esencialmente el secado de madera se realiza una disminución de contenido de humedad para su
posterior uso. Existen tres áreas principales para realizar el secado



Producción de madera procesada (Woodworking): Se utiliza principalmente como material
de construcción, como material de soporte estructural en un edificio o en los objetos
utilizados en la carpintería. El secado tiene que tener un equilibrio particular, ya que en el
caso que se produzca muy rápido o muy lento, o con temperaturas muy altas, esto podría
provocar daños en la madera.
Madera para astillas (Woodburning): Para realizar la quema de madera en recintos
residenciales o empresas es necesario disminuir la cantidad de humedad presente en la
madera, lo anterior se debe a que al tener un alto contenido de humedad la combustión se
hace ineficiente al emplear energía para evaporar el agua presente en la madera.
Producción de microproductos de madera: Son utilizados principalmente de utensilios
desechables para muchas aplicaciones en la vida diaria. Son productos de madera de
pequeñas dimensiones como los palos de helados y bajalenguas.
3.2.1. Mecanismos de movimiento del agua durante el secado [3] [13] [14]
El agua de la madera se mueve de las zonas de mayor a menor contenido de humedad, por lo tanto
el secado se inicia desde el exterior y se mueve hacia el centro. Posteriormente la madera alcanza
el equilibrio con el aire circundante en el contenido de humedad.
La humedad se va mover por varios tipos de conductos como son las cavidades celulares, radios
medulares, entre otros, con base en la naturaleza de la fuerza motriz (diferencias de presiones de
vapor, fuerzas capilares o gradiente de humedad). La velocidad de movimiento del agua puede darse
en 3 direcciones, donde la mayor velocidad va a ser en el sentido longitudinal, luego radial y la más
baja es la tangencial.



1
Fuerzas capilares: Ocasionan el movimiento del agua libre de una célula a otra a través de
las cavidades celulares, perforaciones y radios medulares. La acción capilar se va
desplazado al centro de la madera para desaparecer de manera progresiva cuando las
células al interior tienden a alcanzar el PSF.
Diferencias de presión: Cuando cesa la atracción capilar, la mayoría de los lúmenes solo
contienen aire y vapor de agua. La diferencia de presión entre dos puntos, es la responsable
de que la humedad de la madera, en estado de vapor, migre de las zonas interiores hacia
las zonas exteriores, que tienen una baja presión de vapor.
Diferencias de CH1: La humedad de la madera empieza a salir de los espacios intercelulares
de las paredes celulares, en la zonas cercanas a la superficie exterior de la pieza se crea un
gradiente de humedad, entre la superficie y la zona interior de la pieza, por lo tanto el agua
es desplazada de las células interiores, que están húmedas, hacia las de la superficie que se
encuentran secas.
CH= Contenido de humedad, definido en el punto 3.1.4
8
Parámetros que condicionan el secado de chapa de madera
Para poder entender el proceso de secado de la madera es importante mencionar los parámetros
que condicionan el proceso de secado [13].



Temperatura: Al ser el movimiento del agua dentro de la madera un fenómeno regido por
la difusión, implica que la temperatura es un factor importante en la velocidad con que se
genera dicho fenómeno. El aumento de temperatura permite transmitir energía cinética a
las moléculas de agua residentes en la madera en una proporción tal que facilita su
evaporación, la cual se ve directamente influenciada por la energía térmica que se le entrega
al sistema así como de la capacidad del aire, que circunda la troza, de poder absorber la
humedad liberada.
Humedad Relativa del aire de secado: La humedad relativa determina la capacidad de
secado del aire. El aire seco posee una gran capacidad de secado, conteniendo así una gran
cantidad de vapor de agua. La capacidad de secado es afectada por la temperatura, ya que
con el calentamiento del aire aumenta la capacidad de secado debido a que la elevación de
la temperatura causa un descenso en la humedad relativa, es decir, el aire necesita mayor
cantidad de vapor para saturarse.
Velocidad del aire: La circulación del aire es vital para poder transmitir la temperatura
dentro de las fibras de la madera y así realizar el proceso de evaporación, no obstante
también cumple un rol fundamental en la remoción de la humedad que es expulsada hacia
la superficie. Cuanto menor sea el espesor de la capa límite, mayor es la tasa de remoción
de humedad a través de la superficie de la madera. La forma del flujo de aire afecta
enormemente el secado, ya que una corriente turbulenta es mucho más eficaz que una
laminar, pues la turbulencia afecta de mejor forma la capa límite entre la madera y el aire.
Existen factores que influyen en el proceso de secado, estos son factores internos, que son propios
de la madera y no se pueden modificar y los factores externos, que son propios del proceso de
secado. A continuación se dan un breve resumen de estos factores externos e internos.
Factores de la madera que condicionan el secado
Existen diferentes factores que dependen de la madera y que condicionan el secado, estos son
mencionados a continuación:



Dirección considerada: La velocidad de circulación del agua es mayor en la dirección
longitudinal que en la transversal, incrementándose esta diferencia al aumentar la
permeabilidad de la madera.
Densidad: Con el aumento de densidad en la madera, se aumenta la cantidad y grosor de
membranas celulares que el agua debe atravesar.
Contenido de Humedad: Conforme avanza la interfase de secado a través de las fibras de
la madera, se producen etapas de distinta tasa de remoción de humedad, esto se debe a
que los gradientes van cambiando con el tiempo y cada vez se hace más lento y trabajoso
retirar una menor cantidad de agua remanente. Encontrar un programa de secado que
considere estas etapas y mantenga un equilibrio es una tarea que necesita ser tomada en
consideración.
9

Espesor: El espesor es fundamental ya que es distinto el comportamiento de secado en
trozas de madera delgada con respecto a madera gruesa, por lo que el problema se aborda
de manera diferente.
Tensiones producto del secado
Cuando se produce la extracción del agua dentro de la madera, desde el interior de las fibras hacia
el exterior, se van originando tensiones que provocan distintos defectos de secado. Estos pueden
ver en la Figura 3-4. Las capas más exteriores tienden a secarse más rápidamente que las interiores,
si las capas exteriores están por debajo el punto de saturación de la fibra, mientras el interior está
saturado, se producen tensiones interiores que pueden producir defectos como los vistos en la
Figura 3-4
Estos esfuerzos han sido constantemente estudiados para poder ser erradicados y de esta forma
mejorar la productividad del sector maderero. Uno de los efectos del secado de la madera es la
contracción de las fibras, pero si ésta se produce en forma desigual o muy rápidamente, da origen
a grietas, torsiones, alabeos tangenciales y longitudinales, etc.
Figura 3-4 Defectos típicos de secado [3]
Los fenómenos físicos que afectan el desarrollo de las tensiones de secado dependen de una
compleja interrelación entre el comportamiento térmico de la madera y de los mecanismos de
migración de la humedad. En efecto, la distribución de temperatura de la pieza en proceso de secado
depende de las propiedades termo físicas de la especie considerada, de la tasa de calentamiento y
de las condiciones geométricas del trozo.
Un buen proceso de secado evitando los defectos que podrían producirse, consiste en tener un
buen equilibrio entre la tasa de evaporación de humedad superficial y la velocidad de movimiento,
hacia fuera, de la humedad desde el interior de la madera.
3.2.2. Secadores de productos de madera [15] [16] [17]
A continuación se da una breve descripción de los secadores convencionales y más utilizados en el
mercado para maderas de pequeñas a medianas dimensiones.
10
Secado por aire (Air Drying)
El secado por aire se realiza mediante la exposición de la madera para que el aire produzca una
disminución de la humedad. Este tipo de secado se realiza principalmente en una pila de madera
aserrada, en un lugar limpio, seco, fresco y ojala con sombra. La tasa de secado va a depender
fundamentalmente de las condiciones climáticas, y del movimiento del aire. La pérdida de humedad
puede ser controlada con el recubrimiento de los tablones, con materiales impermeable a la
humedad.
Este método es uno de los menos costosos pero dependiendo del clima la madera puede demorar
de un par de meses hasta años para poder secarse, además de los costos asociados de
almacenamiento y a que ésta no es vendida.
Figura 3-5 Secado de madera por aire [15]
Secado por horno ( Kiln Drying)
Este tipo de secador se agrega calor al proceso mediante aire caliente. El aire se calienta con un
intercambiador de calor a vapor. En este proceso se tiene que tener un control de temperatura, de
la humedad relativa y la circulación del aire para dar las condiciones de las distintas etapas que
permiten lograr un buen secado de madera. Para esté propósito la madera se apila en cámaras,
equipadas con equipos para la manipulación y el control de la temperatura, de la humedad relativa
del aire de secado y su velocidad de circulación a través de la pila de madera.
A continuación se da una comparación del secado por horno y el secado por aire de la madera




La madera se puede secar a cualquier contenido de humedad en el secado por horno, en
cambio en el secado por aire es difícil alcanzar un contenido menor a 18 %.
En el secado por aire no existe un control sobre los elementos de secado.
Las temperaturas altas empleadas en el secado por horno matan los hongos e insectos que
pueden estar en la madera.
Si el secado al aire se produce de forma inadecuada, la velocidad de secado puede ser muy
rápida produciendo grietas y defectos en la madera.
Las ventajas señaladas anteriormente también agregan un mejor rendimiento y un mejor control de
la humedad final del producto. Cuando se necesitan operaciones de secado a gran escala el secado
con horno es más eficiente que el secado con aire.
11
Secador al vacío
Este tipo de secador que la madera quede al vacío y esto provoca el aprovechamiento te dos
principios físicos naturales: La reducción de presión permite que el agua presente en la madera
evapore a bajas temperaturas, por otro lado, y que el vapor de agua se mueva de las zonas calientes
hacia las más frías. El primero de estos permite una rápida evaporación del agua a partir del centro
de la masa leñosa, haciendo que las necesidades energéticas sean bajas, y el segundo permite
controlar y regular, la cantidad de humedad que es retirada de la madera. Estas dos ventajas
permiten retirar la humedad de una manera uniforme, rendimiento el estrés que tiene la madera.
La desventaja de este sistema es que las inversiones son muy grandes y solo puede llevarse a cabo
para las maderas que tienen un alto precio.
Secado solar
Este proceso es una combinación del secado en horno y el secado al aire. El funcionamiento es
sencillo, el aire es calentado por colectores puestos en el techo del horno para luego moverlo con
ventiladores través de la madera, lo que permite absorber la humedad de la superficie de la madera.
En el caso que el aire alcance la saturación de humedad se abren unas escotillas de ventilación,
haciendo un intercambio de aire con el exterior. En la Figura 3-6 se puede ver un secador dólar.
Figura 3-6 Secador solar de madera [17]
3.2.3. Secadores de micro-productos de madera [18] [19] [20] [21]
A continuación se describen los secadores de micro-productos de madera, se describen el secador
continuo, de lecho fluidizado, de chapa debobinada y el horno multietapas.
Secado continuo
Este tipo de secado se realiza por secadores con forma de túnel, en una banda transportada se va
moviendo la madera dentro del túnel. Esta misma tecnología es utilizada en los secadores rotatorios
donde la madera entre a cilindros de acero a los cuales se hace ingresar aire caliente y a medida que
van girando van quitando la humedad del producto.
12
Los sólidos se colocan sobre el transportador que se mueve continuamente por el túnel, donde
también circulan gases calientes (generalmente aire). El flujo de aire puede ser a contracorriente,
corriente directa o una combinación de ambas. En la Figura 3-7 se puede ver un secador de madera
continuo.
Figura 3-7 Secador de madera continuo [18]
Secado en lecho fluidizado
En este tipo de secadores los productos flotan en el lecho por la acción de una corriente de gas de
fluidización caliente, la que hace que los productos van perdiendo humedad y por lo tanto van
secándose. Al ser un lecho fluidizado los productos tienen un alto contacto con el aire caliente por
lo tanto el secado es altamente eficiente.
Este tipo de secado se utiliza generalmente en polvos, gránulos aglomerados y pastillas con un
tamaño de partícula de promedio entre 50 a 500 micras. Es muy probable que los polvos muy finos
y ligeros o las partículas altamente elongadas requieran vibración para lograr con éxito el secado en
lechos fluidizados.
El secado en lecho fluidizado ofrece ventajas importantes sobre los demás métodos de secado. En
efecto, este sistema permite una gran facilidad en el transporte de los materiales, altas velocidades
de intercambio de calor con una gran eficiencia térmica y evita el sobrecalentamiento de las
partículas.
Las propiedades de los productos se determinan basándose en la información derivada de su
velocidad de secado, por ejemplo, la forma en que el contenido de partículas volátiles cambia con
el tiempo en un lote en lecho fluidizado, que opera en condiciones controladas.
Otras propiedades importantes son la velocidad del gas de fluidización, el punto de fluidización (es
decir, el contenido de partículas volátiles bajo el cual se logra la fluidización sin agitación mecánica
o vibración), el contenido de partículas volátiles en equilibrio y el coeficiente de transferencia de
calor para las superficies de calentamiento inmersas. Estos y otros datos se alimentan a un modelo
o software de proceso que alimenta y controla el proceso en lechos fluidizados, permitiendo de esta
forma dimensionar los sistemas de secado industriales.En la Figura 3-8 se puede ver un secador de
lecho fluidizado. [21]
13
Figura 3-8 Secadora de Lecho Fluidizado [19]
Secado de chapa debobinada
La madera debobinada, empleada en la fabricación de palos o utensilios de pequeño formato o
micro productos, exhibe un comportamiento de secado similar al que presenta la chapa
debobinada. No obstante, no existen publicaciones que demuestren esta aseveración de manera
fehaciente, con el agregado que se deben considerar las restricciones impuestas por el tamaño y el
peso del trozo.
La chapa debobinada posee un comportamiento de secado distinto al de una troza gruesa de
madera, por lo que la tecnología de secado es bastante especial. Con el objeto de poder obtener
productos de buena calidad, este sistema de secado se debe controlar adecuadamente para
minimizar los defectos y la pérdida de valor.
El método más utilizado en el secado de chapa debobinada es el que emplea un secador continuo.
Típicamente consiste en una malla transportadora que mueve la chapa a través del túnel de secado
donde por acción convectiva del aire de secado se realiza el proceso de evaporación del agua
contenida. Generalmente, estas instalaciones de secado son complejas y de alto costo de inversión.
Secado por horno zonal convectivo u horno multietapas
Secador zonal convectivo es un tipo de secador continuo que tiene la particularidad que va secando
en una serie de etapas o unidades multi-zona, esto es ideal para productos que poseen un alto
contenido de humedad y que son de formato pequeño. Por dentro del secador pasan bandas
transportadoras que permiten orientar el producto, esto permite beneficiar el producto en el ciclo
de secado.
3.2.4. Flujo por un medio poroso [22] [23]
Dentro de esta memoria se necesita un fundamento teórico de las caídas de presión en los lechos
de paletas de madera, es por esto que a continuación se describen las ecuaciones que gobiernan las
pérdidas por fricción en un lecho fijo.
14
En un lecho con partículas con flujo ascendente, la circulación de un gas o un líquido a baja velocidad
no produce movimiento de las partículas. El fluido circula por los huecos del lecho perdiendo
presión. La caída de presión viene dada por la ecuación de Ergun.
Flujo a través de lechos porosos
El comportamiento que se tiene en un lecho fijo está caracterizado por las siguientes magnitudes:



Porosidad del lecho o fracción de huecos, ε: Es la relación que existe entre el volumen de
los huevos del lecho y el volumen total (huecos + sólido).
Esfericidad de la partícula, φ: Es la medida para caracterizar partículas no esféricas e
irregulares. Está dada por la ecuación 3-2.
Tamaño de la partícula: Si la partícula es esférica se emplea su diámetro. Para partículas no
esféricas, el tamaño viene expresado por la ecuación
   
=(
)
     
3-2
 = 
3-3
Donde desf es el diámetro equivalente de esfera (diámetro de la esfera que tiene el mismo volumen
que la partícula).
Pérdida de presión en lechos porosos
La resistencia al flujo de un fluido a través de los huevos de un lecho de sólidos es la resultante del
rozamiento total de todas las partículas del lecho. El rozamiento total por unidad de área es igual a
la suma de dos tipos de fuerzas: fuerzas de rozamiento viscoso y ii) fuerzas de inercia. Para
explicar estos fenómenos se hacen varias suposiciones: a) las partículas están dispuestas al azar,
sin orientaciones preferentes, b) todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma y c) los
efectos de pared son despreciables.
Para calcular la pérdida fraccional para flujo en lechos porosos se puede calcular con la ecuación de
Ergun, está dada la ecuación 3-4. La primera parte de esta ecuación corresponde a las pérdidas
viscosas y la segunda corresponde a las pérdidas turbulentas.
∑ =
150 (1 − )2
1,75  (1 − ) 2 
 +
 [ ]
2
3


3


Donde:






L= Longitud de la cama
Dp= Diámetro equivalente
=densidad del fluido
= viscosidad dinámica del fluido
vs= velocidad superficial del fluido
=porosidad de la cama o fracción de vacío
Luego la pérdida de presión correspondiente seria dada por la ecuación 3-5
15
3-4
150 (1 − )2
1,75   (1 − ) 2

ΔP =  ∑  =

+

[
]


3

3
2
 2
3.3.
3-5
Secador zonal convectivo [20] [21] [24]
En los secadores para CCF se emplea un sistema que consiste en 3 etapas, cuenta con una serie de
cortinas, separaciones y sellos que permiten crear zonas, estas permiten que el flujo de aire, la
temperatura y la humedad sean independientes en cada uno de los niveles, esto permite cambiar
los parámetros para cambiar los procesos.
A continuación se describirá el producto a secar con sus principales características, para luego
describir el diseño de un secador prototipo de paletas de 12 pulgadas.
3.3.1. Producto a secar
Para el caso específico secador de paletas, se utiliza para el secado de las Paletas de 12’’ de pintura
(ver Figura 3-1). Las paletas son elaboradas a partir de álamo, las cuales poseen las dimensiones y
propiedades mostradas en la Tabla 3-2, en la Tabla 3-3 se puede ver el peso y distribución de las
paletas de pintura.
Figura 3-1 Paleta para pintura de 12” [20]
Tabla 3-2 Dimensiones y propiedades de paleta para pintura de álamo [20]
Paleta pintura 12”
Largo
Ancho
Espesor
Peso seco
Densidad aparente (*)
Valor
0,306
0,029
0,003
0,011
124
Unidad
M
M
M
Kg
kg/m³
(*): Densidad aparente en lecho de secado.
Tabla 3-3 Peso y distribución de paletas de pintura [20]
Peso base húmeda Distribución Promedio
[gr/unidad]
[%]
[gr/unidad]
Albura
18,9
65
Macerada
21,56
Duramen
26,5
35
Albura
23,5
65
Sin Macerar
25,18
Duramen
28,3
35
Proceso
Madera
16
3.3.2. Diseño conceptual
El secador está compuesto por 3 cámaras de secado independientes entre ellas, cada una de éstas
tiene una temperatura y humedad de aire de secado específica, una tasa de aireación y tiempo de
residencia. Los parámetros de operación del secador están dados en la Tabla 3-4.
El secador posee tres zonas independientes que estas configuradas en forma vertical, donde cada
uno de los lechos o sectores tiene que ser hermético. El flujo de aire caliente proveniente de los
ventiladores incide sobre las camas de paletas por las bandejas de conducción que están instaladas
por debajo de la malla de transporte. En la Figura 3-9 se puede ver un esquema del secador
convectivo y en la Figura 3-10 se puede ver un corte para ver la entrada de flujo de aire.
Tabla 3-4 Condiciones zonales de secado [20]
Zona
Temperatura aire secado Tiempo de residencia Velocidad aire incidente
[°C]
[min]
[m/s]
Zona 1
90
12
4,5
Zona 2
45
30
4,5
Zona 3
90
25
4,5
El aire es suministrado por ventiladores centrífugos, dos unidades por cada zona que están
instalados en la parte superior del secador, cada uno de los ventiladores posee un circuito de
calefacción y ventilación con intercambiadores vapor-aire y dampers que permiten establecer la
humedad de secado.
Las principales dimensiones del secador son [21]:

Largo total, incluyendo tolva de carga: 12 m.

Ancho, incluyendo ductos de aireación: 2,5 m.

Altura, incluyendo sistemas de aireación 3,5 m.
Figura 3-9 Esquema del secador convectivo [20]
17
Figura 3-10 Esquema entrada de aire secador convectivo [24]
3.3.3. Condiciones de operación
3.3.3.1.
Tiempos de residencia
El tiempo de residencia de cada una de las zonas es determinado por el porcentaje de agua que se
tiene que remover. El porcentaje de agua va a estar definido por ensayos realizados en la estufa de
secado convectivo. [20]
El tiempo de residencia es mostrado en Tabla 3-5. En la zona 1 se puede observar como una pequeña
variación en el tiempo de 2 minutos (20% de tiempo) es el máximo permitido, esto se debe a que si
se aumenta el tiempo de residencia aumenta el porcentaje de rechazo de las paletas de pintura.
Tabla 3-5 Tiempo de residencia en las tres zonas de secado [20]
Zona
Tiempo de residencia Min Tiempo de residencia Max
[min]
[min]
Zona 1
10
12
Zona 2
35
45
Zona 3
25
45
3.3.3.2.
Condiciones de secado
Las condiciones de secado para cada una de las zonas, incluyendo la temperatura, tiempo de
residencia y la velocidad de aire incidente se muestran a continuación en la Tabla 3-6.
18
Tabla 3-6 Condiciones zonales de secado [20]
Zona
Temperatura de aire secado Tiempo de residencia Min Velocidad aire incidente
[°C]
[min]
[m/s]
Zona 1
90
10
4
Zona 2
45
35
4
Zona 3
90
25
4
Otro de los parámetros relevantes dentro del secador es la disminución de peso por la evaporación
que se produce en las distintas zonas de secado, esto se puede ver en la Tabla 3-7, en esta se puede
ver como en la primera zona existe una baja pérdida porcentual de agua y como en la tercera zona
existe una pérdida mayor.
Tabla 3-7 Disminución de peso por evaporación en zonas de secado [20]
Caudal Base Húmeda Base seca Δ Peso
Pérdida
Tasa Evaporación
Másico
[kg/h]
[kg/h]
[kg/h] Porcentual
[kg/s]
Zona 1
515
412
103
20
0,0286
Zona 2
412
309
103
40
0,0286
Zona 3
309
283
25
45
0,0072
Para que exista una separación de las distintas zonas, el aire es conducido e inyectado bajo el lecho
de paletas por una placa de inyección, las principales parámetros de las placas se observan en la
Tabla 3-8.
Tabla 3-8 Parámetros de placas de inyección de aire [20]
Parámetro
Velocidad Aire Incidente
Ventiladores Por Zona
Placas de Inyección Zona
Ancho de Placa
Porcentaje de Utilización Placa
Porcentaje de Utilización Labio
Ancho Separador
Ancho Boquillas
Numero de Boquillas
Caudal de Aire Total
3.3.3.3.
Valor Unidad
4 [m/s]
2 [c/u]
5 [c/u]
900 [mm]
0,8
[%]
0,1
[%]
30 [mm]
3,7 [mm]
22 [c/u]
9.824 [m3/h]
Resumen de los ensayos para la caracterización de curvas de secado [20]
A continuación se observan los objetivos y las principales conclusiones de los ensayos realizados por
INNOVATEC para determinar los tiempos de residencia de las paletas para minimizar el rechazo por
deformación de las paletas de pintura. En la sección de ANEXOS (sección 8.1, página 33) se pueden
ver todos los resultados de los ensayos realizados.
Objetivos de los ensayos
Los objetivos planteados para los ensayos fueron los siguientes:
19









Determinar el porcentaje de paletas para pinturas rechazadas en secado estático y rotatorio
bajo distintas condiciones de secado.
Determinar las curva de secado de una muestra aleatoria de albura y duramen a
temperaturas límite superior de 80, 85 y 90°C.
Determinar las curvas de secado de una muestra aleatoria de albura y duramen a
temperaturas límite inferior de 40, 45 y 50 °C.
Determinar la curva de secado, tal que minimice las deformaciones termomecánicas.
Determinar el tiempo de inicio del proceso de deformación con temperatura de aire de
secado constante de 90, 85, 80 °C.
Determinar el tiempo de término del proceso de deformación por tensiones térmicas a
temperatura constante de 40, 45 y 50 °C.
Determinar los tiempos de residencia tal que minimice el rechazo por deformación.
Establecer la variabilidad de secado entre distintas paletas, bajo idénticas condiciones de
secado, en muestras al azar de paletas de albura y duramen.
Determinación de humedad de aire de secado que minimice las deformaciones a
temperatura constante.
Conclusiones de los ensayos
Las principales conclusiones a partir de los ensayos se exponen en los siguientes puntos.







En función de los resultados de los ensayos realizados, se aprecia que el menor porcentaje
de rechazo por deformación se obtiene la utilizar un secado estático simulando tres zonas
de secado. Además, se aprecia que las desviaciones en los parámetros, ya sea el tiempo de
residencia en zona 1 o la temperatura de aire de secado en zona 2, producen un aumento
significativo en el porcentaje de rechazo.
Los tiempos de secado para el Duramen difieren considerablemente de los tiempos de
secado de la Albura.
Cabe destacar que la condición de dos tipos de madera (condiciones distintas de secado)
albura y duramen en un mismo proceso de secado se dificulta aún más cuando la relación
porcentual entre ambas (cantidad de paletas de albura en relación al número de paletas de
duramen) no es constante; la cual es dependiente de la antigüedad del bosque del cual
provienen los rollizos para debobinar.
El porcentaje de rechazo por deformación esta íntegramente afectado por los tiempos y
temperaturas de operación en las distintas zonas, en particular el tiempo de residencia de
la zona 1.
Una zona intermedia entre zona 1 y zona 2 que propicie una baja tasa de evaporación,
disminuye el porcentaje de rechazo por deformación.
Las condiciones de secado zonal se aplican sin distinción para el duramen y albura, a pesar
que los tiempos de residencia difieren considerablemente. Sin embrago las temperaturas y
tiempos de residencia se puede aplicar sin diferenciación en las distintas zonas.
De los ensayos se observa que una vez iniciado en forma incipiente el proceso de
deformación este se acentúa (aumenta el porcentaje de paletas deformadas) en el secado
de la zona 3.
20

La utilización de aire de secado en condiciones ambientales (baja temperatura y alta
humedad) permite la homogenización de la madera disminuyendo las tensiones
termomecánicas ante de iniciar el secado en zona 2.
21
4. Metodología
A continuación se describen la metodología a seguir para cumplir con los objetivos específicos de la
memoria.
4.1.
Investigación conceptual de los mecanismos de distorsión de las
paletas y considerarlos en el diseño mejorado del equipo.
Para realizar esto se toma como referencia los datos recopilados en antecedentes y la investigación
realizada por INNOVATEC, de esta forma encontrar una relación entre las propiedades mecánicas
de la madera y la cantidad de defectos que se pueden producir durante el proceso de secado de
esta.
En la investigación de INNOVATEC se analizan las propiedades del secado de microproductos de
álamo y hualle, y la relación que existe de las propiedades mecánicas de estas maderas con la
formación de defectos [21].
Finalmente con los datos recopilados en antecedentes y la investigación, se busca explorar los
mecanismos que provocan la distorsión en las paletas y usar estos resultados para incorporarlos en
el diseño mejorado del equipo.
4.2.
Estudios experimentales de pérdida de carga en lechos/camas
de paletas.
Los ensayos realizados, se enfocan en saber cuál es la pérdida de carga que existe en los lechos o
cama de paletas que se van a secar. La metodología que se utiliza para la realización de los ensayos
se describe a continuación.
Los parámetros que se controlan y miden son los siguientes






Temperatura y humedad ambiental
Caudal aire de proceso
Velocidad de aire en la superficie de la cama de paleta
Presión de entrada
Presión de salida
Presión en cama de secado
El equipo donde se realizaran los ensayos es un equipo experimental, el cual consiste en un túnel
de aire vertical, sin recirculación, el que está compuesto de las siguientes secciones principales:




Ingreso de aire: Zona inicial de admisión de aire.
Cámara de prueba: Espacio donde se ponen las muestras de producto a ensayar, cuenta
con un depósito y malla en su fondo, lo que permite simular las condiciones de secado de
los equipos existentes.
Damper: Limitador de flujo de aire, permite establecer las condiciones de aireación
requeridas dentro de la cámara de pruebas.
Salida de aire: El flujo de aire es inducido por un ventilador centrífugo instalado en el
extremo final del circuito de aire.
22
A continuación se presenta los puntos de control y su ubicación relativa del equipo experimental,
estos son:





Punto A: Temperatura y humedad ambiental.
Punto B: Temperatura aire de secado y presión de entrada
Punto C: Velocidad de aire y presión en la superficie de la cama de paletas en lecho estático.
Punto D: Temperatura aire y presión de salida.
Punto D: Caudal aire de proceso.
Figura 4-1 Equipo experimental para la pérdida de presión
Procedimiento general de ensayo
En líneas generales, el procedimiento utilizado para la realización de los ensayos se describe en los
siguientes puntos:




Se fija una altura de paletas de pinturas
Se fija la velocidad de entrada al secador
Se toma la presión de entrada y a la salida del equipo
Se realiza nuevamente el ensayo y se varía la velocidad del equipo.
4.3.
Estudio CFD de la aireación del lecho de secado
El objetivo principal del CFD es buscar la mejor configuración de aireación del lecho de secado para
paletas de 12”. Para la realización de este tipo de se van a utilizar los siguientes recursos



Programa Ansys 14.5
Programa AutoCad 2014
Plano de diseño de secador experimental.
Los objetivos específicos de este estudio CFD son los siguientes
23



Dibujo CAD de las cámaras de secado.
Variar los espesores de lechos de secado y verificar la pérdida de carga.
Determinar la configuración óptima para que la pérdida de carga sea la menor posible
cuando el aire entre a la cámara de secado.
Para comenzar el diseño CAD se necesita crear una sección de la cámara de secado con las mismas
dimensiones de alto y ancho, pero reduciendo el largo. Las dimensiones que se ocuparan serán:



Ancho : 2,5 [m]
Alto: 0,8 [m]
Largo: 2 [m]
A continuación se describen los pasos que se siguen para la realización del estudio de CFD de la
aireación del lecho de secado.
1.
2.
3.
4.
5.
Tomar una velocidad de entrada de 2 [m/s] y una presión de salida.
Realizar CFD de la cámara de secado sin plancha de aireación.
Incorporar plancha de aireación y realizar CFD.
Realización de CFD con material poroso simulando la cama de paletas.
Variar la altura del material poroso en los rangos de 5 centímetros hasta llegar a los 40
centímetros, sumando 5 centímetros en cada realización.
6. Cambiar la velocidad de entrada a 4 [m/s]
7. Realizar del punto 2 hasta el 5, y tomar los datos.
8. Cambiar el ángulo de los direccionadores de flujo entre los ángulos entre 90° a 180° y
realizar los puntos 2 al 5.
Los datos adquiridos se analizan para determinar la configuración que mejore las condiciones de
aireación en el secado de madera.
4.4.
Configuración de alta eficiencia y desempeño para los
ventiladores e intercambiador convectivo ad hoc para el secador.
Con la información recogida del CFD de la aireación del lecho de secado, los experimentos de
pérdida de carga que tienen los lechos de secado y en conjunto con los mecanismos de distorsión
de las paletas, se buscan los equipos (ventiladores e intercambiadores de calor) o cambio en el
diseño que permiten tener una configuración óptima del lecho de secado (baja pérdida de carga),
minimizando los problemas de defectos en la madera.
24
5. Resultados
A continuación se dan los principales resultados dados los objetivos específicos de esta memoria.
5.1.
Investigación conceptual de mecanismos de distorsión de las
paletas [21] [25]
TEMSA es uno de los especialistas de la manufactura de microproductos de chapa debobinada de
álamo y roble hualle. Para la producción de los microproductos se necesita una etapa de secado, en
esta es donde se producen los defectos de secado y es una problemática que tiene muy importante
en la empresa y muy importante tratar de resolverla. Los defectos afectan la producción debido a
que es materia prima que es perdida.
Dentro de los principales problemas de los defectos es el colapso celular, este no es un defecto
ocasionado por las contracciones propias del secado que está por debajo del punto de saturación
de las fibras. Ocurre durante la evacuación del agua libre y es debido a la reducción o deformación
de la cavidad células. Las altas temperaturas que son sometidas las paletas y rápido secado
superficial que es producido por el aire de secado es lo que produce este defecto.
Desde un punto de vista celular la poca impermeabilidad de las células y la falta de entrada de aire
para reemplazar el agua que sale de las cavidades por fuerzas capilares, se forman tensiones
capilares de varias atmosferas que exceden la resistencia de compresión y aplastan las paredes [26].
Los principales defectos que se producen son los alabeos tangenciales y longitudinales, esta
condición es definida como una distorsión de la forma original que tiene la madera cuando se seca
y está relacionada con la forma de desbobinado de la madera. Esto se debe a que la madera presenta
anisotropía en todas las direcciones, por ejemplo presenta el doble de contracción en la dirección
tangencial (tangente a los anillos) que en la dirección radial, esto mismo hace que se generen
esfuerzos muy grandes y produzcan torsiones y alabeos de la madera.
A continuación se muestra un análisis de los principales microproductos fabricados en la empresa,
en la Tabla 5-1 se pueden apreciar los microproductos afectados por los problemas de secado y sus
principales dimensiones.
Tabla 5-1 Productos de álamo y hualle afectados por problemas de secado. [21]
Productos Estándar
Palitos helados
(normales)
Palitos helados 93 mm.
Palitos corbatas
Cucharitas
Bajalenguas
Chopsticks
Paleta pintura 12``
Paleta pintura 14``
Espesor
(e)
[mm]
Ancho
(B)
[mm]
2
10
114
53
5
2
2
2
2
5
3
3
10
17
18
20
14
22
29
93
93
77
148
205
305
356
43
47
45
87
46
95
111
5
9
11
12
3
7
9
25
Largo Relación de Relación de
(L)
Aspecto
aspecto
[mm]
[L/e]
[B/e]
La madera de hualle es utilizada solo en un tipo de palito, que es el palito de corbata, el cual es
utilizado por la marca Mágnum. La producción de este tipo de palo llega a ser cerca del 8 [%] de la
producción total en comparación con los palitos de álamo. [21]
La madera de hualle presenta menos defectos que la madera de álamo, esto se demuestra porque
la primera tiene mucho mejores propiedades mecánicas. Tomando en cuenta la estadística de la
empresa se tiene que los productos de hualle tienen cerca de un 80 [%] de aceptación sin defectos
en cambios los productos de álamo tienen un mayor rechazo, llegado a un 60 [%] los productos que
no tienen defectos. Esta gran diferencia de los productos sin deformación durante el secado se
puede atribuir a la diferencia que tiene en densidad la madera de álamo que es cerca de un 50 [%]
menor que la de hualle.
Para el estudio de la fenomenología de los problemas de secado de microproductos se tiene que
analizar las distintas propiedades físico-mecánicas, para lo anterior se tomó en cuenta las
propiedades de la densidad y contracción de la madera de álamo y hualle dadas en la Tabla 5-2 y la
Tabla 5-3.
De la Tabla 5-2 se puede ver como la densidad aparente en estado verde y en estado seco de la
madera de hualle es de 1.042 y 778 [kg/m3], es mucho mayor que la madera de álamo que tiene una
densidad aparente 758 [kg/m3] en estado seco y una densidad en estado seco 433 kg/m3.
De la Tabla 5-3 se puede desprender que la contracción de estado verde a estado seco de es muy
parecida y llega a ser cerca, aunque para la madera de hualle es un poco mayor, como la contracción
volumétrica de la madera hualle es de 12,9 [%] y la contracción volumétrica de álamo es de 11,4[%].
Tabla 5-2 Densidad de álamo y huelle en estado verde y seco2 [21]
Densidad
Especie
Estado verde
Estado seco
Aparente Anhidra Aparente Anhidra
Álamo
758
360
433
374
Hualle
1.042
613
778
654
Tabla 5-3 Contracción en el secado de la madera desde el estado verde hasta 5 [%] de humedad [21]
Especie
Álamo
Hualle
Contracción
Tangencial [%] Radial [%] Volumétrica [%]
8,0
3,4
11,4
8,3
4,6
12,9
De la Figura 5-1 es una representación gráfica de las Tabla 5-2 y Tabla 5-3, se puede ver como la
contracción es mucho mayor en las madera de hualle. La contracción tangencial es mayor un 3,6[%],
la radial es de un 26,09 [%] y la volumétrica de es un 11,6 [%], con estos datos los productos de
hualle deberían tener más defectos, pero esta madera tiene mejores propiedades mecánicas esto
permite que a pesar de tener mayores contracciones presente menos problemas producto del
secado. Las propiedades mecánicas de la madera de hualle se puede ver en la Figura 5-2.
2
Contenido de humedad dada por la ecuación 3-1.
26
Contracción de secado álamo v/s hualle
14
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Contracción [%]
Densidad [Kg/m3]
Densidad aparente 12 [%] de
humedad
12
10
8
6
4
2
0
Tangencial
Álamo
Radial
Álamo
Hualle
Volumétrica
Hualle
Figura 5-1 Comparación de la densidad aparente y contracción de secado de las especies álamo y hualle (De las Tabla
5-2 y Tabla 5-3)
La Figura 5-2 se puede ver como existe una relación directa de la densidad con las propiedades
mecánicas, también se observa como las propiedades mecánicas del hualle son mucho mayor que
las del álamo. Si comparamos el estado más denso de ambas especies se tiene que el hualle tiene el
doble de densidad que el álamo, una resistencia cercana a 150 [%] superior y una rigidez 80 [%]. Por
lo anteriormente dicho se puede decir que lo productos de hualle pueden tener una menor tasa de
defecto de secado principalmente a la capacidad de soportar las tensiones provocadas por el secado
tomando su resistencia y su rigidez.
Propiedades mecánicas en flexión
[Álamo]
Propiedades mecánicas en flexión
[Hualle]
1000
1400
1200
[Kg/cm2]
[Kg/cm2]
800
600
400
1000
800
600
400
200
200
0
270
290
310
330
0
350
470
520
Densidad [kg/m3]
570
Densidad
620
Módulo elástico /100
Módulo elástico /100
Tensión limite
Tensión limite
Módulo de rotura
670
[kg/m3]
Módulo de rotura
Figura 5-2 Comparación propiedades mecánicas de álamo y huelle como función de la densidad anhidra. [21] 3
3
Esfuerzo elástico es divido en 100 para poder estar en el rango del gráfico.
27
De la Figura 5-2 el álamo presenta una anomalía importante cuando la densidad llega a los
320[Kg/m3] disminuyendo sus propiedades mecánicas abruptamente, también se puede ver que a
medida que aumentan la densidad las propiedad van disminuyendo.
El otro caso que se ve en la Figura 5-2 es el comportamiento del hualle, este tiene una anomalía
cerca de 610 [Kg/m3], pero a diferencia del anterior caso, las propiedades mecánicas van creciendo
con el aumento de densidad.
Con lo anteriormente dicho se debe determinar un modelo que permita identificar las principales
variables que controlan el fenómeno de deformaciones de secado. Las principales ecuaciones que
van a gobernar van a provenir de las tensiones térmicas que se producen en el secado y del criterio
de inestabilidad elástica de elementos esbeltos.
Según la formula Euler tenemos que una columna esbelta alcanza un valor crítico de inestabilidad,
que va a estar dado por la siguiente ecuación 5-1
 =
Donde:



 2 
2
5-1
E= Módulo Elástico
I =Momento de inercia
L= largo de columna
Esfuerzo está definido como (ecuación 5-2)
=
Donde:




5-2
P= Carga
A=Área
Reemplazando la ecuación 5-1 en 5-2 y tomando I=Ar2 donde, A es el área transversal y r= radio de
giro, se tiene que el esfuerzo crítico de colapso elástico viene dado por la ecuación 5-3
 2
5-3

( )2

La inestabilidad elástica es producida cuando el esfuerzo [] es mayor o igual al esfuerzo crítico
[ ], donde se dedujo la ecuación de límite de colapso, que va a estar dada por la ecuación 5-4
 =
 =
 =


 2 

→ = √


( )2 



= √


es un número de colapso térmico.
28
5-4
5-5
Según este modelo de colapso, el cola pso de las paletas va a estar controlado por las propiedades
elásticas y por la relación de aspecto del elemento. En la Figura 5-3 se aprecia la relación que existe
entre la densidad adimensional para los productos de álamo y hualle, y la relación NCT
Relación de aspecto crítica de colapso
Nct/β
55
y = -20.009x + 60.506
R² = 0.9376
50
45
40
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Densidad adimensional [%]
Figura 5-3 Relación NCT de la densidad de la madera de álamo y hualle [21]
Tabla 5-4 Relación de aspecto de los productos estándar de TEMSA [21]
Productos Estándar
L/rx
L/ry
Palitos helados (normales)
Palitos helados 93 mm.
Palitos corbatas
cucharitas
Bajalenguas
Chopsticks
Paleta pintura 12``
Paleta pintura 14``
38,7
31,6
19,0
14,8
25,6
52,6
48,0
43,1
183,7
149,8
161,1
156,9
301,6
157,8
330.0
348,9
Finalmente se puede decir que los parámetros controlantes de los defectos del secado van a ser las
propiedades mecánicas y la contracción volumétrica, por lo tanto los cambios en las propiedades
mecánicas, particularmente los cambios anómalos, van a favorecer las inestabilidades del producto
incrementando su tendencia al colapso. Lo anterior se puede ver en la madera de álamo que
presenta una importante anomalía en las propiedades al aumentar su densidad (Figura 5-2).
29
6. Conclusiones





Los defectos que se producen durante el secado de la madera son propios de las
propiedades de la madera, y va a depender del tipo de madera cual va a ser su reacción
durante el secado, por lo tanto una mayor o menor cantidad de defectos en el secado va a
depender en primer lugar en el tipo de madera y de sus propiedades mecánicas, y también
de los parámetros de secado que permitan desarrollar la menor cantidad de tensiones
durante el secado.
El secador al tener distintos tiempos de secado en cada una de las zonas, esto provocara
que se creen camas de distinta altura en el mismo secador, por esto último es importante
tratar de estudiarlas con la experimentación de las pérdidas de carga en el lecho de secado
y en CFD.
Se logró determinar la mayor parte de los antecedentes necesarios para la realización de
esta memoria.
Se determinó la metodología experimental para pérdidas de cargas en lechos.
Se determinó la metodología para el estudio CFD en los lechos de secado.
30
7. Referencias
[1] E. m. Forestal, 2015. [En línea]. Available: www.elmundoforestal.com/terminlogia/albura.html.
[Último acceso: 28 Abril 2015].
[2] B.
Naturales,
6
Marzo
2015.
[En
línea].
Available:
http://www.bosquesnaturales.es/actividad_que_madera.asp. [Último acceso: 6 Marzo 2015].
[3] TIMBER,
«timbersource,»
15
abril
2015.
[En
línea].
http://www.timbersource.co.uk/softwood/. [Último acceso: 15 abril 2015].
Available:
[4] U.
o.
t.
Extension,
«utextension,»
2015.
[En
línea].
Available:
https://utextension.tennessee.edu/publications/Documents/PB1692.pdf. [Último acceso: 20
abril 2015].
[5] F. P. Laboratory, Wood Handbook, Madison, Wisconsin, 1999, pp. 2-3.
[6] W. Nutsh, Tecnología de la madera y del mueble, Madrid: Editorial Reverté, 1996, p. 27.
[7] D. Bousquet, «Lumber Drying,» University of Vermont Extension, pp. 1-2, 2000.
[8] g. y. p. -. A. Ministerio de agricultura, «Ministerio de agricultura, ganaderia y pesca,» 2015. [En
línea].
Available:
http://64.76.123.202/new/00/forestacion/_archivos/_biblioteca/116%20%20X_%20Secado%20tradicional%20de%20euca
lipto%20Gottert.pdf. [Último acceso: 15 abril 2015].
[9] TEMSA, 2014. [En línea]. Available: www.temsa.cl. [Último acceso: 5 diciembre 2014].
[10 M. d. e. y. s. s. -. G. d. españa, 2015. [En línea]. Available:
] http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/EnciclopediaOIT/t
omo3/71.pdf. [Último acceso: 25 abril 2015].
[11 C. C. d. Fósforos, 2015. [En línea]. Available: http://www.fosforos.cl/empresa.htm. [Último
] acceso: 28 abril 2015].
[12 f. a. e. UK College of Agriculture, «UK College of Agriculture,» 2015. [En línea]. Available:
] http://www2.ca.uky.edu/agc/pubs/for/for55/for55.htm. [Último acceso: 25 abril 2015].
[13 J. R. Silva, «Secado convencional de madera juvenil y adulta de sequoia sempervirens, Memoria
] para optar al Título de Ingenierio de la Madera,» Universidad de Chile, Santiago, 2004.
[14 M. d. Industria, «Ministerio de Industria - Gobierno de Argentina,» 2015. [En línea]. Available:
] http://www.industria.gob.ar/wp-content/uploads/2013/11/Manual-Lenga.pdf.
[Último
acceso: 28 abril 2015].
31
[15 I.
WOODWEB,
«Wood
web,»
2015.
[En
línea].
Available:
] http://www.woodweb.com/knowledge_base/Stickering_Wood_in_the_Basement.html.
[Último acceso: 10 Abril 2015].
[16 ISVE, 15 abril 2015. [En línea]. Available: http://www.isve.com/es/el-vac%C3%ACo-el-secreto] de-la-calidad-del-secado-isve. [Último acceso: 15 abril 2015].
[17 N.
t.
Magazine,
«No
tech
Magazine,»
2015.
[En
línea].
Available:
] http://www.notechmagazine.com/2013/04/solar-wood-drying-kiln.html. [Último acceso: 15
abril 2015].
[18 Benecke,
«Benecke,»
20
Abril
2015.
[En
línea].
Available:
] http://www.benecke.com.br/equipamentos/equipamentosdetalhes.php?id=&prod_id=38&cat_id=17&lang=es. [Último acceso: 24 Abril 2015].
[19 Ventilex,
«Direct
Industry,»
2015.
[En
línea].
Available:
] http://www.directindustry.es/prod/imtech-drygenic/secadora-lecho-fluidizado-55192366111.html. [Último acceso: 25 Abril 2015].
[20 INNOVATEC, «Aumento de capacidad de secado en TEMSA/CCF - Diseño general de secado
] prototipo,» Santiago, 2014.
[21 INNOVATEC, «TEMSA Informe técnico, Proyecto Innova 205-4324,» INNOVATEC, Santiago,
] 2005.
[22 U. a. d. madrid, «Área de Ingeniería Química,» 2015. [En línea]. Available:
] https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Fluidizacion%202006-07.pdf.
[Último acceso: 24 abril 2015].
[23 Ö. Akgiray, «Water Science and Technology,» Water supply, vol. 1, nº 2, pp. 65-72, 2001.
]
[24 D. INNOVATEC, «Planos secador convectivo,» Santiago, 2014.
]
[25 R. B. y. K. Nisbett, «Diseño en ingeniería mecánica de Shigley,» Ciudad de México, McGraw-hill,
] 2008, pp. 173-176.
[26 P. K. W. A. C. Franz Friedric, «Principles of Wood Science and Technology: Solid wood,» Berlin,
] Springer-Verlag, 1968, pp. 85-95.
[27 G. P. E. S. d. C.V., «GEA NIRO,» 15 Abril 2015. [En línea]. Available: http://www.gea] niro.com.mx/lo-que-suministros/secadores/procesadores_de_lecho_fluidizado.htm. [Último
acceso: 15 Abril 2015 ].
32
8. ANEXOS
8.1.
Ensayos INNOVATEC [20]
Ensayos en lechos rotatorios y lecho estático
Se realizaron varios ensayos en lecho rotatorio y en lecho estático, en este último se trató de una
simulación de las tres zonas de secado, donde se establecen las condición de temperatura, velocidad
y tiempo de proceso, las tres sucesivas para una misma muestra de pintura.
Los resultados para el lecho rotatorio se pueden ver en la Tabla 8-1 y en la Tabla 8-2 los resultados
de lecho fijo.
Tabla 8-1 Ensayos en lecho rotatorio para distintos parámetros de secado [20]
Ensayo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Numero de Tiempo Temperatura Velocidad Rechazo
zonas
[min]
[°C]
[m/s]
[%]
1
45
75,5
3,9
47
1
30
71,8
3,86
30
1
60
32,7
4,7
8
1
45
88,6
3,1
18
40
62,8
3,2
2
36
20
40,9
3,2
30
30,1
4,5
2
12
50
39,0
4,6
20
61,9
4,9
3
20
42,1
4,7
18
15
37,9
4,7
15
46,1
6,4
3
15
63,3
5,9
18
15
32,9
8,2
20
39,1
3,2
3
20
58,9
3,2
16
20
79,4
3,7
33
Tabla 8-2 Ensayos estáticos 3 zonas. [20]
Ensayo
10
11
12
13
14
15
16
Tiempo Temperatura Velocidad Rechazo
[min]
[°C]
[m/s]
[%]
10
90,0
3,6
30
60,0
3,5
47
15
90,0
2,9
10
88,2
Falla de
25
39,1
19
instrumento
20
89,7
10
80,0
18
25
56,2
1,4
18
25
54,6
0,7
20
56,2
0,6
18
20
55,5
0,65
15
54,3
0,7
20
92,2
2,4
17
20
93,2
2,6
10
94,1
2,2
10
91,3
1,5
9
15
45,3
2,6
25
95,3
2,4
10
84,4
1,1
8
40
48,9
2,8
30
69,1
1,6
Ensayos de pérdida porcentual de peso
A continuación se presentan los ensayos de pérdida porcentual de peso, en estos ensayos se
observó una clara diferencia en el proceso de secado entre la albura y el duramen en términos de
residencia y temperatura.
Los ensayos realizados de pérdida porcentual de peso en función del tiempo transcurrido para
distintas temperatura de aire de secas para muestras de duramen y albura están en las Figura 8-1
y Figura 8-2.
34
Figura 8-1 Pérdida porcentual de peso v/s Tiempo de residencia para duramen, ensayado a distintas temperaturas de
aire de secado. [20]
Figura 8-2 Pérdida porcentual de peso v/s tiempo de residencia para albura, ensayado para distintas temperaturas de
aire de secado [20]
Curvas de secado
A continuación se muestran las curvas de secado de paletas de 12”, donde se realizó una proporción
aleatoria entre albura y duramen para los ensayos.
Para realizar los ensayos las bobinas de madera se maceran por 15 minutos a 95[°C], en la Figura
8-3 se pueden ver las curvas de secado obtenidas
En la Figura 8-4 está la variación del porcentaje de humedad, en este se puede notar la temperatura
de aire de secado a 90[°C], se puede observar como existe un quiebre cuando el tiempo llega a los
10 minutos, en cambio para las curvas de secado a 50 y 40 [°C] no tienen un cambio relevante de
las curvas y tienen una pendiente constante.
35
Figura 8-3 Gráfico de variación de porcentaje de humedad [20]
Figura 8-4 Razón de cambio temporal del porcentaje de humedad [20]
Determinación tiempo de secado Zona 1
Otro de los ensayos fue realizar una simulación de las distintas zonas del secador. En estos ensayos
se tomó la temperatura de aire seco, el tiempo y el porcentaje de rechazo de paletas. En la Tabla
8-3 se puede ver los ensayos a distintas temperaturas de aire seco y con variaciones de tiempo de
residencia.
Tabla 8-3 Porcentaje de rechazo para distintos tiempos de residencia y temperatura de aire de secado [20]
Tiempo [min] Aire seco [°C] Rechazo [%]
10
100
8,3
15
80
4,5
12
70
1
La temperatura de secado se fijó a 90 [°C], con una velocidad de aire de secado de 4 [m/s]. En la
Tabla 8-4, se puede ver el porcentaje de rechazo por deformación para los distintos tiempos de
secado.
36
Tabla 8-4 Porcentaje de rechazo por deformación para distintos tiempos de secado a 90 [°C] [20]
Tiempo [min] Aire seco [°C] Pérdida de peso [%] Rechazo [%]
10
91
11,7
1,5
10
90
21,9
0
12
90
20,4
1
15
90
25,9
11,57
20
90
32,4
19,1
A partir de lo anterior el tiempo mínimo y el máximo para la primera zona es de 10 y 12 minutos,
para que tenga la menor cantidad de rechazo.
Determinación tiempo de Secado Zona 2 y Zona 3
Para determinar el tiempo de residencia en las zonas 2, se debía considerar que en la zona 1 el
tiempo de residencia esta entre los 12 y 10 minutos y una temperatura de aire de secado de 90 [°C].
Para determinar el tiempo de secado de la zona 2 se tomó en cuenta una tasa de rechazo menor al
12 [%] y para la zona 3 se determinó el tiempo mínimo para alcanzar la humedad de equilibrio del
producto.
Los resultados que se dieron estos ensayos están dados en las Tabla 8-5 y Tabla 8-6.
Tabla 8-5 Ensayos de retención de deformación [20]
Tiempo [min] Aire seco [°C] Pérdida porcentual [%] Rechazo [%]
10
90
Sin datos
15
28
33
16
20
90
48
Tabla 8-6 Ensayo de secado con zona intermedia [20]
Tiempo [min] Aire seco [°C] Pérdida porcentual [%] Rechazo [%]
10
90
19
Sin datos
20
30
23
2,1
25
50
42
7,5
15
90
51
8,6
En los ensayos se quiso hacer de una manera más representativa la operación en régimen del
secado, se introdujo una zona de enfriamiento, esto puede verse en la Tabla 8-7. Esto permite tener
una homogenización de la madera disminuyendo las tensiones termo mecánica antes de iniciar el
secado de zona 2.
Tabla 8-7 Ratificación de zonas de secado [20]
Tiempo [min] Aire seco [°C] Pérdida porcentual [%] Rechazo [%]
10
90
19
5
27
31
30
41
47
20
90
52
6,1
37
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