ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA ESTUDIO DEL EFECTO DE LA HUMEDAD DE LAS CHAPAS DE SANDE (Brosimun utile) Y PACHACO (Schizolobium parahybum) SOBRE LA CALIDAD DEL PEGADO Y EL CONTENIDO DE FORMALDEHIDO LIBRE EN TABLEROS CONTRACHAPADOS EN LA EMPRESA ENCHAPES DECORATIVOS S.A. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO VÍCTOR HUGO SOLÍS AGUIRRE [email protected] DIRECTOR: ING. OMAR FERNANDO BONILLA HIDALGO [email protected] Quito, septiembre 2013 © Escuela Politécnica Nacional (2013) Reservados todos los derechos de reproducción. DECLARACIÓN Yo, Víctor Hugo Solís Aguirre declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y por la normativa institucional vigente. _______________________ Víctor Hugo Solís Aguirre CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el señor Víctor Hugo Solís Aguirre bajo mi supervisión. ________________________ Ing. Omar Bonilla DIRECTOR DEL PROYECTO DEDICATORIA A mis padres y hermanos por todo su apoyo y comprensión. A la Empresa ENDESA por las facilidades otorgadas para la realización de este proyecto. A quienes conforman CTP por las sugerencias y comentarios, de manera especial al Ing. Omar Bonilla, por la confianza depositada en el proceso de aprendizaje que resulto este proyecto. A los amig@s de la Carrera de Ingeniería Química de la EPN, Colegio Cinco de Junio y del Barrio, por compartir conocimientos, valores, idea y su aprecio. Y a Dios mismo, porque quien está con Él lo tiene y lo puede todo. Gracias por todo vi ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA RESUMEN INTRODUCCIÓN xvi xviii 1 PARTE TEÓRICA 1 1.1 Fabricación de tableros contrachapados 1.1.1 La madera 1.1.2 La industria del contrachapado 1.1.3 Proceso productivo de los tableros contrachapados 1 1 4 7 1.2 Influencia del contenido de humedad de la madera en la fabricación de tableros contrachapados y en la posterior emisión de formaldehido libre 1.2.1 Métodos para la determinación del contenido de humedad de las ………chapas de madera 1.2.2 Influencia de la mezcla encolante a base de úrea formaldehido en ………la fabricación de tableros contrachapados 1.2.3 Efecto de la humedad de las chapas de madera en la calidad de los ………tableros contrachapados 1.3 1.4 Métodos de análisis de la calidad del pegado de los tableros contrachapados y emisiones de formaldehido 1.3.1 Métodos para evaluar la calidad del pegado de los tableros ………contrachapados 1.3.2 Métodos para la determinación del formaldehido libre en un ………tablero contrachapado 11 11 14 16 17 17 18 Modelado y simulación en procesos de secado industrial de madera 1.4.1 Equipos de secado 1.4.2 Modelado y simulación de los fenómenos de transporte en el ………secado de madera 20 20 2 PARTE EXPERIMENTAL 27 2.1 Objetivos 2.1.1 Objetivo general 2.1.2 Objetivos especificos 27 27 27 2.2 Materiales 2.2.1 Reactivos 2.2.2 Equipos 27 27 28 2.3 Determinación de la humedad de las chapas de Sande y Rachaco para la fabricación de tableros contrachapados 28 21 vii 2.3.1 Características de las chapas para armar los tipos de tableros ………estudiados 2.3.2 Fabricación del tablero y evaluación de sus propiedades 2.3.2.1 Secado de las chapas 2.3.2.2 Preparación y cantidad de adhesivo aplicado a los tableros ………contrachapados 2.3.2.3 Prensado de los tableros 2.3.2.4 Evaluación de la emisión de formaldehido 2.3.2.5 Evaluación del pegado 2.4 2.5 Obtención de las ecuaciones de transferencias de calor y masa que describan el proceso de secado continuo en chapas de Sande y Pachaco 2.4.1 Recopilación de datos del secadero Irvington Moore 2.4.2 Formulación de correlaciones del sistema de calentamiento y ………ventilación 2.4.3 Formulación de correlaciones del secado 29 31 31 32 32 33 34 35 35 35 39 Simulación del proceso de secado continuo de chapas de Sande y Pachaco con las ecuaciones obtenidas 2.5.1 Parámetros que el usuario de la simulación fija para ejecutar el ………programa 2.5.2 Verificación de la simulación 41 42 Obtención del costo de secado de chapas para fabricar tableros contrachapados en la Empresa Enchapes Decorativos S.A. 42 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 44 3.1 Propiedades de las chapas 3.1.1 Humedad inicial de las chapas 3.1.2 Densidad básica de la madera 44 44 45 3.2 Calidad de los tableros contrachapados 3.2.1 Pegado o compactación de los tableros 3.2.2 Emisión de formaldehido 45 45 47 3.3 Modelado matemático de los fenómenos de transporte del secado de chapas 3.3.1 Características del secadero Irvington Moore 3.3.2 Modelado del sistema de calentamiento y ventilación 3.3.3 Modelado del secado de chapas 3.3.3.1 Transferencia de calor en las chapas 3.3.3.2 Transferencia de masa en las chapas 3.3.4 Condiciones iniciales y de frontera 51 51 54 59 59 61 64 2.6 3.4 Simulación del proceso de secado 3.4.1 Diagrama de flujo ansi del algoritmo de integración del modelado ………matemático 3.4.2 Coeficiente de difusión 41 67 67 69 viii 3.4.3 3.4.4 3.4.5 Curvas de secado Periodo de secado Gradiente de humedad 70 71 78 3.5 Evaluación del costo de secado 83 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 89 4.1 4.1 Conclusiones Recomendaciones 89 90 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS 91 100 ix ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 2.1. Conformación de los tableros 29 Tabla 2.2. Componentes de mezclado para el adhesivo a base de úrea formaldehido 32 Parámetros utilizados durante el prensado establecido para el control de calidad en la empresa Enchapes Decorativos S.A. 33 Velocidad de avance requerido el secadero Irvington-Moore para alcanzar humedad final del 6 % de las chapas de maderas 42 Humedad inicial de las maderas Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) 44 Tabla 2.3. Tabla 2.4. Tabla 3.1. Tabla 3.2. Densidad básica de las maderas Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) 45 Tabla 3.3. ANOVA para tableros contrachapados de 12 mm 50 Tabla 3.4. ANOVA para tableros contrachapados de 18 mm 51 Tabla 3.5. Detalles de construcción del secadero Irvintong Moore 53 Tabla 3.6. Sistema de calefacción del secadero Irvintong Moore 55 Tabla 3.7. Coeficientes de difusión de las maderas Sande (brosimun utile) y Pachaco (schizolobium parahybum) en las condiciones térmicas del secadero Irvington Moore 69 Tabla 3.8. Parámetros energéticos calculados por el programa de cada zona del secadero Irvintong Moore Tabla 3.9. Tiempos de secado de las chapas en el secadero Irvington Moore 84 Tabla 3.10. Costo de secado de las chapas en el secadero Irvington Moore 85 Tabla AI.1. Valores de las propiedades que caracterizan la madera de Sande 100 Tabla AI.2. Valores de las propiedades que caracterizan la madera de Pachaco 101 Datos de la evaluación de la calidad de pegado de los tableros contrachapado mediante la norma 104 Tabla AII.1. 72 x Soluciones para la elaboración de la curva de calibración para el uso del espectrofotómetro 107 Datos obtenidos de la evaluación del formaldehido libre en tableros contrachapados con la norma ASTM 6007-02 109 Tabla AIV.3. Tabla de conversión de temperatura para formaldehido 111 Tabla AIV.4. Tabla de conversión de la humedad relativa para formaldehido 112 Tabla AIV.5. Resultados de la evaluación de la emisión de formaldehido de los tableros contrachapado 113 Tabla AV.1. Propiedades termofísicas del aire 115 Tabla AV.2. Tabla de vapor 117 Tabla AV.3. Propiedades termofísicas del vapor 119 Tabla AVIII.1. Variables a ingresar en la interface del usuario del programa 132 Tabla AIV.1. Tabla AIV.2. xi ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA Figura 1.1. Tronco de árbol donde se observa la albura y el duramen 2 Figura 1.2. Principales destinos de la madera en el Ecuador 3 Figura 1.3. Destino de exportación de los tablero contrachapados 4 Figura 1.4. Trozas de Pachaco (Schizolobium parahybum) 5 Figura 1.5. Trozas de Sande (Brosimun utile) 6 Figura 1.6. Proceso productivo del contrachapado 7 Figura 1.7. Torno para laminar trozas de madera 8 Figura 1.8. Chapas secas para armar tableros contrachapados 9 Figura 1.9. Chapas encoladas, para armar tableros contrachapados 9 Figura 1.10. Prensa caliente del proceso productivo de los tableros contrachapados 10 Figura 1.11. Esquemas de higrómetro resistivo(a) y capacitivo (b) 12 Figura 1.12. Curva de secado ideal 13 Figura 1.13. Clasificación de los secaderos por el tipo de transmisión de calor 20 Figura 1.14. Esquema de un secadero de chapas con ventilación por toberas 22 Figura 1.15. Gráfico de comportamiento de la temperatura, humedad de la madera en el proceso de secado de chapa 24 Procedimiento para la fabricación de tableros contrachapados a escala laboratorio 31 Micro cámara para la evaluación del formaldehido con la norma ASTM 6007-02 34 Resultados del análisis de pegado con la norma ANSI HPVA HP-1 46 Resultados del análisis de formaldehido libre con la norma ASTM D 6007-02 47 Figura 2.1. Figura 2.2. Figura 3.1. Figura 3.2. xii Análisis estadístico de la emisión de formaldehido libre de los tableros de 12 mm 49 Análisis estadístico de la emisión de formaldehido libre de los tableros de 18 mm 49 Figura 3.5. Esquema del secadero Irvintong Moore 52 Figura 3.6. Esquema de la trayectoria del flujo de aire en el interior del secadero Irvington Moore Figura 3.3. Figura 3.4. . 54 Esquema de la trayectoria del flujo de aire a través de los tubos del secadero Irvington Moore 55 Esquema de la disposición de los tubos aleteados del secadero Irvington Moore 57 Diagrama de la trayectoria del flujo de aire caliente por la tobera del secadero Irvington Moore . 59 Perfiles de humedad y condiciones de frontera de una placa semifinita en la transferencia de masa hacia el exterior del . cuerpo 62 Figura 3.11. Diagrama de flujo para simular el secado de chapas de madera 68 Figura 3.12. Variación del contenido de humedad ( base seca) de chapas de . Sande (Brosimun utile) 70 Variación del contenido de humedad (base seca) de chapas de Pachaco (Schizolobium parahybum) . 71 Periodo de secado para chapas de Sande de 0,87 mm de espesor que alcanzar un contenido de humedad final de 6 % en base . seca 73 Periodo de secado para chapas de Sande de 1,5 mm de espesor que alcanzar un contenido de humedad final de 6 % en base . seca 74 Periodo de secado para chapas de Sande de 2,5 mm de espesor que alcanzar un contenido de humedad final de 6 % en base . seca 75 Periodo de secado para chapas de Pachaco (Duramen) de 2,5 mm de espesor que alcanzan un contenido de humedad final de 6 % en base seca . 76 Figura 3.7. Figura 3.8. Figura 3.9. Figura 3.10. Figura 3.13. Figura 3.14. Figura 3.15. Figura 3.16. Figura 3.17. xiii Figura 3.18. Periodo de secado para chapas de Pachaco (Albura) de 2,5 mm de espesor que alcanzar un contenido de humedad final de 6 % en base seca 77 Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 0,87 mm de espesor 78 Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 1,5 mm de espesor 79 Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 2,5 mm de espesor 80 Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Pachaco (Duramen) de 2,5 mm de espesor 82 Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Pachaco (Albura) de 2,5 mm de espesor 83 Figura 3.24. Producción mensual de chapas secado en la empresa ENDESA 85 Figura 3.25. Costo de consumo de vapor para alcanzar la producción mensual de tableros contrachapados de 12 mm 86 Costo de consumo de vapor para alcanzar la producción mensual de tableros contrachapados de 18 mm . 87 Comparación del costo de consumo de vapor mensual con los resultados del estudio 88 Figura 3.19. Figura 3.20. Figura 3.21. Figura 3.22. Figura 3.23. Figura 3.26. Figura 3.27. Figura AII.1. Ciclo de remojo 103 Figura AII.2. Probetas sometidas a las prueba de tres ciclos 103 Figura AIII.1. Microondas utilizado para secar las chapas a escala laboratorio 105 Figura AIII.2. Sistema de rodillos para encolar las chapas a escala laboratorio 105 Figura AIII.3. Prensa hidráulica para compactar los tableros a escala laboratorio calentado por resistencias eléctricas 106 Probetas de tableros para evaluar la emisión de formaldehido y la calidad del pegado 106 Variación de la concentración de formol aplicando ácido cromotrópico para la obtención de complejo coloreado 108 Variación de la Absorbancia del formol con la concentración a λ = 540 108 Figura AIII.4. Figura AIV.1. Figura AIV.2. xiv Higrómetro con el cual se mide la humedad final de las chapas de madera 121 Figura AVI.2. Ventiladores Helicocentrífugos del secadero Irvington Moore 121 Figura AVI.3. Líneas de vapor que ingresa al secadero 122 Figura AVI.4. Detalles de la válvula que controla el ingreso del vapor al secadero 122 Figura AVI.5. Banco de tubos del secadero Irvington Moore 123 Figura AVI.6. Interior de la tobera del secadero Irvington Moore 123 Figura AVI.1. Figura AVIII.1. Interface del usuario del programa de secado de chapas de madera de las especies Sande y Pachaco 131 xv ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Cálculo de las propiedades de la madera 101 ANEXO II Evaluación de la calidad de secado 103 ANEXO III Equipos de laboratorio para fabricar los tableros 105 ANEXO IV Cálculos de la emisión de formaldehido libre 107 ANEXO V Cálculos para obtener la efectividad o rendimiento de las aletas 114 ANEXO VI Parámetros constructivos y de control del secadero Irvington Moore 121 ANEXO VII Código de simulación 124 ANEXO VIII Uso del programa de simulación 131 ANEXO IX Cálculos del costo de secado 134 xvi RESUMEN El objetivo del presente trabajo fue determinar el efecto de la humedad de las chapas de Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) en la calidad de los tableros contrachapados de 12 y 18 mm que se fabrican en la empresa Enchapes Decorativos S.A. Se utilizaron chapas de Pachaco de 2,50 mm de espesor y Sande con espesores de 0,87; 1,50 y 2,50 mm, las que se secaron en un horno de microondas comercial hasta alcanzar humedades de 8 %, 10 % y 12 %. Con las chapas a las humedades mencionadas se armaron los tableros, pegando las almas y las caras con cola compuesta de agua, catalizador, resina úrea-formaldehido, sólidos (harina) y solución de tanino vegetal; la compactación se realizó bajo condiciones de temperatura, presión y tiempo propios de la empresa. Para evaluar la calidad de los tableros se determinaron las emisiones de formaldehido libre y las características de pegado de los tableros elaborados a partir de diferentes contenidos de humedad de las chapas que los conforman. Para determinar la influencia de la humedad de las chapas en el costo de la producción de los tableros, se realizó una simulación del proceso de secado de las chapas hasta alcanzar la humedad deseada. Se concluyó que un contenido de humedad de hasta 12 % del conglomerado de chapas no influye en la calidad de pegado, evaluado con la prueba de tres ciclos de remojo. Sin embargo, la emisión de formaldehido se incrementa al aumentar la humedad del conglomerado de chapas que conforman los tableros, determinándose que la humedad permisible en tableros de 12 mm es del 12 %, mientras que en tableros de 18 mm es del 10 %. Se logró llevar al lenguaje de programación BASIC, el modelo matemático de los balances de materia y energía para el secado de chapas de Sande y Pachaco en el secadero Irvington Moore, reproduciéndose los perfiles de temperatura y humedad del material húmedo en el interior del secador continuo reportados en la literatura, los cuales se ajustan a los parámetros de control del proceso. Dicha simulación constituye una herramienta de trabajo práctica para los operadores del xvii área, necesaria para la toma de decisiones en el mejoramiento del proceso. La aplicación de las condiciones de este estudio en el proceso de fabricación de tableros le generará a la empresa un ahorro en costo de consumo de vapor de 2 691 USD/mes. xviii INTRODUCCIÓN La industria del contrachapado a nivel mundial enfrenta nuevas regulaciones sobre la concentración de compuestos orgánicos volátiles (COV) en ambientes interiores, debido a su afectación a la salud y el bienestar de sus ocupantes. Es de especial importancia el formaldehido libre presente en los pegamentos utilizados en la fabricación de tableros usados en la industria de la construcción y mueble. Según los datos del el Consejo de Recursos Atmosféricos de California (CARB, 2007, p. 2), con la aplicación de normas de emisión para productos de madera compuesta, se estima en los Estados Unidos de América una reducción de 500 toneladas en las emisiones de formaldehido por año a partir de mediados del 2012. Para exportar tableros a este país, los fabricantes de estos productos tienen que realizar inversiones en el proceso de manufactura, repercutiendo en las utilidades de la empresa o en productos más caros al usuario final que podría oscilar entre 3,00 y 6,00 USD por tablero. Bajo el ambiente de competencia mundial por ganar mercados importantes, las industrias de contrachapado ecuatorianas deben cumplir nueva norma sin afectar la rentabilidad del negocio, por lo tanto, tienen que buscar alternativas para reducir costos, por ejemplo, a través de la determinación de condiciones idóneas de la materia prima y los procesos. En la producción de contrachapados, el secado de la madera es importante por su efecto en la calidad del tablero. En esta fase del proceso, se consume gran cantidad de energía para eliminar el agua que la madera contiene, por lo que es importante conocer la fenomenología que gobierna el secado para realizar cambios en la operación del equipo, que repercuten en la calidad y costos de producción del producto (Atencia, 2008, p. 92). Con el desarrollo informático y su introducción en el campo de los procesos industriales, se ha podido resolver muchos problemas de secado de materiales biológicos (Sandoval, 2009, p. 76). Así uso de herramientas como la modelación xix matemática y la simulación de los fenómenos de transporte de masa, energía y cantidad de movimiento en un sistema entre el cuerpo húmedo (la madera) y el agente secante que rodea a dicho cuerpo (aire) a las condiciones térmicas que preste el equipo de secado, se puede cuantificar y optimizar tiempos de producción (Sogari, Saravia, Saravia y Alia, 2005, p. 1). 1 1. PARTE TEÓRICA 1.1 FABRICACIÓN DE TABLEROS CONTRACHAPADOS 1.1.1 LA MADERA La madera es una de las materias primas más importantes en todo el mundo dentro del ámbito del aprovechamiento de los recursos naturales, es un material complejo, heterogéneo de origen vegetal, que presenta un comportamiento higroscópico, es decir, el sólido tiene la condición de perder o tomar humedad al ambiente (Truscott y Turner, 2005, p. 383 ; Fuentes, 2000, p. 79). Para la mayoría de usos de la madera, es de vital importancia remover el exceso de humedad que posee, con el fin de mejorar las condiciones de transformación del material, alcanzar estabilidad dimensional, reducir el riesgo de daños causados por ataques biológicos y facilitar la aplicación de adhesivos y barnices (Córdoba, 2005, p. 1). El proceso de pérdida de humedad que contiene la madera se consigue con eliminación del agua, que se encuentra en tres estados dentro del leño (Muñoz y Berrocal, 2005, p. 2): Ø Agua libre que ocupa los espacios vacíos e intersticios tales como cavidades celulares o poros de los elementos vasculares, está agua contenida en la madera se va perdiendo fácilmente sin que requiera elevada energía (Tamarit y Fuentes, 2003, p. 159). Ø Agua ligada a la estructura de la madera, específicamente a los radicales OH de sustancias que conforman la pared celular, destacándose tres principales macromoléculas; Celulosa (40-60%), hemicelulosas (6-27%) y lignina que actúa como sustancia matriz (41% madera de compresión, 2532% maderas blandas y 18-25% maderas duras) (Heiko, Mark, y Milan, 2010, p. 96). Ø Agua de constitución, es parte de la estructura de la madera y su extracción destruye el material. 2 La madera, como un material proveniente de árboles, contiene desde su origen agua en su interior, la cual puede alcanzar valores desde 44 % hasta 267 %, tal variación está en función de la especie, la época del año y edad para ser cortados, la región de procedencia y condiciones de crecimiento (Tamarit y Fuentes, 2003, p. 161). Dentro del tronco se tiene una distribución variable de la humedad, que depende de las funciones que cumplen las estructuras que conforman el árbol, (Thant, Yee, y Htik, 2009, p. 4), encontrando dos zonas importantes: la albura, que es la región externa del tronco, encargada del transporte de nutrientes desde el suelo hacia la copa, función que otorga a esta estructura contener más agua que la parte central del tronco conocido como duramen, donde se colecta los excesos de nutrientes, los cuales metaboliza provocando modificaciones anatómicas y químicas a nivel celular, donde las sustancias minerales que se forman, reducen la penetración de líquidos (Garcia, Guindeo,Peraza y De Palacios, 2003, p. 19). El duramen se incrementa en función de la edad y el diámetro, como consecuencia se tiene que la madera juvenil contiene normalmente más agua que la madera de edad avanzada y frecuentemente presentan al duramen con un color más intenso que la albura tal como se muestra en la Figura 1.1 (Giménez, Ríos, y Moglia, 2000, p. 58). Figura 1.1. Tronco de árbol donde se observa la albura y el duramen (Garcia et al, 2003, p. 19) 3 El procesamiento y transformación de productos forestales maderables se ha desarrollado con base en las propiedades tecnológicas del material, donde las más importantes son: ancho de los troncos, volúmenes de sus elementos estructurales y la densidad básica que es medida como la razón entre peso anhidro y el volumen en verde (Bárcenas, Ortega, Álvarez, y Ronzón, 2005, p. 48), características que permite seleccionar una materia prima para ser utilizada en la elaboración de un producto específico (Borja de la Rosa et al, 2010, p. 271). Para aprovechar al máximo la gran variedad de especies madereras, se ha desarrollado la industria del sector de la madera, que está conformada por los aserraderos (fijos y móviles), fábricas de contrachapado (tableristas), de tableros aglomerados, MDF (Medium Density Fibreboard), de astillas (Romero, Velasteguí, y Robles, 2011, p. 8). En Ecuador se establece que alrededor del 65% de la madera movilizada tiene como destino la gran industria maderera (contrachapados, aglomerados, procesadora de balsa, astilla/chips, pallets) y de este porcentaje el 20 % es para la fabricación del tablero contrachapados, tal como se observa en la Figura 1.2. 3% 16% 20% 16% 18% 6% 9% Contrachapado astillas/chips Sin destino 12% Aglomerado pallets Varios procesadora de balsa Aserraderos Figura 1.2. Principales destinos de la madera en el Ecuador (Romero et al, 2011, p. 8) 4 1.1.2 LA INDUSTRIA DEL CONTRACHAPADO Los tableros contrachapados también conocidos como hardwood plywood, están formados por láminas o chapas de madera encolada y dispuesta de forma que la dirección de las fibras forme un ángulo de 90º (Heiko et al, 2010, p. 74). En las industrias de tableros contrachapado ecuatorianas a las chapas de fibras transversal respecto al largo del tablero se les denomina almas y a las chapas de fibras longitudinales se denomina caras que se intercalan en un número impar de 3 a 9 unidades para determinar el grosor del tablero, los espesores más frecuentes van desde los 3,6 mm hasta los 18 mm (Gándara, 2006, p. 2). En Ecuador esta industria se encuentra muy desarrollada, con un tablero de muy buena calidad, cuyo mercado está enfocado principalmente a la elaboración de muebles. En el país hay 5 empresas de contrachapado en funcionamiento ENDESA y PLYWOOD ECUATORIANA localizadas en Quito; CODESA ubicada en la ciudad de Esmeraldas: BOTROSA, localizada en el cantón Quinindé y ARBORIENTE localizada en la ciudad del Puyo (Peralta, 2009, p. 18). De la producción total de estas empresas el 37 % es para el mercado nacional mientras que el restante 63 %, se vende a varios países como se puede visualizar en la Figura 1.3, donde el principal destino de los tableros contrachapados es los Estados Unidos. 6% 3% 9% 20% 62% Estados Unidos México Venezuela Colombia Otros Figura 1.3. Destino de exportación de los tableros contrachapados ecuatorianos (Gándara, 2006, p. 6) 5 Las empresas de contrachapados ecuatorianas se abastecen de madera proveniente principalmente de plantaciones agroforestales y bosques nativos. La especie que sobresale en las plantaciones agroforestales es el Pachaco (Schizolobium parahybum), durante el año 2009 el Ministerio de Ambiente del Ecuador autorizó el aprovechamiento de 191 270 m 3 de esta especie, son árboles de rápido crecimiento que tiene un turno aproximado para ser cortados de 15 años (Romero et al, 2011, p.77). La madera es suave y liviana cuya densidad en base seca oscila entre 280 y 350 kg/m3, muestra poca diferencia entre la albura, de color blanco cremoso, y el duramen café rojizo muy pálido, o amarillento con zonas de color rosado, se puede apreciar en la figura 1.4 (Rosales y Suhartono, 1999, p. 16). La especie se caracteriza por sus fustes rectos, puede llegar a los 35 m de altura, con diámetros de 80 cm cuando se encuentra en suelos profundos, libres de ramas en los primeros 3 a 7 m del tronco, razón por lo que es aprovechada como madera rolliza en troza (Justiniano, Pariona, Fredericksen y Nash, 2001, p. 5). Figura 1.4. Trozas de Pachaco (Schizolobium parahybum) 6 La especie del bosque nativo más demandada es el Sande (Brosimun utile), donde el recurso forestal es manejado en forma sustentable con estrictas disposiciones ministeriales (Romero et al, 2011, p. 11). Es una madera que tiene una densidad en verde que se encuentra entre 750 y 900 kg/m3 mientras que en base seca está entre 460 a 690 kg/m3, ofrece un buen acabado y se pega fácilmente. El secado se lleva a cabo en tiempos cortos, con pocos defectos pero se requiere procesar rápidamente para evitar manchado (Silva, 2008, p. 42). Los árboles de Sande son de fustes rectos y cilíndricos con una altura aproximada de 50 m y diámetro promedio de 70 cm, el color de la albura es marrón muy pálido con transición gradual al duramen de color marrón claro y con matiz o vetas oscuras (Palacios y Jaramillo, 2002, p. 46), cortados en forma de trozas para su movilización a las plantas procesadoras, como se puede apreciar en la Figura 1.5. Figura 1.5. Trozas de Sande (Brosimun utile) (Romero et al, 2011, p. 11) 7 1.1.3 PROCESO PRODUCTIVO DE LOS TABLEROS CONTRACHAPADOS RECEPCION DE LA MADERA Y CLASIFICACIÓN CASCÁRAS DESCORTEZADO CENTROS REDONDEO CALDERO CENTRADO DIMENCIOMAMIENTO DE LAS LÁMINAS LAMINADO VAPOR SECADO DESPERDICIOS RESINA AGUA HARINA CATALIZADOR INSECTICIDA ALMAS JUNTADO LABORATORIO DE COLA SELECCIÓN CARAS ENCOLADO DESPERDICIOS PRENSADO CORTE LIJADO CLASIFICACIÓN BODEGAJE Y DESPACHO VENTAS Figura 1.6. Proceso productivo del contrachapado (Gándara, 2006, p. 8) El proceso productivo del contrachapado como se describe en el diagrama de bloques de la Figura 1.6, empieza con la recepción de troncos de árboles cortados en trozas. En el laminado, se obtiene la chapa haciendo girar la troza frente a una cuchilla del torno, ilustrado en la Figura 1.7, por un corte periférico del tronco que se calibra de tal forma que produce una lámina de chapa de forma continua, con 8 espesores que se eligen por la especie y calidad de la madera como 0,87; 1,5; 2,5 mm entre otros (Heiko et al, 2010, p. 79). Figura 1.7. Torno para laminar trozas de madera El secado de la madera es un proceso vital para el desarrollo de la industria, la chapas se secan para alcanzar la humedad final deseada, mostrada en la Figura 1.8, que permita la fabricación de tableros contrachapados, generalmente se sitúa alrededor del 6 % y aumenta 2 puntos porcentuales si las condiciones del proceso no son críticas (Zavala y Valdivia, 2004, p. 44). En el encolado, el empleo de adhesivos para unir piezas de madera, implica el obtener colas con buena adhesión, es decir, la unión entre la madera, procurando bajo costo del adhesivo por tablero (Zavala y Valdivia, 2004, p. 46). Los adhesivos más empleados en la industria de la madera son polímeros termoestables, ya que una vez fraguados por la acción del calor no recobran su plasticidad. La mayoría de los adhesivos termoestables se componen de formaldehidos, donde las principales resinas que se encuentran en el mercado son: Úrea formaldehido (UF), Melamina formaldehido (MF) y Fenol formaldehido (PF) (Heiko et al, 2010, p. 31). 9 Figura 1.8. Chapas secas para armar tableros contrachapados Además, se requiere maquinaria para la aplicación de la cola, que permita regular la cantidad de adhesivo especificada por unidad de superficie, por lo general se encolan las almas por ambas superficies para unirse con las caras y armar el tablero (Heiko et al, 2010, p. 79), como se muestra en la Figura 1.9 Figura 1.9. Chapas encoladas, para armar tableros contrachapados 10 En el prensado se determina la calidad de los contrachapados, donde se interrelacionan las propiedades tecnológicas de la madera: específicamente la textura, la densidad, el contenido de humedad, la energía de la superficie, y el pH, con las características del pegamento: peso molecular, contenido de sólidos, viscosidad y pH, a través de los parámetros del proceso de prensado (Zavala y Valdivia, 2004, p. 48). En la Figura 1.10, se muestra la prensa donde se produce el curado del pegamento, donde la temperatura y tiempo de prensado deben prestar las condiciones para que se ejecute la reacción de polimerización, es importante señalar que la presión que se emplea facilita el contacto entre las chapas (Heiko et al, 2010, p. 84). Figura 1.10. Prensa Caliente del proceso productivo de los tableros contrachapado Los tableros contrachapados pasan a la línea de terminado (corte y lijado), la medida a la que se corta es de 1,22 x 2,44 m. Posterior a ello el tablero se lija con bandas pulidoras. Finalmente el tablero se clasifica de acuerdo a normas establecidas y se almacena en bodegas para su subsiguiente comercialización en el mercado local o de exportación, como material utilizado en construcción, carpintería, mobiliario, industria aeronáutica, naval, etc. Cada proceso mencionado 11 implica la generación de desperdicio de la materia prima y por consiguiente el volumen aprovechado de la madera en la fabricación del contrachapado es de alrededor del 53 % (Gándara, 2006, p. 8). 1.2 INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA EN LA FABRICACIÓN DE TABLEROS CONTRACHAPADOS Y EN LA POSTERIOR EMISIÓN DE FORMALDEHIDO LIBRE 1.2.1 MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE LAS CHAPAS DE MADERA Bajo el ambiente de competencia por desarrollar productos con calidad, es obligatorio en las industrias el control de las materias primas mediante propiedades que puedan ser medidas. Para la determinación del contenido de humedad de la madera, los dos métodos más importantes son: Método eléctrico y Método gravimétrico (Córdoba, 2005, p. 3). El método eléctrico, se basa en la medición de propiedades eléctricas de la madera, que son utilizadas para la construcción de equipos que midan el contenido de humedad. Estos medidores conocidos como higrómetros, tienen como ventajas ser un método no destructivo y de rápida determinación de la humedad en la madera. La principal limitación del método es el rango de confianza, que está alrededor de 6 al 30 % de agua contenida en la madera (Córdoba, 2005, p. 3). Los tipos de higrómetros para madera dependen de la propiedad eléctrica que cuantifique, es así, que los higrómetros resistivos se basan en la conductancia iónica o resistencia eléctrica entre puntos donde se aplica tensión, mientras que los higrómetros capacitivos miden la pérdida de potencia y admitancia o capacitancia, que operan en el alcance de radio frecuencia de 1 a 10 MHz, gráficamente se puede apreciar los dos tipos de de higrómetros en la Figura 1.11. 12 Figura 1.11. Esquemas de higrómetro resistivo (a) y capacitivo (b) (Medrano, Aranda, y Velasco, 2004, p. 4) El método gravimétrico, implica el peso de la muestra antes y después de secarla en un horno convencional, de vacío o desecador y tiene como ventaja ser el método exacto, utilizado por organismos de normalización para determinar el contenido de humedad en maderas y reconocido como un método primario, tiene como limitantes que los procesos son lentos, frecuentemente requieren varias horas o incluso días (Skoog, Holler, Wests, y Cruoch, 2005, p. 1049). A fin de acelerar el secado se utilizan hornos de microondas, el cual se ha constituido en uno de los métodos más llamativos y exitosos por las ventajas asociadas con el ahorro de energía, ya que no se desperdicia calor hacia el exterior. El calentamiento del material húmedo inducido por microondas es debido a la agitación molecular que sufren el agua y otras sustancias polares al estar expuestas a las ondas electromagnéticas, con lo que se logra disipar energía de una forma muy rápida y uniforme en toda su masa (Taskini, 2004, p. 85; Vongpradubchai y Rattanadecho, 2009, p. 1001). El calor generado utiliza el cuerpo para evaporar la humedad que contenga, que se elimina desde el interior del material hasta su superficie (Hansson, Lundgren, Antti, y Hagman, 2005, p.16). 13 Los datos relativos al secado, por lo general, no utilizan la pérdida de peso sino el contenido de humedad en base seca, es decir, la masa de agua contenida en la madera como porcentaje de masa en estado anhidro (Medrano et al, 2005, p. 5). La pérdida de humedad del cuerpo con relación al paso del tiempo, tiene una forma particular conocida como curva de secado que se puede observar en la Figura 1.12. Figura 1.12. Curva de secado ideal (Almansa, 2007, p. 28) Durante el secado, en un primer momento entre los puntos AB, la masa del sólido húmedo disminuye sólo un poco, debido a la débil contribución del calor sensible a la evaporación de agua, hasta llegar a la región entre los puntos BC, donde se elimina la mayor cantidad de agua y esta pérdida es directamente proporcional al tiempo. La curva presenta el punto de inflexión, regiones CD y DE, donde la 14 humedad del sólido disminuye con menor velocidad, esto suele darse a bajos contenidos de humedad, porque el agua que emigra del interior del cuerpo es incapaz de saturar la superficie con el líquido y la rapidez de secado es entonces gobernada por la velocidad de movimiento interno de la humedad (Hernández y Quinto, 2005, p. 65). El punto C es el límite entre el período de velocidad constante y el de velocidad decreciente, se denomina humedad crítica, para el caso particular de la madera es conocido como Punto de Saturación de la Fibra (PSF), donde la madera contienen toda el agua ligada o higroscópica pero nada de agua libre (Fuentes, 2000, p. 19), la principal característica cuando se seca por debajo del PSF es que presenta cambios que causan defectos en el material como: ondulaciones, grietas y rajaduras (Tamarit y Fuentes, 2003, p. 160). 1.2.2 INFLUENCIA DE LA MEZCLA ENCOLANTE A BASE DE ÚREA FORMALDEHIDO EN LA FABRICACIÓN DE TABLEROS CONTRACHAPADOS El formaldehido (CH2O), es un compuesto orgánico que polimeriza rápidamente, por esta razón se emplea como componente en muchas resinas que se utilizan en la industria como agentes adhesivos en la manufactura de mobiliarios como la madera contrachapada y la aglomerada (Chang, 2007, p. 775). En la industria de contrachapado se usan las resinas de formaldehido porque presentan características y propiedades interesantes para su procesado y aplicación, como son: alta reactividad, buenas propiedades térmicas, ausencia de color durante el curado, excelente adhesión y bajo costo. Sin embargo, presentan una desventaja significativa, la emisión de formaldehido durante el uso de los tableros (Heiko et al, 2010, p. 164). El formaldehido libre en los tableros causa adormecimiento, náuseas, dolor de cabeza y otros malestares respiratorios, por lo que cada vez se controla más el 15 nivel de sustancias que pueden resultar nocivas en el aire de ambientes interiores de lugares públicos como hospitales, bancos, aeropuertos y hogares. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC), división de la Organización Mundial de la Salud, clasificó al formaldehido en el grupo 1, carcinógeno conocido (AIDIMA, 2009, p. 18). Tal situación ha provocado en todo el mundo la existencia de un amplio listado de normativas entre las que destacan la europea (CEN/ISO), japonesa (JIS/JAS), China (GB) y de Estados Unidos de Norteamérica (ASTM/CARB), que limitan la emisión de formaldehido en tableros contrachapados. Es así, que por ejemplo la Junta de Recursos del Aire de California (en inglés California Air Resources Board) CARB ha contemplado reducir para junio del 2012, el límite máximo de emisión de formaldehido en los Estados Unidos de Norteamérica, a un nivel de 0,05 mg/L en los tableros contrachapados (Gambaro, 2009, p. 21). Esta exigencia, ha limitado el uso de resinas úrea-formaldehido en la industria de la madera, motivando el desarrollo de resinas mejoradas que resulten ser menos contaminantes. Las investigaciones se han encaminado a probar resinas con bajas relaciones formaldehido/úrea, exceso de formaldehido necesario para la reacción de curado o endurecimiento y brindar estabilidad a las resinas durante el almacenamiento (Christjanson, Siimer, Pehk y Lasn, 2002, p. 380). También se ha recurrido al uso de resinas reforzadas con otros productos, como taninos que reaccionan con el formaldehido para formar una resina resistente al agua, y, dado su elevado peso molecular, solo se requiere para ello una pequeña cantidad, que al mezclarse con úrea-formaldehido captura el formaldehido libre no reaccionado durante el fraguado, evitando que se incorpore al aire después de poner en uso dichos tableros (Kim, 2009, p. 746). Así mismo se ha buscado por parte de los fabricantes de tableros modificar factores como: composición y cantidad de catalizador, ciclo de prensado y la humedad de la madera, con el fin de disminuir la emisión de formaldehido (AIDIMA, 2009, p. 18). 16 1.2.3 EFECTO DE LA HUMEDAD DE LAS CHAPAS DE MADERA EN LA CALIDAD DE LOS TABLEROS CONTRACHAPADOS La fase de prensado determina la compactación de los tableros contrachapados, ya que el calor transmitido y la presión aplicada influyen directamente en el proceso químico de polimerización de la resina úrea-formaldehido (Heiko et al, 2010, p. 138), sin embargo, la baja resistencia a la humedad genera la degradación hidrolítica de este tipo de resina, provocándose la pérdida de las propiedades mecánicas del tablero que va acompañada de la emisión de formaldehido (Ringena, Janzon, Pfizenmayer, Schulte y Lehnen, 2006, p. 325). Las dos reacciones simultáneas que tienen lugar durante el prensado del tablero pueden verse gracias a la Reacción 1.1 (Estévez, 2012, p. 66). [1.1] Donde A y B son especies hidroximetilúrea por ejemplo monohidroximetilúrea, 1,3dihidroximetilúrea ,1,1-dihidroximetilúrea y trihidroximetilúrea, que se obtiene de la reacción de adición entre la úrea y el formaldehido, AB es la especie polimerizada o curada mediante una reacción de condensación, formando cadenas entrecruzadas con desprendimiento de moléculas de agua. Mientras que la reacción inversa se produce con hidrólisis y desprendimiento de formaldehido, si bien en una pequeña proporción, esta aumenta si la madera posee una mayor cantidad de humedad. La disociación hidrolítica en este tipo de resinas se genera de dos formas: Hidrólisis de los puentes éter, que se produce según la Reacción 1.2. [1.2] Hidrólisis de los puentes de metileno, que se produce según la Reacción 1.3. 17 [1.3] Con posterioridad estos grupos metinol se descomponen dando lugar a la emisión del formaldehido libre, que se produce según la Reacción 1.4. [1.4] También el exceso de humedad en la chapa va a genera vapor que se forma por el calor de la prensa, lo que produce esfuerzos en la línea de cola que tienden a separar la chapa del conjunto. Para contrarrestar la reducción de la polimerización (aumento de formaldehido libre en el tablero) y la presión del vapor, se aumenta el tiempo de prensado para lograr la adhesión de la resina antes de abrir la prensa y/o se aplica mayor cantidad de adhesivo, factores que se reflejan en los costos de producción, repercutiendo en las utilidades de la empresa o en productos más caros al usuario final (Zavala y Valdivia, 2004, p. 46). Por otro lado, una excesiva eliminación del agua de la madera provoca la inactivación de la superficie de la chapa, que reduce las propiedades adherentes de la madera por las modificaciones físicas y químicas que se producen en el proceso de secado, cambios que reducen la habilidad para que un fluido la pueda mojar, fluir, penetrar y polimerizar (Sernek, 2002, p. 54). 1.3 MÉTODOS DE ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL PEGADO DE LOS TABLEROS CONTRACHAPADOS Y EMISIONES DE FORMALDEHIDO 1.3.1 MÉTODOS PARA EVALUAR LA CALIDAD DEL PEGADO DE LOS TABLEROS CONTRACHAPADOS El control de calidad de los tableros contrachapados consiste en la determinación de la resistencia del material curado bajo distintos ambientes y condiciones, así como degradación del material, con el fin de identificar y/o cuantificar las resinas, 18 aditivos, catalizadores y otros constituyentes del pegamento (Zavala y Valdivia, 2004, p. 47). La calidad del encolado se evalúa al realizar inspecciones visuales que permiten controlar la aparición de juntas abiertas, burbujas y zonas sin adhesivo. Para asegurar que un producto está bien encolado es necesario realizar ensayos físicos y mecánicos de acuerdo con las normas definidas. Normalmente las probetas de los materiales encolados se someten a la prueba conocida como ciclos de envejecimiento artificial (humedad-calor) (Molina, 2008, p. 25). Otro método que evalúa la calidad del encolado de los tableros es el ensayo mecánico de cizalle, el cual mide la resistencia de la unión entre las chapas del tablero y determina el área en la cual la falla se produce en la madera, relacionando ésta porcentualmente con el área total, situación que se conoce como porcentaje de desgarro de fibras (Molina, 2008, p. 31). 1.3.2 MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL FORMALDEHIDO LIBRE EN UN TABLERO CONTRACHAPADO Para conocer el contenido de formaldehido libre que presente un tablero, se deben hacer pruebas al tablero bajo normas reconocidas, los cuales señalan la forma de obtener las muestras a evaluar y los procedimientos a seguir en laboratorio (AIDIMA, 2009, p. 20). Para ello, existen a nivel mundial varios procedimientos, como el establecido por la Asociación Estadounidense de Pruebas de Materiales (ASTM), la cual señala que se puede determinar las concentraciones de formaldehido en el aire de productos de madera bajo la norma E1333-96 de la cámara grande (Kim, Choi , Park y Kim. 2010. p. 6563). La misma ASTM, también en su designación D 6007-02, que hace referencia al método de micro cámara, mide la concentración de formaldehido en el aire de los 19 productos de madera en condiciones definidas de temperatura y humedad relativa. La cantidad de formaldehido en una muestra de aire de la micro cámara está determinada mediante el uso del ácido cromotrópico que reacciona selectivamente con el formaldehido (especie no absorbente) y genera un producto que absorbe fuertemente en la región visible. Las medidas de absorbancia se hacen en un espectrofotómetro, a una longitud de onda correspondiente a un pico de absorción del complejo coloreado (ASTM , 2004, p. 3). Existen otros métodos utilizados para la evaluación de las emisiones de formaldehido que emanan de los tableros durante el tiempo de uso, entre ellos (Kim y Kim, 2005, p. 1460; Eom, Kim, Baek, y Kim, 2005, p. 32) reporta los siguientes: Ø Método por Análisis de Gases, este procedimiento se basa en la extracción de formaldehido de las probetas mediante tolueno, captándolo en agua destilada que se inyecta en el cromatógrafo. Ø Método de Perforador, es uno de los métodos más usados en la determinación del contenido de formaldehido. Prácticamente todas las plantas de tablero cuentan con un equipo para realizar este control. Este procedimiento se basa en la extracción de formaldehido de las probetas mediante tolueno, captándolo en agua destilada. El contenido de formaldehido es determinado en la solución de agua por método yodométrico (titulación) o fotométrico, el análisis no deben tener más de 14 días de haberse fabricados los tableros, y al tomar la muestra deben ser empacados herméticamente. Ø Método con Desecador, el método utiliza un desecador de vidrio con un volumen de 10,5 L y ocho muestras de ensayo con dimensiones de 7,0 mm de ancho y 12,7 mm de largo, que se acondiciona durante 7 días a 23°C y 50% de humedad relativa. El control de la emisión tiene una duración de 24 hr. El formaldehido emitido se absorbe en agua y se analiza mediante el uso de ácido cromotrópico que reacciona con el formaldehido para formar un complejo coloreado espectrofotómetro. cuya absorbancia es cuantificado en un 20 1.4 MODELADO Y SIMULACIÓN EN PROCESOS DE SECADO INDUSTRIAL DE MADERA 1.4.1 EQUIPOS DE SECADO El secado industrial de madera es una etapa crucial dentro del procesamiento de tableros, razón por lo que se debe optimizar el proceso, con la aceleración de los mecanismos de transferencia de masa, disminución del consumo energético sin que se afecte la calidad del producto, es por eso que el estudio de los fenómenos de transporte en materiales biológicos adquiere importancia (Sandoval, 2009, p. 75). Indudablemente para alcanzar los requerimientos de secado, se debe tener equipos adecuados, en este tema existen innumerables opciones de secaderos, una forma de clasificarlos se puede observar en la Figura 1.13, los cuales deben ser evaluados teniendo en cuenta criterios de costos/beneficios, básicamente, la incidencia sobre los tiempos de secado (Atencia, 2008, p. 91). Tipos de secaderos Directos Radiativos, dieléctricos y radiofrecuencia Indirectos La transferencia de calor se realiza mediante contacto directo entre el sólido húmedo y los gases calientes. también se llaman secadores convectivos. Los secaderos radiativos dependen de la generación, transmisión y absorción de rayos infrarrojos. Los secaderos Dielétricos generan calor dentro del producto húmedo, La transferencia de calor hacia el sólido húmedo es a través de una pared caliente,también se llaman secadores de contacto o conducción Continuos De bandeja Para láminas. Neumáticos. Rotativos. Con spray. Mediante circulación sobre una criba. De túnel. De cama fluidizada Lotes Mediante circulación en bandejas cribadas. De compartimentos y bandejas. De cama fluidizada. Continuos De cilindros De tambor De transporte mediante tornillos. Rotativos corrientetubo De bandeja vibratoria Especiales Lotes De bandeja vibratoria Por congelación Rotativos al vacío De bandejas al vacio Figura 1.13. Clasificación de los secaderos por el tipo transmisión de calor (Perry y Green, 2001, p. 12-37) 21 En general, la selección del equipo depende de las características de operación de la cámara de secado: dimensiones de la cámara, velocidad del proceso, características y diseño de los sistemas de circulación de aire, características y diseño del sistema de calentamiento, la estructura externa con aislamiento, regulación y control del proceso de secado, los costos del proceso de secado y la flexibilidad de empleo de la cámara (Ciurlo, 2006, p. 106). Las características de las chapas, láminas finas de madera que no sobrepasan los 7 mm de espesor, han llevado a los industriales a utilizar hornos continuos, por ser de fácil integración al resto del proceso y el material se presta para ser transporta en rodillos, bandas, cables o mallas a través de la cámara (Thant et al, 2009, p. 2). 1.4.2 MODELADO Y SIMULACIÓN DE LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE EN EL SECADO DE MADERA En las cámaras de secado de madera de contacto directo o convectivo es común encontrar la instalación de un intercambiador de calor, donde tienen lugar los tres mecanismos por los que se transmite calor al aire: mecanismo de conducción de calor, transporte de calor por radiación y transporte convectivo, debido al movimiento global del fluido (Holman, 1998, p. 379), en la mayoría de equipos de secado este último es el mecanismo que gobierna el proceso, por la presencia de ventiladores que genera un flujo de aire de tiro forzado Las metodologías desarrolladas para el cálculo de la transferencia de energía en intercambiadores de calor construidos con bancos de tubos, son correlaciones que se basan en los números adimensionales de Nusselt (Nu), Reynolds (Re) y Prandtl (Pr), tanto para el fluido que se mueve sobre los tubos, como para fluido a una temperatura diferente que corre por el interior de los tubos (Pysmennyy, Polupan, Carvajal, y Sánchez, 2010, p. 18). La temperatura del aire para secar un material es una variable que influye directamente en la velocidad de secado, sin embargo, también se debe alcanzar 22 un contacto eficiente del gas y el sólido, es así que, para eliminar el agua de chapas se utiliza la ventilación por toberas, que se muestra en la figura 1.14, con las que se consigue elevar la velocidad del aire cuando se expulsa a través de boquillas perforadas sobre la superficie de las chapas, técnica que permite alcanzar una repartición uniforme del aire caliente sobre toda el área de contacto (Thant et al, 2009, p. 2). Figura 1.14. Esquema de un secadero de chapas con ventilación por toberas (Sabbah, 2010, p. 12) Las correlaciones matemáticas para la transferencia de calor al cuerpo húmedo, son modelos teóricos basados en el coeficiente de transferencia de calor (Salinas, Ananías y Ruminot, 2008, p. 211). 23 Los modelos fenomenológicos de la migración de agua en un medio poroso durante el secado, se basan en varios mecanismos de movimiento de la humedad (Heiko et al, 2010, p. 127), entre las que se mencionan los siguientes: difusión superficial, difusión líquida, difusión de vapor, transporte capilar. Difusión superficial, se plantea como una función del coeficiente convectivo de transferencia de calor, la temperatura de bulbo húmedo y la diferencia sicométrica, se evalúan a través del análisis de un proceso de saturación adiabática en donde, todo el calor sensible que entrega el aire seco se utiliza para evaporar agua desde la superficie del producto (Sánchez, 2007, p. 248). Difusión líquida, debido al gradiente de concentración de la humedad, entre el interior de la matriz sólida y la superficie, por lo que se representa el proceso por las leyes de Fick. El coeficiente de difusión líquido, normalmente se asume constante o linealmente dependiente de la temperatura o concentración (Hernández y Quinto, 2005, p. 66). Transporte capilar, debido a fuerzas capilares se refiere al flujo de un líquido a través de los intersticios y sobre la superficie de un sólido debido a la atracción molecular entre el líquido y el sólido, el mecanismo que interviene es la tensión superficial (Perré y Turner, 2008, p. 256). Difusión de vapor, se debe a los gradientes de presión parcial del vapor, es función de la temperatura del fluido (Sogari, Saravia, Saravia y Alia, 2005, p. 4). Por otra parte, diversos modelos teóricos basados en las ecuaciones de transporte de calor y masa, son utilizados para predecir el comportamiento simultáneo de la temperatura y la humedad en la madera durante el secado a alta temperatura, proceso que se efectúa cuando la temperatura de bulbo seco es mayor a la temperatura de ebullición del agua (Salinas, Ananías y Ruminot, 2008, p. 212), como en los hornos continuos para secar chapas la cámara alcanza temperaturas entre los 150 °C y 190 °C (Gándara, 2006, p. 3). Las chapas en este tipo de sistemas pierde el agua que contiene y eleva la temperatura como se puede observar en la Figura 1.15 24 Figura 1.15. Gráfico de comportamiento de la temperatura, humedad de la madera en el proceso de secado de chapa (Sabbah, 2010, p. 13) En la Figura 1.15 se puede apreciar que el secado se realiza a 145 °C, la temperatura de ebullición del agua es de 85 °C y también se observan las tres fases perfectamente diferenciadas con el paso del tiempo de secado (Nijdam, Langrish y Keey, 2000, p 3588; Du, Wang y Cai, 2005, p. 5), las cuales se describen a continuación: La primera fase o de calentamiento, donde la madera es llevada de su temperatura inicial hasta alcanzar la temperatura de ebullición del agua, esta fase es muy corta, esto se debe a que la velocidad de pérdida de humedad, depende de la presión de vapor del agua que se encuentra en la superficie de la madera, controlando el proceso de secado en esta fase la transferencia de calor al sólido húmedo. La segunda fase comprende la evaporación del agua no ligada de la madera a una velocidad de pérdida de humedad constante y temperatura de la madera húmeda constante en la temperatura de ebullición del agua. 25 Y finalmente, en la tercera fase que se produce cuando la humedad de la madera se encuentra por debajo del punto de saturación de la fibra, el proceso de secado está controlado por la difusión del agua líquida del interior de la pieza de madera a su superficie, en esta fase el secado presenta un incremento de temperatura de la madera hasta alcanzar la temperatura a la cual se realiza el secado, esta fase finaliza cuando la humedad medida en el interior de la pieza de madera alcanza el valor deseado. En ese momento la pieza de madera presenta un gradiente de humedad con el valor menor en la superficie y el máximo, en el centro del sólido. El establecimiento de los modelos matemáticos de los fenómenos de transporte en procesos de secado es una tarea de gran complejidad numérica y matemática (Perré y Turner, 2008, p. 252; Sandoval, 2009, p. 80), razón por la cual se han desarrollado métodos de solución entre los que se destacan: separación de variables, combinación de variables, transformada de Laplace, residuos ponderados y diferencias finitas (Gómez y Martínez, 2011, p. 106). Los cálculos pueden ser resueltos utilizando esquemas iterativos que se desarrollan en un procesador. El desarrollo informático es la etapa en la cual se requiere solucionar y evaluar los fenómenos de transporte que ocurren durante un proceso, con base en modelos matemáticos, por medio de programas de computadora, mediante lenguaje de programación de tipo general (C, PASCAL, BASIC, FORTRAN, etc.), que tienen facilidades para definir entidades, usar números aleatorios, elaborar tablas y gráficos (Martínez, Alonso, Lopez, Salado y Rocha, 2000, p. 11). El generador de programas Visual Basic Applications® es un paquete informático que permite crear programas del tipo ventanas muy similar a cualquier versión del sistema operativo Windows, es una combinación del Editor de Visual Basic que contiene todas las herramientas de programación necesarias para escribir código en Visual Basic y los instrumentos integrados con las aplicaciones de Microsoft Excel®, una de las herramienta más conocida en el mundo y además está incluida dentro de las enseñanzas de los cursos de computación, de forma que se pueda desarrollar nuevas funcionalidades y soluciones de operaciones industriales donde 26 los fenómenos de transporte (masa, energía y momentum) se producen (Walkenbach, 2011, p. 134). Sin embargo, obtener la simulación de un proceso, normalmente exige adaptarse a una metodología muy rígida (Caselles, 2008, p. 70), que se basa en tres tipos de estructuras muy utilizadas: Ø Estructura secuencial, que consiste en seguir una sucesión de pasos que siguen un orden predeterminado. Ø Estructura condicional (If-Else), se presenta en un programa o procedimiento que debe escoger una acción o proceso a ejecutar y depende de las condiciones que puedan cumplirse. Ø Estructura repetitiva (For-Next, While-Wend, Do While-Loop), se presenta en un algoritmo cuando se requiere la ejecución de un proceso sucesivamente, hasta que ocurra una condición que permita terminarla. Los programas son funcionales si dialogan con el usuario para ejecutar las simulaciones, un programa de secado de madera se establece de acuerdo con la especie, espesor, humedad de uso y las condiciones térmicas que presta el equipo (Aquino, Rodríguez, Méndez y Sandoval, 2010, p. 35). En los países con elevado desarrollo industrial la simulación es una herramienta que se ha hecho indispensable para el manejo de las empresas y la planeación de la producción, ya que presentan una serie de ventajas como: permitir la predicción de la forma en que el proceso reacciona ante variaciones que pudieran afectar el valor transitorio de flujos, temperaturas y concentraciones, mientras se ejecuta el proceso, para hacer más sencillo los cálculos numéricos (Guerra, 2010, p. 11); facilitan la comprensión de operaciones en un entorno similar al real, en pos de la mejora del proceso (Atencia, 2008, p. 90); posibilitar la verificación cualitativa y cuantitativa de hipótesis y permitir la reproducción económica de procesos costosos como es el caso del secado en las industrias madereras. 27 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1 OBJETIVOS 2.1.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar el efecto de la humedad de las chapas de Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) sobre la calidad del pegado y el contenido de formaldehido libre en tableros contrachapados en la empresa Enchapes Decorativos S.A. 2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Ø Determinar la humedad de chapas de Sande y Pachaco para la fabricación de los tableros contrachapados, que genere las mejores propiedades, tanto de pegado del tablero como el contenido de formaldehido libre. Ø Obtener las ecuaciones de transferencia de calor y masa que describan el proceso de secado continuo en chapas de Sande y Pachaco en la empresa Enchapes Decorativos S.A. Ø Simular el proceso de secado continuo de chapas de Sande y Pachaco con las ecuaciones obtenidas en la empresa Enchapes Decorativos S.A. Ø Obtener el costo de secado de chapas para fabricar tableros contrachapados de 12 y 18 mm que cumpla las normas de pegado del tablero como el contenido de formaldehido libre. 2.2 MATERIALES 2.2.1 REACTIVOS Ø Ácido cromotrópico, grado ACS de pureza ,Merck 28 Ø Ácido sulfúrico, grado ACS de pureza, Fermont Ø Bisulfito de sodio , grado ACS de pureza, Fisher Scientific Ø Cloruro de amonio, grado agrícola, Ø Harina de trigo. Ø Tanino, Colatán GT10, UNITAN. Ø Úrea-formaldehido,CR-600. 2.2.2 EQUIPOS Ø Balanza analítica , OHUAS, 200 g, 0,0001 g Ø Balanza, GIBERTINI, 1700 g, 0,01 g Ø Espectrofotómetro, HACH, modelo DR-2800 Ø Estufa, COLE PARMER, modelo 05015-54 Ø Higrómetro, MINI LIGNO,20 % H2O, 2 % H2O Ø Microondas, GENERAL ELECTRIC, modelo JES769WK Ø Secadero continuo, IRVINGTON MOORE, modelo D7496 Ø Small Scale Chamber (Micro cámara), sin marca. 2.3 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LAS CHAPAS DE SANDE Y PACHACO PARA LA FABRICACIÓN DE TABLEROS CONTRACHAPADOS Para determinar el efecto de la humedad de las chapas de Pachaco (Schizolobium parahybum) y Sande (Brosimun utile) en la calidad de los tableros contrachapados, se desarrolló un diseño experimental factorial 2 3. Se trabajó con dos variables: Tipo de tablero, a dos niveles de espesor: 12 mm y 18 mm, y el contenido de humedad del conglomerado de chapas que conforman el tablero, a tres niveles: 8 %,10 % y 12 %. Cada experimento se realizó por triplicado y en cada caso se determinó la emisión de formaldehido libre y la calidad del pegado o compactación. 29 Las actividades realizadas en esta parte del estudio se enfocaron en la preparación de la chapa, la formulación y aplicación de los adhesivos a las chapas, el prensado de los tableros, la cuantificación de la compactación de los tableros con el método de tres ciclos de remojo, analizando la información con el porcentaje de aprobación al envejecimiento acelerado de la materia, según el método descrito en ANSI/HPVA HP-1 (ANSI, 2004, p. 23). Para finalizar, la cuantificación de las emisiones de formaldehido se realizó con la norma ASTM 6007-02 (ASTM, 2004, p.1). El ordenamiento, almacenamiento de los datos recopilados se realizó con ayuda del programa de Microsoft EXCEL. El análisis estadístico se ejecutó con Minitab 15 para Windows. 2.3.1 CARACTERISTICAS DE LAS CHAPAS PARA ARMAR LOS TIPOS DE TABLEROS ESTUDIADOS Para la integración de los tableros se utilizó chapa torneada de Sande, de 0,87; 1,50 y 2,50 mm de espesor, que se integraron en los tableros como caras, mientras que como almas se usaron chapas de pachaco de 2,50 mm de espesor. Los tableros analizados se conformaron según lo indicado en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Conformación de los tableros contrachapados Sande (caras) Especie Pachaco (almas) Espesor de las chapas (mm) 0,87 1,50 2,50 2,50 Número de chapas que conforman un tablero de 12 mm 2 2 0 3 Número de chapas que conforman un tablero de 18 mm 2 1 2 4 30 Antes de que se realizara cualquier ensayo, fue necesario caracterizar la materia prima, para conocer el contenido de humedad que se requiere eliminar y la densidad de las chapas. Para determinar la humedad inicial de las maderas, se tomaron 3 chapas cortadas en planchas de 20 x 20 cm por especie, espesores, duramen y albura, a estudiar, las cuales fueron pesadas verdes y luego llevadas a un horno de microondas comercial de 700 W a la máxima potencia al 100 %, se monitoreó el secado a intervalos de tiempo de 20 s. En cada intervalo, la plancha se y se retornó al proceso de secado inmediatamente después, hasta que esta tengan un peso constante. El contenido de humedad inicial se calculo a través de la Ecuación 2.1. [2.1] Donde m: Masa del cuerpo en un instante determinado del proceso de secado (g). ms: Masa de la matriz sólida del mismo cuerpo (g). Para determinar la densidad básica se utilizó el peso constante o anhidro y las medidas de las muestras en sus tres direcciones (ancho, largo y espesor), a través de la Ecuación 2.2. [2.2] Donde : Densidad de la madera (g/m3). V: Volumen de las muestras (m3) 31 2.3.2 FABRICACIÓN DEL TABLERO Y EVALUACIÓN DE SUS PROPIEDADAS El procedimiento para la fabricación del tablero contrachapado se basó en el esquema que se muestra en la Figura 2.1 Selección y corte de las chapas de madera Secado de las chapas Preparación de la mezcla encolante Encolado y armado de los tableros Prensado Evaluación de la emisión de formaldehido libre Evaluación de la calidad de pegado Figura 2.1. Procedimiento para la fabricación de tableros contrachapados a escala laboratorio 2.3.2.1 Secado de las chapas Los grupos de chapas que conformaron las probetas tableros de 20 x 20 cm, se secaron en un horno microondas, utilizando para los sucesivos secados la potencia del microondas al 100 %, acondicionándolas a los contenidos de humedad de 8 %,10 % y 12 %, que se midieron con un higrómetro resistivo de puntas. 32 2.3.2.2 Preparación y cantidad de adhesivo aplicado a los tableros contrachapados Para la elaboración de los tableros de 12 y 18 mm de espesor se utilizó resina de úrea-formaldehido. La formulación del adhesivo se preparó de acuerdo a las especificaciones de la empresa donde se realizó el estudio, cuyos componentes y proporciones se indican en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Componentes de mezclado para el adhesivo a base de úrea-formaldehido Componentes Porcentaje en peso Resina úrea-formaldehido 47,50 Solución a base de tanino 10,00 Harina de trigo 17,00 Agua potable 24,75 Cloruro de amonio 0,75 TOTAL 100,00 La mezcla encolante se efectuó bajo la acción permanente de un agitador, agregando sobre el adhesivo parte del agua, luego los sólidos y el tanino, para finalizar con el catalizador disuelto en el resto del agua. El adhesivo se aplicó a las almas por las dos superficies en una cantidad de 180 gr/m2, que se controló por diferencia de peso. 2.3.2.3 Prensado de los tableros El prensado de los tableros se realizó en una prensa hidráulica calentada con resistencias eléctricas, se aplicó la presión de los platos sobre el tablero en dos fases, una presión mayor al inicio del prensado y posteriormente se redujo la intensidad de la presión. En Tabla 2.3 se indican los tiempos y presiones de las fases de prensado según el espesor del tablero, así como la temperatura que se utiliza en el proceso industrial de la empresa. 33 Tabla 2.3. Parámetros utilizados durante el prensado establecido para el control de calidad en la empresa Enchapes Decorativos S.A. TEMPERATURA DE PRENSADO (°C) 100 PRESIÓN (kg/cm2) FASE 1 FASE 2 200 130 ESPESOR DEL TABLERO (mm) TIEMPO DE PRENSADO (min) FASE 1 FASE 2 12 8 4 18 10 4 2.3.2.4 Evaluación de la emisión de formaldehido De los tableros fabricados para evaluar la concentración del formaldehido libre se lijaron y cortaron 3 muestras de 9,3 X 9,3 cm cada una, a las que se recubrió los lados laterales con una capa de parafina, luego fueron colocados en una habitación a condiciones controladas de temperatura (24 °C relativa (50 % 3 °C) y humedad 5 %) durante 7 días. Posteriormente, las muestras fueron colocadas en la micro cámara que se aprecia en la Figura 2.2, en donde aire acondicionado circuló sobre todas las muestra por 120 min y burbujeó durante 30 min en una solución que contuvo 20 mL de bisulfito de sodio al 1 %. De la solución con el formaldehido que liberó el tablero, se tomó 4 mL en un tubo de ensayo para el desarrollo del compuesto coloreado con la adición de 1 mL de ácido cromotrópico al 1 % y 6 mL de ácido sulfúrico concentrado, completándose la reacción en un baño de agua hirviendo por 15 ± 2 min. Se dejó que se enfríe a temperatura ambiente y a oscuras, finalmente se determinó la absorbancia de la solución en el espectrofotómetro a =580 nm. La concentración de formaldehido, se obtuvo a partir de la curva de calibración para el uso del espectrofotómetro y los valores se ajustaron de acuerdo con los factores de temperatura y humedad relativa que reportó el equipo (ASTM, 2004, p. 6). 34 Figura 2.2. Micro cámara para evaluar el formaldehido libre en los tableros contrachapados con la norma ASTM 6007-02 2.3.2.5 Evaluación del pegado Las características de pegado del tablero se determinaron con la prueba estándar de tres ciclos de remojo. Se cortaron 3 probetas de cada caso, con dimensiones de 127,00 mm por 50,80 mm (5 pulgadas por 2 pulgadas), estas muestras permanecieron en agua a 24 °C 3 °C durante 4 horas y luego se secaron a una temperatura entre 49 y 52 °C durante 19 horas, con circulación de aire suficiente para rebajar el contenido de humedad, el ciclo se repitió tres veces. Se consideró que una muestra no cumple la prueba cuando la deslaminación entre dos capas es mayor que 50,80 mm de longitud, 6,40 mm de profundidad en 35 cualquier punto y 0,08 mm de ancho. Para que una muestra se considere aprobada, el 95 % de las muestras individuales deberán aprobar el primer ciclo y el 85 % de las muestras deben pasar el tercer ciclo (ANSI, 2004, p. 23). 2.4 OBTENCIÓN DE LAS ECUACIONES DE TRANSFERENCIAS DE CALOR Y MASA QUE DESCRIBAN EL PROCESO DE SECADO CONTINUO EN CHAPAS DE SANDE Y PACHACO 2.4.1 RECOPILACIÓN DE DATOS DEL SECADERO IRVINGTON MOORE El proceso industrial que se realiza en la empresa Enchapes Decorativos S.A para elaborar tableros contrachapados, está conformado por: recepción de materia prima, laminado donde se obtiene las chapas; secado de las chapas en un secadero industrial continuo; encolado para unirse a las caras y armar el tablero; prensado donde se produce el pegado de las chapas; línea de terminado (corte y lijado) y control del pegado de tablero y la emisión de formaldehido libre. En esta parte del estudio se recopiló información del equipo de secado, en aspectos como las dimensiones de la cámara, características y diseño de los sistemas de circulación de aire, características y diseño del sistema de calentamiento, regulación y control del proceso de secado. Esto se realizó mediante la toma de medidas físicas de la cámara y datos que proporcionaron el personal encargado de supervisar el secado en la empresa. 2.4.2 FORMULACIÓN DE CORRELACIONES DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO Y VENTILACIÓN Las correlaciones se desarrollaron con base en la suposición que el sistema esta gobernado por los fenómenos de transporte de energía térmica, para llegar a su formulación se utilizan los balances de materia, energía y cantidad de movimiento para sistemas, se tuvo en cuenta las siguientes consideraciones: 36 1. Los flujos se desarrollan en régimen turbulento, por lo que el mecanismo de transferencia de calor que predomina, es la convección. El calor transferido al aire puede escribirse con la Ecuación 2.3 (McCabe, Smith, y Harriott, 1998, p. 504). [2.3] Donde: U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2.ºC) A: Área de transferencia de calor (m2) : Variación de temperatura (K) El coeficiente global de transferencia de calor, se calcula mediante la siguiente Ecuación 2.4 (Incropera y DeWitt, 2002, p 681). [2.4] Donde: : Coeficiente interno de transferencia de calor (W/m 2.ºC) : Coeficiente externo de transferencia de calor (W/m2.ºC) : Área interior de los tubos (m2) η : Eficiencia de la aleta : Área exterior de los tubos (m2) : Conductividad del tubo (W/m.°C) Las disposiciones de los banco de tubos constan de múltiples filas de tubos, el área de transferencia de calor se obtuvo con la Ecuación 2.5. 37 [2.5] Donde: Longitud de los tubos (m) : Números de tubos en el banco : 2. Las correlaciones para el cálculo del coeficiente de convección en banco de tubos, se desarrollaron con base en los números adimensionales de Nusselt (Nu), Reynolds (Re) y Prandtl (Pr), de los fluidos involucrados, mediante las Ecuaciones 2.6; 2.7; 2.8. [2.6] [2.7] [2.8] Donde: : Conductividad del fluido (W/m.°C) : Viscosidad del fluido (kg/m.s) : : : 3. Capacidad calorífica del fluido (J/kg.°C) Longitud característica (m) Coeficiente de transferencia de calor (W/m2.ºC) El proceso se analiza en régimen estacionario, ya que el secado se efectúa cuando el equipo mantiene la temperatura en el interior constante. 4. Las pérdidas de calor al medio ambiente son despreciables. 5. El vapor de agua circula por dentro de los tubos y el aire se mueve sobre los tubos con flujo cruzado. 38 La cantidad del vapor se determinó mediante las características de las válvulas que regulan el flujo de entrada con la Ecuación 2.9 (Guerra, 2007, p. 192). [2.9] Donde: : Coeficiente de flujo de la válvula de control : Presión del fluido antes de ingresar a la válvula (psi) : Presión del fluido después de pasar por la válvula (psi) : Flujo másico del vapor (kg/s) El flujo de aire que atraviesa los tubos es impulsado por ventiladores que transmiten energía para generar la presión necesaria para mantener un flujo continuo de aire. Esta energía se calcula a partir de la altura de bomba la cual se determinó usando la Ecuación 2.10, misma que se obtiene a partir del desarrollo del teorema de Bernulli. [2.10] La Ecuación 2,11 se aplica para determinar la potencia de los ventiladores. [2.11] El flujo de aire se determinó con la Ecuación 2.12, de la continuidad de la materia (Guerra, 2010, p. 147). [2.12] Donde: : Altura de bomba (m) 39 : Constante de gravedad (m/s2) : Velocidad del aire (m/s) Flujo másico del aire (kg/s) : Densidad del aire (kg/m3) : Área del ventilador (m2) : 6. El vapor entrega al aire todo el calor latente que contiene, por la presencia de trampas de vapor. El calor que pierde el vapor esta dado por la Ecuación 2.13, que describe la cantidad de calor necesaria para vaporizar o condensar una masa dada de un fluido a la temperatura de saturación (Bravo y López, 2009, p. 521). [2.13] Donde: : Flujo de calor (J/s) : Calor latente de vaporización (J/kg) Los datos que se conocen son: Ø La presión con la que el vapor ingresa a la cámara, las características de la válvula que controla la entrada del flujo, la potencia de los ventiladores que mueven el aire y además los datos constructivos de todos los equipos. Ø La temperatura del aire al interior del secadero. 2.4.3 FORMULACIÓN DE CORRELACIONES DEL SECADO El desarrollo del modelo para la descripción matemática del fenómeno de transporte del secado de chapas de madera, en el interior del secadero continuo, 40 se desarrolló con base en los balances de materia y energía, al tomar en cuenta las siguientes consideraciones: Ø El proceso se analiza en régimen transitorio, para el calentamiento y la disminución del contenido de humedad de la madera húmeda, porque tiene lugar en el tiempo antes de alcanzar el equilibrio con las condiciones que brinda el equipo. Ø El flujo de aire se desarrolla en régimen turbulento, por lo que el mecanismo de transferencia de calor que predomina es la convección forzada y la fuerza motriz es la diferencia que existe entre la temperatura del cuerpo a secar y la temperatura de aire. Ø El aire seca las chapas con un flujo perpendicular a las dos superficies, condición que proporciona la ventilación por toberas. Ø Las propiedades termofísicas son constantes en todo el proceso. Ø El secado se realiza a temperatura superior al punto de ebullición del agua, por lo que la eliminación superficial del agua es función de la temperatura que alcance la madera húmeda, a la vez que, el agua interna migra desde el interior al exterior de la madera por el mecanismo de difusión. Ø La migración de humedad desde el centro del sólido hasta su superficie se aproxima a lo que ocurriría en una placa semi-infinita, por lo que el agua se conduce unidimensionalmente en la dirección del espesor. Ø Se utiliza la ecuación de Fick para describir el fenómeno de difusión, establecida a partir de las ecuaciones diferenciales de la conservación de masa para un volumen de control. Ø El coeficiente de difusión es constante. Ø El gradiente de temperatura en los sólidos es despreciable, por lo que, la temperatura en la madera es uniforme en cualquier tiempo. Ø Los cambios en las dimensiones de la madera al secarse se consideran despreciables. Ø Las condiciones de borde para este caso consideran como primer punto de referencia la superficie de una placa semi-infinita (C.F.1). La segunda condición de frontera, considera la geometría del sólido, tomando como referencia el centro de la placa semi-infinita (C.F.2). 41 Ø La capa límite entre el sólido y el aire de secado es permeable. Ø Las ecuaciones diferenciales parciales, se transforman en ecuaciones diferenciales ordinarias mediante aproximaciones numéricas que representan los cocientes diferenciales de primero y segundo orden. 2.5 SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SECADO CONTINUO DE CHAPAS DE SANDE Y PACHACO CON LAS ECUACIONES OBTENIDAS La resolución de las relaciones fenomenológicas del proceso se desarrolló en el programa Visual Basic Applications®, a partir de la elaboración de un diagrama de flujo ANSI del proceso iterativo de integración numérica. La integración numérica se realizó por medio del método de diferencias finitas, en un tiempo de simulación de 0 a 900 s y un intervalo de integración de 0,001 s. 2.5.1 PARÁMETROS QUE EL USUARIO DE LA SIMULACIÓN ESTABLECE PARA EJECUTAR EL PROGRAMA Los programas de secado para las chapas de Sande y Pachaco que se utilizan para armar los tableros contrachapados en este estudio, se determinaron a partir de fijar los siguientes parámetros: Ø Temperatura de las chapas con las que ingresa al secadero industrial Ø Humedad inicial de las chapas de la madera en base seca Ø El espesor de las chapas Ø La humedad final al salir del secadero Ø La velocidad de avance de la chapa en el secadero industrial Con las simulaciones se determinó el coeficiente de difusividad del agua en la 42 madera y para cada caso la curva de secado, el periodo de secado, el gradiente de humedad en el interior de la madera y el tiempo de secado. 2.5.2 VERIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN Para verificar que la información obtenida mediante la simulación es correcta, se utilizaron datos conocidos por la empresa, que se muestran en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Velocidad de avance requerido en el secadero Irvington Moore para alcanzar humedad final del 6 % de las chapas de maderas 2.6 Especie Espesor de la chapa (mm) Velocidad de avance por el equipo m/min Sande 0,87 4,50 Sande 1,50 3,50 Sande 2,50 2,00 Pachaco (duramen) 2,50 1,20 Pachaco (albura) 2,50 1,00 OBTENCIÓN DEL COSTO DE SECADO DE CHAPAS PARA FABRICAR TABLEROS CONTRACHAPADOS EN LA EMPRESA ENCHAPES DECORATIVOS S.A. El análisis económico del estudio se realizó con base en las humedades del conjunto de chapas que cumplen los parámetros de calidad de los tableros y los tiempos que se requieren para secarlas, los cuales se obtuvieron de la simulación del proceso de secado continuo. Otros datos que permitieron realizar los cálculos y que fueron proporcionados por la empresa son: 43 Ø El costo del vapor es de 12,50 USD/Ton. Ø La producción mensual de los tableros de 12 mm, es de 780 m3. Ø La producción mensual de los tableros de 18 mm, es de 900 m 3. Ø Las trozas de pachaco tienen un tiempo de corte de 17 años, con diámetros aproximados del duramen de la mitad de todo el tronco, por lo que, se consideró que del total de almas para cumplir con la producción, el 50% proviene del duramen y lo restante de la albura. 44 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 PROPIEDADES DE LAS CHAPAS 3.1.1 HUMEDAD INICIAL DE LAS CHAPAS En la Tabla 3.1 se presentan los resultados de la humedad inicial de las especies madereras utilizadas para armar los tableros contrachapados. Tabla 3.1. Humedad inicial de las maderas Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) ESPECIE HUMEDAD DESVIACIÓN COEFICIENTE DE ESTANDAR (%) VARIACIÓN (%) (base seca) (%) Sande 65,42 1,03 1,57 Pachaco (albura) 144,82 4,35 3,02 Pachaco (duramen) 104,22 1,69 1,61 Como se puede observar las chapas de Sande presentan 65,42 % de contenido de humedad respecto a su peso seco. Los resultados se asemejaron con lo establecido por Silva (2008, p. 42) que reporta humedad en base seca en un rango desde 63,00 % hasta 95,00 %. En las chapas de Pachaco, puede verse dos contenidos de humedad inicial, por lo que es necesario indicar que tiene relación con la parte estructural de las trozas, es así que, las muestras con 144,82 % de humedad, son de las primeras láminas de la troza desenrollada, por lo que se puede afirmar que las piezas analizadas se tomaron de la albura. Mientras que las otras muestras del centro o curro, que se lamina con maquinaria que trae usillos más finos, es decir, con gran certeza que las piezas analizadas se tomaron del duramen, tienen un contenido de humedad de 104,22 %. No se encontraron valores comparativos de la humedad de Pachaco para duramen y albura específicamente. 45 3.1.2 DENSIDAD BÁSICA DE LA MADERA En la Tabla 3.2, se presenta la densidad básica de las dos especies madereras utilizadas para fabricar los tableros contrachapados. Tabla 3.2. Densidad básica de las maderas Sande (Brosimun utile) y Pachaco (Schizolobium parahybum) ESPECIE DENSIDAD BÁSICA (kg/m3) DESVIACIÓN ESTANDAR ERROR RELATIVO PORCENTUAL (%) Sande 522,46 30,14 5,77 Pachaco 331,88 16,75 5,05 Como se puede observar la densidad del Sande es de 522,46 kg/m3. Mientras la densidad básica del Pachaco es 331.88 kg/m3. Los resultados obtenidos de densidad del Sande se asemejaron con lo establecido por Silva (2008, p. 42) que reporta una densidad básica entre 460 kg/m3 y 690 kg/m3. Mientras los resultados obtenidos de la densidad del Pachaco se encuentran dentro del rango establecido por (Rosales y Suhartono, 1999, p. 16) que reporta una densidad básica entre 280 kg/m3 y 350 kg/m3. Los datos que permitieron obtener las propiedades de las maderas estudiadas se pueden observar en el Anexo I, así como los cálculos necesarios. 3.2 CALIDAD DE LOS TABLEROS CONTRACHAPADOS 3.2.1 PEGADO O COMPACTACIÓN DE LOS TABLEROS En la Figura 3.1, se presentan los resultados de evaluación de adhesión del pegamento, con la norma ANSI HPVA HP-1, en los tableros contrachapados de 12 mm y 18 mm, a diferentes contenidos de humedad del conglomerado de chapas que conforman los tableros de contrachapados. Aprobación del pegado de los tableros (%) 46 120 100 80 60 40 20 0 Humedad de la madera de 8% Humedad de la madera de 10% Tablero de 12 mm Humedad de la madera de 12% Tablero de 18 mm Figura 3.1 Resultados del análisis de pegado con la norma ANSI HPVA HP-1 Como se puede observar la variación del contenido de humedad del conglomerado de chapas no evidenció una influencia negativa en esta propiedad al no presentarse delaminaciones en el plano encolado en los tableros ensayados más allá del límite admisible el cual está explicado en el numeral 2.3.2.5, obteniéndose así los valores del 100 % de aprobación al tratamiento de los tres ciclos de remojo. Los resultados de los ensayos realizados se presentan en el Anexo II. Los buenos resultados obtenidos indican que las condiciones con las que fueron elaborados los tableros analizados fueron apropiadas para lograr una eficiente interrelación entre las características de la mezcla encolante a base de úrea formaldehido, la temperatura y presión que se generan en la prensa para polimerizar el adhesivo y la humedad que contienen las chapas de madera. Si el control de los parámetros mencionados fuera deficiente, se generaran tableros con juntas abiertas, es así que Zavala y Valdivia (2004, p. 48) indican que tableros fabricados con exceso de humedad presentan en la línea de pegamento separación de las chapas, lo que indica que el adhesivo no se polimerizó debido a 47 que la temperatura y presión no fueron la suficientemente alta para reducir la presión de vapor y permitir un fraguado total del adhesivo. Los equipos con los que fueron elaborados los tableros se pueden observar en el Anexo III Por lo anterior, se concluye que respecto a las características de pegado se pueden fabricar tableros de 12 mm y 18 mm con el conjunto de chapas con un contenido de humedad de hasta el 12 %, lo que implica un menor costo en el secado de las chapas. 3.2.2 EMISIÓN DE FORMALDEHIDO En la Figura 3.1, se presenta los resultados de los contenidos de formaldehido libre promedio bajo la norma ASTM D 6007-02 (Anexo IV), en los tableros de 12 y 18 mm, a diferentes contenidos de humedad del conglomerado de chapas que los conforman. 0,060 Emisión de formaldehido (mg/L) 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000 Humedad de la madera de Humedad de la madera de Humedad de la madera de 8% 10% 12% Tablero de 12 mm Tablero de 18 mm Figura 3.2. Resultados del análisis de formaldehido libre con la norma ASTM D 6007-02 48 Como se puede observa, un menor contenido de humedad de las chapas generó una menor emisión de formaldehido libre en los tableros, también se aprecia que las emisiones de los tableros de 12 mm son menores que los de 18 mm, en los tres contenidos de humedad del conjunto de chapas que se analizaron y conforme este parámetro aumenta, la diferencia entre los dos tipos de tableros es mayor. La razón para que emisión de formaldehido sea mayor en los tableros de 18 mm, es que para alcanzar su espesor se esparce la mezcla encolante con formaldehido en cuatro almas, mientras que en los tableros de 12 mm en las tres almas que los conforman. Mientras que el aumento de emisión de formaldehido al aumentar la humedad de la madera puede deberse a que la resina durante el proceso de prensado sufre una degradación hidrolítica, ya que se producen dos reacciones simultanea; la formación de las cadenas entrecruzadas con desprendimiento de moléculas de agua y la hidrólisis con desprendimiento de formaldehido, si bien en una pequeña proporción, esta aumenta si la madera posee una mayor cantidad de humedad como lo indica Estévez (2012, p 18). En las Figuras 3.3 y 3.4 se presenta los gráficos de cajas y bigotes para los valores de emisión de formaldehido obtenidos para los tableros de 12 mm y 18 mm respectivamente, conformados por un conglomerado de chapas a humedades de 8 %, 10 % y 12 %. Los diagramas de caja describen al mismo tiempo varias características importantes de un conjunto de datos, tales como el centro, la dispersión, la simetría o asimetría y la identificación de observaciones atípicas y representa los tres cuartiles, y los valores mínimo y máximo de los datos sobre un rectángulo alineado verticalmente. Para cada caso el rectángulo delimita el rango intercuartílico con la arista inferior ubicada en el primer cuartil, y la arista superior en el tercer cuartil, cuartiles que indica los valores entre los cuales se encuentran el 50 % de los datos (Marín, 2006, p. 13). 49 Emisión de Formaldehido (mg/L) 0,0400 0,0375 0,0350 0,0325 0,0300 0,0275 0,0250 8 10 12 Contenido de humedad del conglomerado de chapas(%) Figura 3.3. Gráfico obtenido del análisis estadístico de la emisión de formaldehido libre de los tableros de 12 mm Como puede verse en la Figura 3.3, la mediana de la humedad de la madera al 8 % es 0,027 y el rango intercuartil es de 0,027 a 0,030, mientras la mediana de la humedad de la madera al 10 % es 0,034 y el rango intercuartil es de 0,032 a 0,035 y la mediana de la humedad de la madera al 12 % es 0,039, y el rango intercuartil es de 0,037 a 0,040. Emisión de formaldehido (mg/L) 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 8 10 12 Contenido de humedad del conglomerado del chapas (%) Figura 3.4. Gráfico obtenido del análisis estadístico de la emisión de formaldehido libre de los tableros de 18 mm 50 En la Figura 3.4, se puede observar que la mediana de la humedad de la madera al 8 % es 0,031 y el rango intercuartil es de 0,029 a 0,033, mientras la mediana de la humedad de la madera al 10 % es 0,04 y el rango intercuartil es de 0,037 a 0,042. Y la mediana de la humedad de la madera al 12 % es 0,048 y el rango intercuartil es de 0,047 a 0,052. Respecto a lo establecido en la normas para la emisión de formaldehido establecidas por la CARB, en la que para tableros contrachapados, se fija un valor límite de formaldehido libre de 0,05 mg/L, si el cuartil superior es menor al valor límite se puede afirmar que cumple la norma CARB. Por lo anteriormente dicho se puede apreciar que todos los tableros de 12 mm evaluados cumplen con esta disposición, mientras que los tableros contrachapados de 18 mm con 12 % de humedad del conglomerado de chapas, se encuentran sobre al valor límite, con un valor promedio de 0,052 mg/L, por lo que se restringe la elaboración de estos tableros con chapas con este contenido de humedad. Tabla 3.3. ANOVA para los tableros contrachapados de 12 mm Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P Entre grupos 0,00017089 2 8,5444E-05 33,43 0,0006 Intra grupos 1,5333E-05 6 2,5556E-06 Total (Corr.) 0,00018622 8 La Tabla 3.3 presenta el análisis ANOVA de los tableros de 12 mm, que descompone la varianza de los datos en dos componentes: un componente entregrupos y un componente intra grupos. La razón-F, que en este caso es igual a 33,43, es el cociente entre el estimado entre-grupos y el estimado intra grupos. Puesto que el valor-P de la prueba-F, que es 0,0006, es menor que 0,05, existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las 3 variables con un nivel del 95,0 % de confianza. 51 Tabla 3.4. ANOVA para los tableros contrachapados de 18 mm Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P Entre grupos 0,00046867 2 0,00023433 39,79 0,0003 Intra grupos 3,5333E-05 6 5,8889E-06 Total (Corr.) 0,000504 8 La Tabla 3.4 presenta el análisis ANOVA de los tableros de 18 mm, que descompone la varianza de los datos en dos componentes: un componente entregrupos y un componente intra grupos. La razón-F, que en este caso es igual a 39,79, es el cociente entre el estimado entre grupos y el estimado intra grupos. Puesto que el valor-P de la prueba-F, que es 0,0003, es menor que 0,05, existe una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las 3 variables con un nivel del 95,0 % de confianza. La diferencia estadística que presentan los dos tableros estudiados, permite decir que el cambio de una variable afecta a otra. Por lo que se concluye que la humedad de las chapas influye en la emisión de formaldehido. 3.3 MODELADO MATEMÁTICO DE LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE DEL SECADO DE CHAPAS 3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL SECADERO IRVINGTON MOORE En la Figura 3.5 se muestra el diagrama el secadero continuo Irvington Moore que se emplea para el secado de las chapas de madera en la empresa Enchapes Decorativos S.A. El contenido de humedad que se requiere para la manufactura de los tableros contrachapados, se alcanza programando la velocidad de avance de las chapas a través del secadero. SALIDAS DE LAS CHAPAS SECAS DEL SECADERO VENTILADORES HELICOCENTRÍFUGOS BANCOS DE TUBOS ZONA 2 Figura 3.5. Esquema del secadero Irvington Moore ZONA 3 CHIMENEAS SISTEMA DE RODILLOS SISTEMA DE TOBERAS VÁLVULAS QUE CONTROLAN EL INGRESO DEL VAPOR AL SECADERO TRAMPAS DE VAPOR ENTRADAS DE LAS CHAPAS HUMEDAS AL SECADERO TUBERIAS RECOLECTORAS DE AGUA CONDESADA ZONA 1 ENTRADA DEL VAPOR 52 53 Como se puede observar en el esquema del secadero, el sistema de calentamiento está compuesto de: tres válvulas que controlan el ingreso de vapor, lo cual definen las zonas del secadero; cuatro bancos de tubos aleteados; cuatro líneas de tuberías que recolectan el condensado de los dispositivos conocidos como trampa de vapor, cuya función es evacuar los condensados que se producen, puesto que si estos se acumulan no permiten el paso del vapor; siete ventiladores helicuocentrífugos para la circulación de aire, siete chimeneas que cumplen con la función de toma de aire fresco y evacuación de aire saturado de humedad. La parte inferior del secadero, donde se ejecuta el secado, presenta un sistema de rodillos que permite el avance de las chapas a través del secadero y toberas que inyectan el aire caliente sobre las dos superficies de las chapas; los rodillos y las toberas se intercalan a lo ancho del secadero en el sentido perpendicular del avance de la chapa. Posee tres pisos de alimentación manual para las chapas, operación que se procura realizar de forma continua y homogénea. Las dimensiones de este equipo se presentan en la Tabla 3.5. Como se puede apreciar, es un secadero que ocupa un significativo espacio físico, donde el ancho útil, el largo y la velocidad de avance de la chapa determinan la capacidad de producción del equipo. Tabla 3.5. Detalles de construcción del secadero Irvintong Moore PARÁMETROS VALOR (m) Ancho Externo 6,71 Ancho útil 4,88 Largo 14,02 Altura de zona de secado 1,83 Altura zona de calentamiento 2,44 Altura total 4,27 54 3.3.2 MODELADO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO Y VENTILACIÓN En la Figura 3.6 se indica como está dispuesto el sistema de calentamiento indirecto de aire con vapor. Mediante intercambiadores interiores de corrientes cruzadas y la trayectoria que sigue el flujo del aire en el interior del secadero donde el aire se impulsa por ventiladores helicocentrífugos, atraviesa los bancos de tubos que están en el extremo de la cámara donde el aire se calienta para ingresar a las toberas y se impulsa perpendicularmente sobre las chapas de madera. CHIMENEA BANCO DE TUBOS VENTILADOR HELICOCENTRÍFUGO FLUJO DEL AIRE EN EL INTERIOR DEL SECADERO TOBERAS CHAPAS DE MADERA EN EL INTERIOR DEL SECADERO Figura 3.6. Esquema de la trayectoria del flujo de aire en el interior del secadero Irvington Moore En la Tabla 3.6 se observan las condiciones de operación y los valores de los parámetros geométricos del sistema de calefacción del secadero Irvintong Moore, utilizados para generar las condiciones térmicas en el secado de las chapas de madera. 55 Tabla 3.6. Parámetros de operación del sistema de calefacción del secadero Irvintong Moore CONDICIONES DE OPERACIÓN ESPECIFICACIONES Fluido por el exterior de los tubos aire Potencia de los ventiladores 20 hp 14 914 W Diámetro del ventilador 3 ft 0,91 m Fluido por el interior de los tubos vapor 20,9 17,89 Coeficiente de flujo de la válvula Presión a la entrada de la válvula 200 psi 13,79 Bars Presión a la salida de la válvula 195 psi 13,44 Bars Número de tubos 108 Longitud de los tubos 13 ft 3,962 m Diámetro exterior de los tubos 1,25 in 0,0317 m Diámetro de las aletas de los tubos 2 in 0,051 m Material de los tubos Acero al carbón Calibre de los tubos 14 BWG Arreglo de los tubos triangular La Figura 3.7 indica que la transferencia de calor se produce desde el vapor saturado a alta presión (fluido caliente) hacia el aire de tiro forzado (fluido frío). FLUJO DE VAPOR FUJO DEL AIRE PERPENDICULAR A LOS TUBOS Figura 3.7. Esquema de la trayectoria del flujo de aire a través de los tubos del secadero Irvington Moore 56 Para este caso, el balance másico de vapor que ingresa al equipo, se establece de la siguiente forma: [3.1] La expresión se interpreta como el agua que ingresa al sistema en forma de vapor es igual al agua que sale en forma de condensado mediante las características de las válvulas que regulan el flujo de entrada con la Ecuación 2.9. El flujo de aire que atraviesa los tubos es impulsado por ventiladores que transmiten energía para generar la presión necesaria para mantener un flujo de aire. Esta energía se calcula a partir de las Ecuaciones 2.10, 2.11, 2.12. Del balance de energía en el sistema que se observa en la Figura 3.7, se establece la expresión 3.2. [3.2] El calor que pierde el vapor esta dado por la Ecuación 2.13 y el calor que gana el aire puede escribirse con la Ecuación 2.3. Para determinar el coeficiente de convección externo, es decir, del aire que circula a través de los tubos aleteados, se utilizó la Ecuación 3.3 (Pysmennyy, Polupan, Carvajal, y Sánchez, 2010, p. 19). [3.3] Donde el coeficiente C1 y el exponente n, son funciones de los parámetros geométricos del banco de tubos aletados. En la Figura 3.8 se presenta el esquema de la disposición de los tubos aleteados en el secadero Irvington Moore. 57 S1=2,5in A I R E S2=2,5in Da=2in α=0,05in De=11/4in Sa=0,1in Figura 3.8. Esquema de la disposición de los tubos aleteados del secadero Irvington Moore Como se puede observar se trata de un banco de tubos con arreglo triangular donde tanto el paso longitudinal (S2) como el paso transversal (S1) son iguales, también se aprecian las dimensiones físicas de la aleta anular y de los tubos. Las Ecuaciones 3.4 y 3.5, determinan el coeficiente C1 y el exponente n. [3.4] [3.5] El coeficiente aleteado (Ψ), se obtiene aplicando la Ecuación 3.6. [3.6] Donde: : Diámetro de la aleta anular (m) : Diámetro externo del tubo (m) 58 : Separación entre aletas (m) Espaciamiento de la aleta (m) : Mientras para el valor de , se aplica la Ecuación 3.7. [3.7] Donde: : Separación transversal medidas entre los centros de los tubos (m) : Separación longitudinal medidas entre los centros de los tubos (m) Para el fluido que circula por el interior de los tubos (vapor saturado), se utilizó la expresión para el flujo turbulento completamente desarrollado en tubos, donde coeficiente de convección, se calcula según la Ecuación 3.8 (Moncada, 2011, pp. 94-98). [3.8] Donde: : Conductividad térmica del líquido (W/m.°C) : Diámetro interno del tubo (m) : Densidad del líquido (Kg/m3) : Densidad del vapor (Kg/m3) Las correlaciones para el números de Nusselt (Nu), Reynolds (Re) y Prandtl (Pr), se calcula mediante las Ecuaciones 2.6; 2.7; 2.8. Como es conocido la transferencia de calor se incrementa con el uso de aletas, tal como las que presentan los tubos del banco analizado, por lo que se determinó el rendimiento de una aleta al comparar la transferencia de calor con aleta con la que se obtendría sin aleta, como se muestra en la Ecuación 3.9 (Holman, 1998, p. 32). 59 [3.9] Un ejemplo del cálculo de este parámetro se puede apreciar en el Anexo V. 3.3.3 MODELADO DEL SECADO DE CHAPAS 3.3.3.1 Transferencia de calor en las chapas En la Figura 3.9 se muestra un esquema de la tobera, donde el aire salen perpendicular por los orificios de las toberas siendo desviadas por las chapa en una dirección paralela a ellas. SALIDA DEL AIRE DE LA TOBERA 5mm ENTRADA DE AIRE CALIENTE A LA TOBERA ORIFICIO DE SALIDA DEL AIRE CHAPA DE MADERA Figura 3.9. Diagrama de la trayectoria del flujo de aire caliente por la tobera del secadero Irvington Moore Del balance de energía en la madera se obtiene la Ecuación 3.10. 60 [3.10] El calor que ingresa a la madera, matemáticamente por el mecanismo de convención forzada se puede determinar con la Ecuación 3.11 (Heiko et al, 2010, p. 125). [3.11] Donde: : Flujo de calor que ingresa a la madera (J/s) : Temperatura del aire (K) : Temperatura de la madera (K) : Superficie de contacto de las chapas de madera (m) La superficie de contacto que se calcula con la Ecuación 3.12. [3.12] Donde: : Longitud del secadero (m) : Ancho de las chapas (m) : Pisos de entrada de chapa en el secadero El coeficiente de convección se determina con la Ecuación 3.13, que propone (McCabe, Smith, y Harriott, 1998, p. 834) para flujo de aire perpendicular a la superficie. [3.13] Donde: 61 Coeficiente de convención de secado (W/m2.°C) : Velocidad másica del aire (kg/h.m2) : El secado de la chapa a altas temperaturas se produce en tres partes zonas o partes, una zona de calentamiento el incremento de energía del sistema aguamadera está relacionado por la Ecuación 3.14. En la siguiente zona de la temperatura de la chapa permanece constante, pero el contenido de humedad disminuye a una velocidad constante hasta que se evapora toda el agua no ligada de la madera; en la última zona de secado la temperatura de la chapa aumenta, la energía se acumula en la madera y permite alcanzar la temperatura del aire, fase en donde la Ecuación 3.14 también representa el fenómeno. [3.14] Donde: Masa de la madera húmeda (kg) : : : Capacidad calorífica de sistema madera-agua (J/kg.°C) Temperatura de la madera húmeda (°C) 3.3.3.2 Transferencia de masa en las chapas Para realizar el balance de humedad se considera a cada chapa de madera como una placa plana semifinita, tal como se muestra en la Figura 3.10. Para este caso, el principio de conservación en el volumen diferencial, de espesor , se escribe de la siguiente forma: [3.15] 62 GRADIENTE DE HUMEDAD AIRE QUE SALE DE LAS TOBERAS AIRE QUE SALE DE LAS TOBERAS e e+de Volumen diferencial de control e=E/2 C.F.1 e=0 e=E/2 C.F.2 C.F.1 Figura 3.10. Perfiles de humedad de una placa semi finita en la transferencia de masa hacia el exterior del cuerpo Esta ecuación literal puede escribirse matemáticamente de la forma que se indica en la Ecuación 3.16. [3.16] Donde: : Flujo difusivo (kg/s.m2) : Área de flujo (m2) : Concentración del agua en la madera : Espesor de las placa (m) Para placas planas, el área de flujo se mantiene constante, con esta simplificación, se obtiene la Ecuación 3.17. [3.17] 63 El modelo de secado se basa en la Ecuación 3.18, conocida como ecuación de Fick para condiciones de flujo constante (Holman, 1998, p. 423). [3.18] Donde: : Coeficiente de difusión másica (m2/s) El cual se asume constante. Sustituyendo la Ecuación 3.17 en la Ecuación 3.18 se obtiene la Ecuación 3.19. [3.19] Se observa que la Ecuación 3.19, es una ecuación diferencial parcial no lineal y describe la difusión del agua a través de una lámina plana de pequeños espesores, para resolverla se aplicó el método de aproximaciones finitas (Guerra, 2009, p. 75). El aproximante para la primera derivada es: [3.20] El aproximante para la segunda derivada es: [3.21] En estos aproximantes los superíndices indican tiempo presente cuando se usa t, y tiempo futuro, a un intervalo (t+ de tiempo después del tiempo t, cuando se usa ), mientras que los subíndices j representan posición de un nodo j a lo largo 64 del espesor; (j+1) representa la posición de un nodo situado a una distancia adelante del nodo j, y (j-1) representa la posición de un nodo situado un atrás del nodo j. De reemplazar las Ecuaciones 3.20, 3.21 en la Ecuación 3.19, se obtiene la ecuación 3.22, a partir de la cual, de los valores que se designe a y se genera un sistema de ecuaciones a resolver. [3.22] 3.3.4 Condiciones iniciales y de frontera Para la solución del sistema de ecuaciones, se requiere de condiciones iniciales y condiciones de frontera físicas, que deben definirse matemáticamente en función de las variables a determinar (temperatura y potencial de humedad), con el fin de obtener resultados que se aproximen a las condiciones reales. Las condiciones iniciales del problema establecen el perfil de temperatura y de humedad al inicio del secado sólido. Si considera la longitud del secadero (Z). ; También se considera a las chapas en todo su espesor (e). ; Las condiciones de frontera se refieren a la humedad en un instante t, en el centro (C.F.2) y en la superficie de las chapas de madera (C.F.1), tal como se observa en la Figura 3.10. 65 Así la C.F.1, surge del balance de masa en la superficie expuesta al agente secador (aire caliente), es decir, en una interface sólido-gas, por lo que la extracción de humedad, se establece con la Ecuación 3.23. [3.23] La humedad cedida por el sólido se determina con la Ecuación 3.24. [3.24] Donde: Flujo de agua que se remueve de las superficie de la madera (kg/s) : : Masa de la madera húmeda (kg) Fracción de agua en la superficie de las chapas : La humedad retirada por el aire en condiciones donde la temperatura del cuerpo húmedo es menor a la temperatura de ebullición del agua, se encuentra con la Ecuación 3.25. [3.25] Donde: : : : Flujo másico del aire (kg/s) Humedad inicial del aire en términos de humedad relativa Humedad del aire a la salida en términos de saturación relativa El fenómeno que domina el secado es la saturación relativa del aire, para su resolución se utiliza la Ecuación 3.26 (Sogari el at, 2005, p. 4). 66 [3.26] Donde: : Presión atmosférica (atm) : Presión de vapor de agua a la temperatura de la madera (atm) La presión de vapor está en función de la temperatura de la madera húmeda y se calcula con la Ecuación 3.27. [3.27] La humedad retirada por el aire en condiciones donde la temperatura del cuerpo húmedo es mayor o igual a la temperatura de ebullición del agua, se determina con la Ecuación 3.28. [3.28] Donde: : Calor latente de evaporación a presión atmosférica de Quito (J/kg) Mientras el flujo de calor que se trasmite a la madera húmeda ( ), se determina con la ecuación 3.14. La C.F.2 para el nodo en el centro de las chapas se considera, esto es lo más común, cuando e=0 el valor de la frontera 2 se muestra en la Ecuación 3.29. [3.29] Esta condición frontera considera la geometría del sólido, tomando como referencia el centro de la placa donde no existe gradiente de concentración. 67 3.4 SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SECADO 3.4.1 DIAGRAMA DE FLUJO ANSI DEL ALGORITMO DE INTEGRACIÓN DEL MODELADO MATEMÁTICO En la Figura 3.11 se presenta simbólicamente el algoritmo de simulación del proceso de secado en un diagrama de flujo ANSI, en el cual se muestran los parámetros que no cambian durante la ejecución del programa y, los factores que varían de acuerdo a las correlaciones funcionales predeterminadas. INICIO Espesor de las chapas (e) Humedad inicial de las chapas (Xi) Humedad final de las chapas (Xf) Temperatura inicial de la madera (Ti) Especie maderera Velocidad de paso por el secadero (Vp) especie=1 SANDE Difusividad del Sande (Ds) Densidad del Sande (ρs) especie=2 PACHACO Difusividad del Pachaco (Dp) Densidad del Pachaco (ρp) Propiedades de la madera. Propiedades del agua que contiene la madera. Parámetros constructivos del secadero. Propiedades de vapor saturado. Propiedades del aire. T=0,Tmax,∆T α Z<6 Q=UA(Tv-Ta) ∆Z=v_p*∆T Z=Z+∆Z 6<=Z<10 Q=UA(Tv-Ta) 10<=Z<=14 Q=UA(Tv-Ta) Figura 3.11. Diagrama de flujo para simular el secado de chapas de madera 68 j=1, jmax, ∆j X=Xi ∆e=e/(2*jmax) TM<tsat TM>=tsat mw=<0 mw>0 TM=tsat α Despliegue de resultados FIN Figura 3.11. Diagrama de flujo para simular el secado de chapas de madera (continuación) Como se puede observar en la Figura 3.11, el diagrama tiene una estructura de flujo condicional en la que el programa debe ejecutar una acción, según de los valores ingresados por el usuario. También se aprecia un flujo repetitivo que requiere la ejecución sucesiva de un proceso por un número determinado de veces, hasta alcanzar la condición que permita terminar el ciclo. 69 En el Anexo VI se muestra el programa en lenguaje BASICTM que ejecuta el algoritmo representado. 3.4.2 COEFICIENTE DE DIFUSIÓN En la Tabla 3.7 se presentan los coeficientes de difusión de las dos especies madereras que se utilizan para fabricar los tableros contrachapados y que permiten al programa de simulación del proceso, ajustar los tiempos de secado del material a los tiempos que se registran en el proceso real, que se controla con los equipos que se pueden observar en el Anexo VII. Mientras el uso y funcionamiento del programa de simulación se indica en el Anexo VIII. Tabla 3.7. Coeficientes de difusión de las maderas Sande (brosimun utile) y Pachaco (schizolobium parahybum) en las condiciones térmicas del secadero Irvington Moore ESPECIE COEFICIENTE DE DIFUSIÓN (m2/s) Sande Pachaco Como se puede observar en los datos de la Tabla 3.7, el coeficiente de difusión es una propiedad característica de cada especie, la madera de Sande tiene una mayor difusión por lo que, el agua que contenga migra con mayor facilidad a la superficie que en la madera de Pachaco. Este comportamiento puede deberse a la estructura microscópica que varía de una especie a otra, en especial el número de radicales OH de las macromoléculas que conforman las células del leño como lo indica Heiko et al (2010, p. 95). El coeficiente de difusión para este estudio se consideró constante bajo las condiciones en las que el equipo opera, situación que normalmente se asume para resolver problemas de secado de materiales biológicos de cuerpos regulares como lo indica Hernández y Quino (2005, p. 66), también menciona que este parámetro se lo puede considerar como dependiente de la temperatura o concentración. 70 3.4.3 CURVAS DE SECADO En la Figura 3.12 se presentan las gráficas del contenido de humedad (base seca) versus el tiempo de secado para diferentes espesores de las chapas de Sande (Brosimun utile), que se utiliza como caras en la fabricación de tableros contrachapados. 70 60 Humedad (%) 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Tiempo (s) 2,5 mm 1,5 mm 0,87 mm Figura 3.12. Variación del contenido de humedad en base seca de las chapas de Sande (Brosimun utile) Se puede observar en la Figura 3.12 que conforme aumenta el espesor de las piezas, se incrementa el tiempo que se necesita para eliminar toda el agua que posee. Este comportamiento puede deberse a que, láminas con menor espesor tienen una mayor área de contacto por unidad de volumen. En la Figura 3.13 se muestran las gráficas del contenido de humedad (base seca) versus el tiempo de secado de chapas de Pachaco (Schizolobium parahybum) de 2,5 mm que se utilizan para completar el cuerpo del tablero contrachapado y se colocan en la mitad del tablero, es decir, sirven como alma. Como puede observarse, un mayor contenido de humedad inicial de la madera, incrementa el 71 tiempo de secado las piezas, comportamiento lógico por la mayor cantidad de agua que se debe retirar del material. 160 140 Humedad (%) 120 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Tiempo (s) Albura Duramen Figura 3.13. Variación del contenido de humedad (base seca) de chapas de Pachaco (Schizolobium parahybum) El modelo matemático implementado muestra una asertiva simulación de las curvas de secado para los diversos ensayos realizados, con un comportamiento similar a las curvas experimentales de secado que se presentan en la literatura de Almansa (2007, p. 28) y Hernández y Quinto (2005, p. 64). 3.4.4 PERIODO DE SECADO El modelo matemático implementado relaciona simultáneamente la transferencia de masa y calor durante el proceso de secado del producto, donde los parámetros térmicos del secadero permiten simular los perfiles de distribución de humedad y temperatura del material húmedo. 72 En la Tabla 3.8 se presentan los resultados del flujo de vapor y temperatura que alcanza el aire para secar la madera mediante el modelo matemático propuesto y calculado con el programa de simulación creado. Tabla 3.8. Parámetros energéticos calculados por el programa de cada zona del secadero Irvintong Moore PARAMETROS ZONA1 ZONA2 ZONA3 Flujo de vapor saturado (kg/s) 0,17 0,17 0,17 Temperatura del aire de secado (°C) 141 150 151 Como se observa en la Tabla 3.8, la cantidad de vapor saturado que ingresa por cada zona del secadero es de 0,17 kg/s, que es el flujo de vapor que permite ingrese al equipo, la válvula de control (apertura del 100%). También se aprecia que la temperatura de 141°C en la zona 1,150°C en la zona 2 y 151°C en la zona 3. Estos valores se obtienen del diseño del equipo, esto se puede observar en la Figura 3.5, que contempla en la zona 1 la presencia de dos bancos de tubos que son alimentados por una misma línea de entrada de vapor, por tanto se comparte la cantidad de vapor y por ende disminuye la energía que se entrega al aire para secar la madera. Este tipo de secaderos se concibieron de esta forma dado que como se indica en el estudio de Aquino et al (2010, p. 42), en la fase de secado donde la madera es calentada, si las condiciones de secado son drásticas o aceleradas se produce defectos graves en las piezas como rajaduras, grietas y encorvaduras. Es importante indicar que la diferencia de temperaturas entre las zonas 2 y 3 que son similares en cuanto a los bancos de tubos, se produce por modificaciones en el número de tubos debido a problemas de mantenimiento. En la Figura 3.14 se presentan los resultados de la simulación del periodo de secado de las chapas de Sande de 0,87 mm de espesor, con una velocidad de paso por el secadero de 4,5 m/min. 73 160 Temperatura( C),Humedad (%) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud del secadero (m) Temperatura de secado Curva de secado Temperatura de la madera Figura 3.14. Periodo de secado simulado para chapas de Sande de 0,87 mm de espesor que alcanza un contenido de humedad final de 6% en base seca Como se observa en la Figura 3.14, el inicio de la curva de secado muestra que las piezas de madera ingresan al secadero con 65 % de humedad y mientras avanzan por el secadero la curva de secado adopta una forma prácticamente lineal hasta alcanzar chapas con 6 % de humedad. Si se analiza el comportamiento que tiene la curva temperatura de secado de la madera, se puede observar la presencia de dos fases. En primer lugar, presenta un perfil de temperatura que aumenta conforme avanza por el equipo de forma parabólica, que inicia a 20 °C (temperatura de la madera con la que ingresa al secadero) hasta alcanzar 93 °C que es la temperatura de ebullición del agua en la ciudad de Quito (2 800 m.s.n.m), ciudad donde se realizó el estudio. Una vez que la madera humedad llega a 93 °C, presenta una nueva fase con un comportamiento isotérmico que se mantiene hasta terminar su paso por el equipo. En este caso donde el espesor de las chapas (0,87 mm) es el menor de las estudiadas, no presenta la tercera fase que indica (Nijdam et al, 2000, p. 3594) para el secado a temperaturas mayores al punto de ebullición, que consiste en el 74 incremento de temperatura de la madera hasta alcanzar la temperatura de secado, este comportamiento puede deberse a que el agua del centro de la madera no tiene dificultades para saturar la superficie de la pieza. En la Figura 3.15 se presentan los resultados de la simulación del periodo de secado de las chapas de Sande de 1,5 mm de espesor, con una velocidad de paso por el secadero de 3,5 m/min. Bajo estas condiciones la madera ingresa al secadero con 65 % de humedad, temperatura de 20 °C y sale del equipo con 6 % de humedad mientras la temperatura de la madera alcanza 151 °C. 160 140 Temperatura( C),humedad (%) 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud del secadero (m) Temperatura de secado curva de secado Temperatura de madera Figura 3.15. Periodo de secado simulado para chapas de Sande de 1,5 mm de espesor que alcanza un contenido de humedad final de 6% en base seca. Como se puede observar, los perfiles de humedad y temperatura simulados en este trabajo son similares a los perfiles reportados en los trabajos de (Sabbah, 2010, p. 13; Du et al, 2005, p. 5; Nijdam et al, 2000, p. 3588) para el secado de madera a temperaturas mayores al punto de ebullición, donde en una primera fase la madera húmeda incrementa su temperatura y el agua que pierde el material es mínima, cuando se alcanza la temperatura de ebullición del agua se produce la 75 mayor eliminación de humedad del cuerpo, esto se debe a que se evapora de forma constante el agua que se encuentra en la superficie de las piezas como lo indica (Hernández y Quino, 2005, p. 66). Finalmente, la temperatura de la madera sufre un nuevo incremento mientras simultáneamente decrece la rapidez con la que el cuerpo elimina el agua que contiene. Este comportamiento puede deberse a la dificultad del agua del interior de la madera para saturar su superficie, lo que provoca que la energía para evaporar el agua se acumule en la madera elevando su temperatura. En la Figura 3.16 se presentan los resultados de la simulación del periodo de secado de las chapas de Sande de 2,5 mm de espesor, con una velocidad de paso por el secadero de 2,0 m/min. Bajo estas condiciones las chapas ingresan al secadero con 65 % de humedad y temperatura de 20 °C, para obtener un producto a la salida del equipo con 6 % de humedad y la temperatura de la madera se incrementa a 151 °C, lo que permite alcanzar el equilibrio térmico con la temperatura del secadero. Temperatura( C),Humedad (%) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud del secadero (m) curva de secado Temperatura de madera Temperatura de secado Figura 3.16. Periodo de secado simulado con el programa, para chapas de Sande de 2,5 mm de espesor que alcanzan un contenido de humedad final de 6% en base seca 76 Del análisis de las Figuras 3.15 y 3.16 se puede observar la influencia del espesor de las chapas en las fases de secado, principalmente en la fase final en la que se requiere de la migración del agua del interior de la madera a su superficie, donde las chapas de 2,5 mm requiere mayor espacio de permanencia en el interior del equipo que las chapas de 1,5 mm. Comportamiento que puede deberse a la mayor distancia distancia que las moléculas de agua tienen que transportarse en el interior de la matriz sólida. En la Figura 3.17 se presentan los resultados de la simulación del periodo de secado de las chapas de Pachaco del sector del duramen con espesor de 2,5 mm y una velocidad de paso por el secadero de 1,2 m/min. Bajo estas condiciones las chapas ingresan al secadero con 104 % de humedad y temperatura de 20 °C, para obtener un producto a la salida del equipo con 6 % de humedad y la temperatura de la madera se incrementa a 151 °C. 160 Temperatura( C),Humedad(%) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud del secadero Temperatura de secado Curva de secado Temperatura de la madera Figura 3.17. Periodo de secado simulado con el programa para chapas de Pachaco (Duramen) de 2,5 mm de espesor que alcanzan un contenido de humedad final de 6% en base seca 77 En la Figura 3.18 se presentan los resultados de la simulación del periodo de secado de las chapas de Pachaco del sector de la albura con espesor de 2,5 mm y una velocidad de paso por el secadero de 1,04 m/min. Bajo estas condiciones la madera ingresa a 145 % de humedad y sale del equipo con 6 %, con temperatura inicial de 20 °C y alcanza a la temperatura del aire de secado. 160 Temperatura( C),Humedad (%) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud del secadero (m) Temperatura de secado Curva de secado Temperatura de madera Figura 3.18. Periodo de secado simulado con el programa para chapas de Pachaco (Albura) de 2,5 mm de espesor que alcanzan un contenido de humedad final de 6% en base seca Del análisis de las Figuras 3.17 y 3.18 se puede observar la influencia del contenido de humedad inicial de las chapas de Pachaco tanto de la estructura del duramen y de la albura, en la fase final de secado a alta temperatura donde migra el agua del interior de la madera a su superficie, esta especie requiere un gran espacio del secadero para esta fase, que incluso se da en la zona del secadero con menor temperatura (141 °C), donde alcanza la madera esta temperatura y como las temperaturas de las siguientes zonas del secadero son mayores, la madera tiende alcanzar el equilibrio térmico con las condiciones del equipo. Este comportamiento se debe a que la cantidad de agua que posee esta especie 78 maderera es mayor respecto al agua que se encuentra en la superficie por lo tanto, la mayor cantidad de agua tiene que migrar del interior por el fenómeno de difusión. Como es de esperarse, la variable que permite alcanzar, en todos los casos estudiados, una humedad de la madera del 6 %, es la velocidad de paso a través del secadero, ya que las condiciones térmicas del aire de secado (temperatura de las zonas del equipo y la velocidad del aire) se mantienen constantes. 3.4.5 GRADIENTE DE HUMEDAD La aplicación de la ecuación de Fick en el modelo matemático del proceso, permitió determinar los gradientes de humedad, la principal ventaja del método es la posibilidad que ofrece para estimar la distribución de contenido de humedad entre el centro y la superficie de la pieza en cualquier momento del proceso de secado, como se puede observar en las Figuras 3.19 a 3.23. 70 60 Humedad (%) 50 40 30 20 10 0 0,00E+00 1,10E-04 2,20E-04 3,30E-04 4,40E-04 Espesor (m) 0 min 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min Figura 3.19. Gradientes de humedad simulados a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 0,87 mm de espesor 79 En la Figura 3.19 se presenta la distribución de humedad desde el centro de la madera hasta su superficie para chapas de 0,87 mm de espesor, a diferentes tiempos de secado. Como se puede ver, al inicio la humedad en toda la chapa es del 65 %, la cual se considera como condición inicial, los resultados posteriores se imprimen con intervalos de 1 min hasta llegar a 5 min, tiempo en el cual la humedad tanto en la superficie como en el centro de la chapa alcanza el estado anhidro. Las curvas denotan una pequeña concavidad, como es de esperarse, con un mayor contenido de humedad en el centro que en la superficie. 70 60 Humedad (%) 50 40 30 20 10 0 0,00E+00 2,50E-04 5,00E-04 7,50E-04 Espesor (m) 0 min 1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min PSF Figura 3.20. Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 1,5 mm de espesor En la Figura 3.20 se muestran los gradientes de humedad desde el centro de la madera hasta su superficie para chapas de 1,5 mm de espesor, a diferentes tiempos de secado. Como se puede ver, al inicio la humedad en toda la chapa es del 65 %, la cual se considera como condición inicial, los resultados posteriores se imprimen con intervalos de 1 min presentándose así los perfiles de humedad parabólicos hasta llegar a 6 min, tiempo en el cual la humedad tanto en la superficie como en el centro de la chapa alcanza el estado anhidro. 80 En la misma Figura se puede apreciar el perfil denominado punto de saturación de la fibra (PSF), en el instante en que la superficie de la madera deja de contener agua, mientras que la humedad es mayor hacia el centro de la chapa, donde alcanza el 17 % de humedad; a partir de este perfil las curvas que representan la remoción interna de humedad disminuyen su concavidad. En la Figura 3.21 se muestran los gradientes de humedad desde el centro de la madera hasta su superficie para chapas de 2,5 mm de espesor, a diferentes tiempos de secado. Como se puede ver, al inicio la humedad en toda la chapa es del 65 %, la cual se considera como condición inicial, los resultados posteriores se imprimen con intervalos de 1 min hasta llegar a 6 min, tiempo en el cual la humedad tanto en la superficie como en el centro de la chapa alcanza el estado anhidro. La curva que representa PSF, corresponde a aquella en que la humedad de la chapa en el centro es de 38 %. 70 60 50 Humedad (%) 40 30 20 10 0 0,00E+00 2,50E-04 5,00E-04 7,50E-04 1,00E-03 1,25E-03 Espesor (m) 0 min 6 min 1 min 7 min 2 min 8 min 3 min 9 min 4 min PSF 5 min Figura 3.21. Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Sande de 2,5 mm de espesor 81 Al comparar el gradiente de humedad en la chapa de 2,5 mm, con los presentados en la Figuras 3.19 y 3.20, se puede observar que al aumentar el espesor de chapas de Sande, se desarrollan gradientes de humedad con mayor concavidad y la humedad en el centro de la chapa, correspondiente al PSF, aumenta, lo que indica que a mayores espesores de chapas, aunque la superficie ya no presente humedad, el interior de la chapa aún contiene agua. Los resultados anteriores se alcanzan cuando se considera que el PSF o humedad crítica corresponde al instante en que se evapora la humedad superficial que recubre toda el área de secado como indica McCabe el at (1998, p 837), es decir, cuando la superficie se seca. De acuerdo al mismo autor, el PSF corresponde también al momento en que finaliza el período de velocidad constante de eliminación de agua en las curvas de secado, el cual en sólidos no porosos corresponde efectivamente al momento en que se evapora la humedad en la superficial. Sin embargo, al analizar las curvas que se presentan en la Figura 3.12, el PSF se alcanzaría a valores inferiores a los reportados en los párrafos anteriores; este comportamiento se explica porque en sólidos porosos el PSF ocurre cuando la velocidad de flujo de humedad hacia la superficie ya no es igual a la velocidad de evaporación McCabe el at (1998, p 837). Por lo tanto, los perfiles del PSF que se observan en las Figuras 3.20 y 3.21, contendría agua libre que emigra hacia la superficie con un flujo tal, que al llegar a la superficie se evaporaría inmediatamente y además sería suficiente para conservar la velocidad de evaporación. El que se presente un mayor PSF en chapas de mayor espesor puede deberse a que en piezas delgadas como la chapa de 0,87 mm, la velocidad de secado es controlada por la pérdida superficial del agua, mientras que cuando aumenta el espesor, la pieza poseen una matriz sólida más grande con una mayor cantidad de macromoléculas con presencia de radicales OH que ligan mayor cantidad de agua a la estructura de la madera tal como lo indica Heiko et al (2010, p. 96). 82 En la Figura 3.22 se presentan los gradientes de humedad en dirección del espesor de las chapas de Pachaco del sector del duramen con 2,5 mm de espesor, en diferentes tiempos de secado. Como se puede ver, al inicio la humedad en toda la chapa es del 104 %, la cual se considera como condición inicial, los resultados posteriores se imprimen con intervalos de 1 min hasta llegar a 15 min, que fue el tiempo de simulación del proceso donde la humedad en la superficie esta en esto anhidro, sin embargo, el centro de la chapa tiene una pequeña cantidad de agua. 110 100 90 Humedad(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,00E+00 0 min 6 min 12 min 2,00E-04 1 min 7 min 13 min 4,00E-04 6,00E-04 Espesor (m) 2 min 8 min 14 min 8,00E-04 3 min 9 min 15 min 1,00E-03 4 min 10 min PSF 1,20E-03 5 min 11 min Tabla 3.22. Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Pachaco, del sector del duramen, de 2,5 mm de espesor En la Figura 3.23 se presentan los gradientes de humedad en dirección del espesor de las chapas de Pachaco del sector del duramen con 2,5 mm de espesor, en diferentes tiempos de secado. Como puede verse, al tiempo 0 min la humedad de 145 % es igual en todo la chapa, los resultados posteriores se imprimen con intervalos de 1 min hasta llegar a 15 min, que fue el tiempo de simulación del proceso donde la humedad en la superficie esta en esto anhidro, sin embargo el centro de la chapa tiene una pequeña cantidad de agua alcanza. 83 La curva que representa el PSF, llega a tener en el centro una humedad de 87 %. Sin embargo el punto donde termina el período de velocidad constante en las curvas de secado, que en este estudio se puede observar en las Figuras 3.13, para las chapas de Pachaco el PSF es de 38 % para la albura y 32 % para el duramen, la explicación para este comportamiento es la misma que se planteó en el caso de la madera de Sande. El que la madera de Pachaco del sector de la albura presenta un PSF mayor que las piezas del duramen, puede deberse a las funciones de la estructura macroscópica de la madera, la porosidad y la presencia de sustancias que liguen con mayor intensidad el agua al leño Heiko et al (2010, p. 96) 160 140 120 Humedad (%) 100 80 60 40 20 0 0,00E+00 0 min 6 min 12 min 2,50E-04 5,00E-04 1 min 7 min 13 min Espesor (m) 2 min 3 min 8 min 9 min 14 min 15 min 7,50E-04 1,00E-03 4 min 10 min PSF 1,25E-03 5 min 11 min Tabla 3.23. Gradientes de humedad a diferentes tiempos de secado para chapas de Pachaco, del sector de la albura, de 2,5 mm de espesor 3.5 EVALUACIÓN DEL COSTO DE SECADO En la Tabla 3.9 se presentan los resultados del tiempo de secado de las chapas que se utilizan para armar los tableros contrachapados, a partir de la curva de 84 secado que se obtiene de la simulación para diferentes contenidos de humedad del conglomerado de chapas. Tabla 3.9. Tiempos de secado de las chapas en el secadero Irvington Moore, obtenidos de la simulación del proceso HUMEDAD TIEMPO TIEMPO TIEMPO TIEMPO INICIAL CH 6% CH 8% CH 10% CH 12% (%) (min) (min) (min) (min) ESPECIE ESPESOR (mm) Sande 0,87 65 3,1 3,0 2,9 2,8 Sande 1,50 65 4,0 3,7 3,6 3,4 Sande 2,50 65 7,0 6,4 6,0 5,6 Pachaco (duramen) 2,50 104 11,5 10,6 9,9 9,3 Pachaco (albura) 2,50 145 13,4 12,5 11,8 11,3 Nota: El tiempo CH, se refiere al tiempo necesario para secar las chapas al contenido de humedad final requerido. Como se puede observar, el incremento de la humedad final requerida de las maderas disminuye el tiempo de secado, sin embargo, cada material tiene su propia forma de variar el tiempo de secado, debido a que cada material tiene características propias, como se menciona anteriormente. En la Tabla 3.10 se presenta el precio de secado de un metro cúbico de chapas, cuya forma de cálculo se indica en el Anexo IX, que depende de la cantidad de vapor requerido para calentar el aire de secado, el cual que a su vez es función del tiempo que se requiere para secar el material en las condiciones existentes en el secadero y la humedad final del producto que se requiera en la industria. Como se puede observar, un mayor contenido de humedad del producto para fabricar los tableros contrachapados, disminuye el costo del vapor. Esto se debe a la reducción de tiempos de secado y de energía que consume el proceso de secado, sin que tenga influencia en otros costos de operación como la energía eléctrica, ya que el equipo permanece en funcionamiento continuamente, o el personal que labora en el área de secado, puesto que ellos cuentan con ingresos mensuales fijos. 85 Tabla 3.10. Costo de secado de las chapas en el secadero Irvington Moore, obtenidos de la simulación del proceso HUMEDAD COSTO COSTO COSTO COSTO INICIAL CH 6% CH 8% CH 10% CH 12% 3 (%) (USD/m ) (USD/m3) (USD/m3) (USD/m3) ESPECIE ESPESOR (mm) Sande 0,87 65 9,79 9,47 9,16 8,84 Sande 1,50 65 7,33 6,78 6,59 6,23 Sande 2,50 65 7,69 7,03 6,59 6,15 Pachaco (duramen) 2,50 104 12,64 11,65 10,88 10,22 Pachaco (albura) 2,50 145 14,72 13,74 12,97 12,42 Nota: El costo CH, se refiere al costo del vapor consumido para secar las chapas al contenido de humedad final requerido. En la Figura 3.24 se presenta el requerimiento del conglomerado de chapas secado, para alcanzar la producción mensual de los tableros en la empresa Enchapes decorativos S.A. (ENDESA). 1000 900 Produción de chapa seca m3/mes 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Tablero de 12 mm Sande de 0,87 mm Sande de 1,5 mm Tablero de 18 mm Sande de 2,5 mm Pachaco de 2,5 mm Figura 3.24. Producción mensual de chaspas secado en la empresa ENDESA 86 Como se puede observar, los volúmenes de chapas requeridas para los dos tipos de tablero, requiere procesar un mayor volumen de chapas de Pachaco que se utilizan como almas en el tablero. Esto se debe a la disposición de la materia prima proveniente de las plantaciones agroforestales de Pachaco, mientras el Sande al ser proveniente del bosque tiene mayores restricciones estatales, razón por la cual, el volumen total del Sande es menor en los dos tableros estudiados. En la Figura 3.25 se presenta el costo mensual de consumo de vapor, para secar el conglomerado de chapas tanto al 12 % de humedad, que cumple con las restricciones de la norma CARB de la emisión de formaldehido y la prueba de pegado, como al 6 % de humedad que es el que actualmente utiliza la empresa, para fabricar la demanda de tableros contrachapado de 12 mm. Como se puede observar, secar el conglomerado de chapas para este tipo de tableros al 6 % gasta 9 024 dólares americanos al mes, mientras que secarlas a 12 %, 7 580 dólares americanos al mes, lo que representa un ahorro de 16,00 %. 10000 9000 8000 Costo de Secado USD/mes 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Chapas secadas al 6% Sande de 0,87 mm Chapas secadas al12% Sande de 1,5 mm Figura 3.25. Costo de consumo de energía para alcanzar la producción mensual de tableros contrachapados de 12 mm 87 En la Figura 3.26 se presenta el costo mensual de consumo de vapor, para secar el conglomerado de chapas tanto al 10 % de humedad, que cumple con las restricciones de la norma CARB de la emisión de formaldehido y la prueba de pegado, como al 6 % de humedad que es el que utiliza la empresa para fabricar la demanda de tableros contrachapado de 18 mm. Como se puede observar, secar el conglomerado de chapas para este tipo de tableros al 6 % gasta 10 030 dólares americanos al mes, mientras que secarlas a 10 %, 8 783 dólares americanos al mes, lo que representa un ahorro de 12,43 %. 11000 10000 9000 Costo de secado USD/mes 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Chapas secadas al 6% Sande de 0,87 mm Sande de 2,5 mm Pachaco de 2,5 mm (Albura) Chapas secadas al 10% Sande de 1,5 mm Pachaco de 2,5 mm (Duramen) Figura 3.26. Costo de consumo de energía para alcanzar la producción mensual de tableros contrachapados de 18 mm En la Figura 3.27 se presenta el costo de consumo de vapor para secar las chapas que permite obtener la producción de 780 m 3 y 900 m3 al mes de tableros de 12 y 18 mm respectivamente, a 6 % de humedad que se fabrican los tableros en el tablero y las humedades máximas que se determinaron en este estudio. 88 21000 20000 19000 18000 17000 16000 15000 Costo de secado USD/mes 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Actual Tablero de 12 mm Propuesto Tablero de 18 mm Figura 3.27. Comparación del costo de consumo de vapor mensual con los resultados del estudio Como se puede observar, el costo de secado correspondiente al gasto de vapor se reduce en 2 691 dólares americanos al mes, que representa un ahorro de 14,15 %. Así, se logra producir tableros que cumplen con las norma de calidad del producto y no contamina el aire ambiental del lugar donde son utilizados, sin que la empresa realice inversiones adicionales. Finalmente el programa de simulación desarrollado constituye una herramienta para determinar los tiempos de secados para humedades iniciales diferentes a los acostumbrados. 89 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES 1. El aumento de contenido de humedad final requerida del conglomerado de chapas que conforman los tableros tuvo un efecto determinante en la emisión de formaldehido libre. A medida que aumentó la humedad de las chapas se generó una mayor emisión de formaldehido al aire ambiental. Sin embargo, la humedad de la madera no tuvo un efecto negativo sobre la resistencia a la adhesión en los tableros probados. 2. Con los porcentajes de humedad del conglomerado de chapas ensayadas se logró un nivel permisible como tableros aptos para ser vendidos en los Estados Unidos, con la excepción de los tableros de 18 mm con chapas de 12 % de humedad, que se encuentran en el límite superior establecido por la CARB, por lo que se restringió la fabricación de los tableros con estas características. 3. Los resultados obtenidos por la solución numérica del modelo reproducen los perfiles de temperatura y humedad en el interior del secador continuo reportados en la literatura y, se ajustan a los parámetros de control del proceso de secado. 4. El programa de simulación de secado de chapas de madera permite calcular y graficar la variación de humedad y temperatura, con la posibilidad de verificar lo que sucede cuando se realizan cambios en el proceso de secado, convirtiéndose en una herramienta de trabajo práctica, que permitirá a ingenieros y operadores del área un mayor conocimiento de la fenomenología del secado. 5. La aplicación de las condiciones de este estudio en el proceso de fabricación de tableros, bajo los actuales volúmenes de producción de la empresa Enchapes Decorativos S.A, le generará un ahorro en el costo de consumo de vapor de 2 691 USD/mes y la obtención de productos que cumplen normas de calidad de pegado y emisión de formaldehido. 90 4.2 RECOMENDACIONES 1. Desarrollar una investigación con otras especies madereras para verificar que los resultados de las humedades son aplicables a más especies madereras. 2. Realizar nuevas aplicaciones al programa de simulación desarrollado en este proyecto como por ejemplo el efecto que tendría en el proceso variar la temperatura para secar las chapas. 3. Usar el programa para capacitar al personal que trabaja en el área de secado, como una herramienta de enseñanza de los fenómenos de transporte que se producen durante el secado de madera. 91 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AIDIMA. (2009). La emisión de formaldehido en los productos del sector madera-mueble.(Informe técnico) Recuperado de http://www.ecodisseny .net/media/0_20101105_aidima-formaldehido.pdf. 2. Almansa, A. (2007). Estudio experimental para la optimización energética y termográfica en aplicaciones de calentamiento por microondas.(Informe de tesis no publicado) Universidad politécnica de Cartagena, Colombia Recuperado de http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/ 260/1/pfc2226.pdf. 3. ANSI. (2004). 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Valores de las propiedades que caracterizan la madera de Sande ESPESOR (mm) 2,50 1,50 0,870 Peso inicial (gr) 82,53 85,48 86,44 54,12 58,14 54,11 28,34 29,11 28,21 Peso anhidro (gr) 50,13 52,05 51,83 32,85 34,81 32,82 17,08 17,54 17,14 Densidad básica (kg/m3) 501,30 520,50 518,30 547,50 580,17 547,00 490,80 504,02 492,53 Humedad inicial (%) 64,63 64,23 64,75 67,02 64,87 65,93 65,96 64,59 66,78 Tabla AI.2. Valores de las propiedades que caracterizan la madera de Pachaco ESPESOR (mm) 2,50 Estructura Albura Duramen Peso inicial (gr) 63,84 65,92 68,74 78,81 80,83 79,92 Peso anhidro (gr) 31,42 32,2 33,28 32,35 33,10 32,18 Densidad básica (kg/m3) 314,20 322,00 332,80 323,50 331,00 321,80 Humedad inicial (%) 103,18 104,72 106,55 143,62 144,20 148,35 El ejemplo de cálculo de la densidad básica ( y la Humedad inicial (X), con las ecuaciones que se indicaron en el numeral 2.3.1. [2.1] [2.2] 102 Para el análisis estadístico de estas propiedades se utilizaron las ecuaciones AI.1, AI.2, AI.3, AI.4. [AI.1] [AI.2] [AI.3] [AI.4] 103 ANEXO II EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SECADO Figura AII.1. Ciclo de remojo Figura AII.2. Probetas sometidas a las prueba de tres ciclos 104 Tabla AII.1. Datos de la evaluación de la calidad de pegado de los tableros contrachapado mediante la norma Espesor del tablero (mm) Humedad Aprobación Aprobación Aprobación Aprobación de las del primer del segundo del tercer total chapas (%) ciclo (%) ciclo (%) ciclo (%) (%) 12 8 100 100 100 100 12 8 100 100 100 100 12 8 100 100 100 100 12 10 100 100 100 100 12 10 100 100 100 100 12 10 100 100 100 100 12 12 100 100 100 100 12 12 100 100 100 100 12 12 100 100 100 100 18 8 100 100 100 100 18 8 100 100 100 100 18 8 100 100 100 100 18 10 100 100 100 100 18 10 100 100 100 100 18 10 100 100 100 100 18 12 100 100 100 100 18 12 100 100 100 100 18 12 100 100 100 100 105 ANEXO III EQUIPOS DE LABORATORIO PARA FABRICAR LOS TABLEROS Figura AIII.1. Microondas utilizado para secar las chapas a escala laboratorio. Figura AIII.2. Sistema de rodillos para encolar las chapas a escala laboratorio. 106 Figura AIII.3. Prensa hidráulica para compactar los tableros a escala laboratorio calentado por resistencias eléctricas. Figura AIII.4. Probetas de tableros para evaluar la emisión de formaldehido y la calidad del pegado 107 ANEXO IV CALCULOS DE LA EMISIÓN DE FORMALDEHIDO LIBRE Se elaboró una curva de calibración para la determinación de formaldehido usando el espectrofotómetro y determinar la ecuación base para calcular la concentración de formaldehido en la alícuota muestreada. Para ello se preparo una solución acuosa de bisulfito de sodio (NaHSO3) al 1 %, en cinco tubos de ensayo con tapa enroscable, se pipetearon los volúmenes de bisulfito de sodio al 1 % y luego la solución estándar de formaldehido, tal como se indica en la Tabla AIV.2. Tabla AIV.2. Soluciones para la elaboración de la curva de calibración para el uso del espectrofotómetro Número de tubo Volumen (mL) NaHSO3 Solución estandar HCOH 1 4,0 0,00 2 3,9 0,10 3 3,7 0,30 4 3,5 0,50 5 3,3 0,70 A los tubos de ensayo se añadió 0,1 mL de solución de ácido cromotrópico al 1% y 6 mL de ácido sulfúrico. Para asegurar que la reacción química se complete, los tubos de ensayo se colocaron en un baño de agua hirviendo por 15 ± 2 min, obteniéndose los complejos coloreados que se observa en la Figura AIV.1. Se leyó y registró la absorbancia para cada uno de los estándares preparados en el espectrofotómetro a una longitud de onda de 580 nm. Con los datos obtenidos de absorbancia y concentraciones del formaldehido en las soluciones se gráfico la curva de calibración y obtuvo la ecuación respectiva, que se puede apreciar en la Figura AIV.2. 108 Figura AIV.1. Variación de la concentración de formol aplicando ácido cromotrópico para la obtención de complejo coloreado 0,50 0,45 0,40 Absorbancia 0,35 0,30 y = 0,0418x + 0,0097 R² = 0,9992 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 2 4 6 8 10 12 Concentración (mg/L) Figura AIV. 2. Variación de la Absorbancia del formol con la concentración a λ = 540 nm Los datos obtenidos de la evaluación del formaldehido libre en los tableros contrachapados con la norma ASTM 6007-02, se indican en la en la Tabla AIV.1. 10% 8% 10% 12% 12% 10% 12% 8% 10% 12% 12% 10% 10% 12% 8% 8% 8% 8% 12mm 12mm 12mm 12mm 12mm 18mm 12mm 18mm 18mm 18mm 18mm 18mm 12mm 18mm 18mm 18mm 12mm 12mm 01/02/2012 30/01/2012 30/12/2011 30/12/2011 30/12/2011 29/12/2011 23/12/2011 22/12/2011 21/12/2011 16/12/2011 15/12/2011 09/12/2011 08/12/2011 02/12/2011 01/12/2011 20/10/2011 23/09/2011 22/09/2011 Espesor del Humedad de Fecha de tablero las chapas ambientación 01/02/2012 30/01/2012 30/12/2011 30/12/2011 30/12/2011 29/12/2011 23/12/2011 22/12/2011 21/12/2011 16/12/2011 15/12/2011 09/12/2011 08/12/2011 02/12/2011 01/12/2011 20/10/2011 23/09/2011 22/09/2011 Fecha de análisis 0,002 0,001 0,001 0,002 0,002 0,00 0,003 0,002 0,001 0,004 0,002 0,002 0,001 0,003 0,002 0,001 0,003 0,002 0,017 0,015 0,015 0,018 0,023 0,015 0,021 0,021 0,019 0,022 0,02 0,021 0,019 0,021 0,019 0,018 0,017 0,018 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,019 0,018 0,019 0,018 0,016 0,016 0,018 0,023 0,016 0,021 0,022 0,02 0,023 0,02 0,022 0,021 0,022 0,02 0,019 0,018 0,019 Absorbancia Absorbancia de Absorbancia de Absorbancia del blanco la alícuota 1 la alícuota 2 promedio 30,4 30,4 28,9 29,7 29,7 29,4 30,0 29,4 28,8 29,9 30,3 30,0 28,0 30,3 30,1 30,2 30,1 30,4 Volumen muestreado 23,9 23,7 23,7 23,6 23,6 23,8 23,9 24,5 23,7 23,7 23,7 24,3 23,6 24,2 24,3 24,4 24,2 24,5 Temperatura de la cámara 53 52 51,2 53 51 50,7 53 50,3 51,2 53,1 51,3 51,6 51,9 50,7 49,5 51,8 51,6 51,2 Humedad de la cámara Tabla AIV.1. Datos obtenidos de la evaluación del formaldehido libre en tableros contrachapados con la norma ASTM 6007-02 109 110 Convertir el volumen de aire muestreado al volumen de aire en condiciones estándar mediante la Ecuación AIV.1. [AIV.1] Donde: Vs: Volumen de aire a condiciones estándares (101 kPa y 298 K) V: Volumen de aire muestreado P: Presión Barométrica (kPa) T: Temperatura del aire de la muestra (ºC) Los miligramos totales de formaldehido de la muestra se calculan con la Ecuación AIV.2. [AIV.2] Donde: Ct : Formaldehido de la muestra ( g) Ca: Formaldehido en la alícuota de muestra leída a partir de la curva de calibración ( g) Fa: Factor de dilución, que se determina con la Ecuación AIV.3. [AIV.3] La concentración de formaldehido de la muestra en la pequeña cámara se calcula con la Ecuación AIV.4. [AIV.4] 111 Donde: Cs : Formaldehido en el aire (mg/L) PM : Peso molecular del formaldehido ( g/ mol) Vmol : Volumen molar del formaldehido ( g por cada mol a 101 kPa y 298 K) Si la temperatura de la cámara difiere de 25ºC, la concentración de formaldehido usando la Tabla AIII.3. Tabla AIV.3. Tabla de conversión de temperatura para formaldehido Para convertir a 25° C ( 77 ° F ) Actual Para convertir a 25° C ( 77 ° F ) Actual °C °F Multiplicar por °C (° F Multiplicar por 22.2 72,0 1,36 25,3 77,5 0,97 22.5 72,5 1,32 25,6 78,0 0,94 22.8 73,0 1,28 25,8 78,5 0,91 23.1 73,5 1,24 26,1 79,0 0,89 23.3 74,0 1,20 26,4 79,5 0,86 23.6 74,5 1,17 26,7 80,0 0,83 23.9 75,0 1,13 26,9 80,5 0,81 24.2 75,5 1,10 27,2 81,0 0,78 24.4 76,0 1,06 27,5 81,5 0,76 24.7 76,5 1,03 27,8 82,0 0,74 25.0 77,0 1,00 Nota: Mientras mayor sea la varianza entre la temperatura real y la corregida, mayor será el potencial de error. Dos líneas horizontales con negrilla dentro de la tabla de linean los rangos de temperatura de prueba especificados 25 ± 1°C ( 77 ± 2° F) Si la humedad relativa varia de 50 % 1 %, se ajustada usando la Tabla AVIII.4, y se utiliza la Ecuación AIV.5. AIV.5 112 Tabla AIV.4. Tabla de conversión de humedad relativa para formaldehido % Humedad Relativa (RH) real Para convertir a 50% RH , multiplicada por % Humedad Relativa (RH) real Para convertir a 50% RH , multiplicada por 46 1.08 51 0.98 47 1.06 52 0.97 48 1.04 53 0.95 49 1.02 54 0.93 50 1.00 Ejemplo de cálculo de la concentración de formaldehido a partir de las Ecuaciones AIV.1, AIV.2, AIV.3, AIV.3, AIV.5. 113 Tabla AIV.5. Resultados de la evaluación de formaldehido libre en los tableros contrachapados Espesor del tablero (mm) Humedad de las chapas (%) 8 12 10 12 8 18 10 12 Factor Corrección %RH Concentración final del formaldehido en aire (ppm) 52 0,97 0,027 1,16 52 0,97 0,027 23,9 1,13 53 0,95 0,030 0,031 24,5 1,05 51 0,98 0,032 0,019 0,034 24,4 1,06 52 0,97 0,035 0,016 0,03 23,8 1,14 51 0,98 0,034 0,020 0,036 24,3 1,09 50 1,00 0,039 0,022 0,038 24,2 1,10 51 0,98 0,040 0,022 0,035 24,3 1,09 52 0,97 0,037 0,020 0,028 23,7 1,16 51 0,98 0,032 0,018 0,03 23,6 1,17 53 0,95 0,033 0,016 0,026 23,7 1,16 51 0,98 0,029 0,021 0,035 23,6 1,17 52 0,97 0,040 0,021 0,035 23,9 1,13 53 0,95 0,037 0,023 0,038 23,7 1,16 53 0,95 0,042 0,020 0,041 23,7 1,16 51 0,98 0,047 0,022 0,042 23,8 1,14 50 1,00 0,048 0,023 0,045 23,6 1,17 51 0,95 0,052 Temperatura del aire (°C) Absorbancia de muestra Concentración del formaldehido en aire (ppm) 0,018 0,025 24,2 1,10 0,016 0,024 23,7 0,018 0,028 0,019 Factor Corrección Temperatura Humedad relativa del aire (%) 114 ANEXO V CALCULOS PARA OBTENER LA EFECTIVIDAD O RENDIMIENTO DE LAS ALETAS [2.9] [3.8] 115 [2.10] [2.11] [2.12] Tabla AV.1. Propiedades termofísicas del aire T (K) T (°C) 350 77 ρ Cp (kg/m2) (kJ/kg.K) 0,995 1,009 400 127 0,8711 450 177 500 550 Pr μ*107 (N.s/m2) 208,2 k*103 (W/mK) 30 0,7 1,014 230,1 33,8 0,69 0,774 1,021 250,7 37,3 0,686 227 0,6964 1,03 270,1 40,7 0,684 277 0,6329 1,04 288,4 43,9 0,683 (Incropera y DeWitt, 2002, p. 930). 116 [3.3] [2.6] [2.7] 117 [3.7] [3.4] [3.5] [3.6] =11,05 [2.8] [2.4] 118 [2.5] [2.13] Tabla AV.2. Tabla de vapor Tempe- Presión ratura bars °C Volumen específico m3/kg Calor de vaporización Calor especifico kJ/kg.K Viscosidad N.s/m2 Conductividad térmica W/m.K 147 4,37 vf.103 vg 1,088 0,425 157 5,59 1,099 0,331 2091 4,331 2,369 173 14,14 685 30,4 167 7,33 1,11 0,261 2059 4,36 2,46 162 14,5 682 31,7 177 9,32 1,123 0,208 2024 4,4 2,56 152 14,85 678 33,1 187 11,71 1,137 0,167 1989 4,44 2,68 143 15,19 673 34,6 197 14,55 1,152 0,136 1951 4,48 2,79 136 15,54 667 36,3 hfg (kJ/kg) 2123 Cpf Cpg μf.106 μg.106 4,302 2,291 185 13,79 kf 688 kg 29,8 (Incropera y DeWitt, 2002, p. 935). [2.3] 119 [3.9] ZONA 3 ZONA 2 ZONA 1 120 Tabla AV.1. Propiedades termofísicas del vapor Temperatura °C Presión bars Densidad kg/m3 161 6,34 3,33 162 6,5 3,41 163 6,66 3,48 164 6,83 3,57 165 7 3,65 166 7,18 3,74 167 7,36 3,83 168 7,54 3,92 169 7,73 4,01 170 7,92 4,10 121 ANEXO VI PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS Y DE CONTROL DEL SECADERO IRVINGTON MOORE Medida de humedad de la madera Figura AVI.1. Higrómetro con el cual se mide la humedad final de las chapas de madera Figura AVI.2. Ventiladores helicocentrífugos del secadero Irvington Moore 122 Línea de vapor que abastece al secadero Válvula de control Figura AV.3. Líneas de vapor que ingresa al secadero Coeficiente de descarga Figura AVI.4. Detalles de la válvula que controla el ingreso del vapor al secadero 123 Tobera Banco de tubos Figura AVI.5. Banco de tubos del secadero Irvington Moore Orificio de salida del aire Figura AVI.6. Interior de la tobera del secadero Irvington Moore 124 ANEXO VII CODIGO DE SIMULACIÓN Dim di(2000, 20) Sub secado() 'Parametros del Problema espesor = Worksheets("principal").Cells(16, 15) 'espesor de la chapa, mm e = espesor / 1000 'espesor de la chapa, m vp = Worksheets("principal").Cells(19, 15) / 60 'velocidad de paso, m/s hum_f = Worksheets("principal").Cells(18, 15) 'humedad final, % psi = Worksheets("principal").Cells(10, 15) 'presion de vapor, psi hum_i = Worksheets("principal").Cells(17, 15) 'humedad inicial, % esp = Worksheets("principal").Cells(15, 15) 'espesor de la chapa, mm tamb = Worksheets("principal").Cells(12, 15) 'temperatura ambiental, °C tem = tamb 'temperatura inicial de la madera, °C 'Propiedades madereras If esp = 1 Then 'SANDE ms = 522.46 'densidad del sande, Kg/m3 difusion = (4.9) * 10 ^ -9 'difusividad del sande ElseIf esp = 2 Then 'PACHACO ms = 331.88 'densidad del pachaco, Kg/m3 difusion = (3.06) * 10 ^ -9 'difusividad del pachaco End If cps = 2700 'poder calorífico de la madera j/KgC 'Propiedades del agua en la madera pa = 0.73 'Presión ambiental en quito, atm p1 = pa 'Presión ambiental en quito, atm yi = 1.6 * 10 ^ -2 'Fración de presión de vapor de agua en quito, y = yi 'Fración inicial de presión de vapor de agua en quito, tsat = 93 'temperatura de saturación del agua en quito, °C lamda_atm = 2280.5 * 1000 'Entalpia del agua a la presión de quito,J/Kg 'Parametros constructivos DEL SECADERO. Pi = 22 / 7 'constante de circunferencias l_secadero = 14 'longitud del secadero,m a_secadero = 4.878 'ancho efectivo del secadero,m piso_sec = 3 'entradas de madera al secadero d_vt = 0.9144 'diámetro del sistema de ventilación,m a_vt = Pi * d_vt ^ 2 / 4 'área de flujo de ventiladores'm2 125 motor_vt = 14914 l_t = 3.96 f_t = 6 n_t = 18 d_int = 0.028 d_ext = 0.03175 d_aleta = 0.0508 l_tubo = l_t * n_t C_v = 20.9 aleta = 1.442 D_hum = 0.0895 f_espacios = 0.875 n_o = 940 'Potencia de los ventiladores' w 'longitud de un tubo,m 'fila de tubos 'números de tubos de tubo 'diámetro interno de la tuberia'm 'diámetro externo de la tuberia,m 'diámetro de la aleta,m 'longitud total de la linea de vapor en el banco de tubos,m 'Coeficiente de la válvula 'factor de eficiencia de la aleta 'diametro humedo del externo'm 'espacio que ocupa la madera repecto al ancho útil 'número de orificios en la tobera 'Propiedades del vapor saturado calefactor lamda = 1960 'Entalpia del agua a la presión de Quito,J/g p_vapor = 13.9 'Presión de vapor Bar caudal = C_v * 2.1 * ((psi - (psi - 5)) * (psi - 5)) ^ (1 / 2) 'flujo de vapor,Kg/h F_vapor = caudal * 0.453592 / (3600) 'Flujo de vapor'Kg/s 'Propiedades del aire k_aire = 0.04 ro_aire = 0.8 u_aire = 24 * 10 ^ -6 pr_aire = 0.69 cp_aire = 1014 'Inicialización de variables x = hum_i / 100 xa = x alfa = difusion divisiones = 10 delta_r = e / (2 * divisiones) 'Parámetros de integración Tmax = 900 Deltat = 0.001 'Conductividad del aire'W/mK 'densidad de aire'kg/m3 'viscosidad de aire'Kg/ms 'Pranda de aire' 'poder calorífico'J/KgK 'fraccion de humedad inicial 'inializacion de la fraccion de humedad inicial 'difusión de la madera, 'partes que se divide el espesor 'diferencial de espesor,m 'tiempo máximo de simulación,s. 'diferencial de tiempo,s 'Inicialización de valores de variables fila = 2: DeltaP = Tmax / 300: fil = 3 Worksheets("Sheet2").Range("a2:x400").Clear 126 Worksheets("aproximantes").Range("A2:x1800").Clear ' integracion de variables respecto al tiempo For T = 0 To Tmax Step Deltat deltaz = vp * Deltat Z = Z + deltaz If Z <= 6 Then F_v1 = F_vapor If Z > 0 And Z <= 4 Then F_va1 = F_v1 * 0.5 A_tranf = Pi * d_ext * (l_tubo) * f_t * (aleta) t_vapor = 163 v_aire = ((motor_vt * 2 / (ro_aire * a_vt)) ^ (1 / 3)) m_aire = v_aire * ro_aire * a_vt re_aire = v_aire * ro_aire * D_hum / u_aire nu_aire = 0.107 * re_aire ^ 0.69 * 0.69 ^ 0.33 he = nu_aire * k_aire / (D_hum) u = he q = (2070) * F_va1 * 1000 t_aire = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) tz1 = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) ElseIf Z > 4 And Z <= 6 Then F_va2 = F_v1 * 0.5 A_tranf = Pi * d_ext * (l_tubo) * f_t * (aleta) t_vapor = 163 v_aire = ((motor_vt * 2 / (ro_aire * a_vt)) ^ (1 / 3)) re_aire = v_aire * ro_aire * (D_hum) / u_aire nu_aire = 0.107 * re_aire ^ 0.69 * 0.69 ^ 0.33 he = nu_aire * k_aire / (D_hum) u = he q = 2070 * F_va2 * 1000 t_aire = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) tz1 = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) End If ElseIf Z > 6 And Z <= 14 Then If Z > 6 And Z <= 10 Then F_v2 = F_vapor A_tranf = Pi * d_ext * l_tubo * f_t * (aleta * 0.971) t_vapor = 193 v_aire = ((motor_vt * 2 / (ro_aire * a_vt)) ^ (1 / 3)) 127 re_aire = v_aire * ro_aire * D_hum / u_aire nu_aire = 0.107 * re_aire ^ 0.69 * 0.69 ^ 0.33 he = nu_aire * k_aire / D_hum u = he q = lamda * F_v2 * 1000 t_aire = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) tz2 = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) vz2 = F_vapor ElseIf Z > 10 And Z <= 14 Then F_v3 = F_vapor A_tranf = Pi * d_ext * l_tubo * f_t * (aleta) t_vapor = 193 re_aire = v_aire * ro_aire * D_hum / u_aire nu_aire = 0.107 * re_aire ^ 0.69 * 0.69 ^ 0.33 he = nu_aire * k_aire / D_hum u = he q = lamda * F_v3 * 1000 t_aire = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) tz3 = t_vapor - (q) / (u * A_tranf) vz3 = F_vapor End If If Z > 14 Then q=0 End If End If For j = 1 To (divisiones) Step 1 If T = 0 Then di(T, 1) = x di(0, j) = xa di(0, 11) = di(0, 10) ElseIf T > 0 Then If j = 1 Then di(T, 1) = x ElseIf j > 1 Then Taux1 = di((T - Deltat), (j)) Taux2 = di((T - Deltat), (j + 1)) Taux3 = di((T - Deltat), (j - 1)) 128 di(T, j) = (Taux1 + alfa * Deltat * ((Taux2 - 2 * Taux1 + Taux3) / delta_r ^ 2)) di(T, 11) = di((T), 10) End If End If Next j If tem < tsat Then es = 0.0004 area_c = a_secadero * f_espacios * l_secadero m_a = m_aire / (30) m_s = ms * area_c * es * piso_sec deltax = -(m_a * (y - yi) / (m_s)) * Deltat x = x + deltax aa = Pi * 0.00508 ^ 2 / 4 v_at = m_a / (n_o * aa) h = 1.17 * (v_at * 3600) ^ 0.37 cph2o = (2.7637 * 10 ^ 5 + -2.09 * 10 ^ 3 * (tem + 273) + 8.125 * (tem + 273) ^ 2 + -1.4116 * 10 ^ -2 * (tem + 273) ^ 3 + 9.37 * 10 ^ -6 * (tem + 273) ^ 4) / 18.015 deltatem = (h * (t_aire - tem)) / (ms * es * cps + ms * x * es * cph2o) * Deltat tem = tem + deltatem pvap = 610.7 * 10 ^ ((7.5 * tem) / (273 + tem)) * 9.869233 * 10 ^ -6 y = 0.622 * pvap / (pa - pvap) ElseIf tem >= tsat Then deltamh2o = -(h * area_c * (t_aire - tem)) / lamda_atm * Deltat deltax = deltamh2o / m_s x = x + deltax If x <= 0 Then deltatem = (h * 2 * (t_aire - tem)) / (ms * e * cps) * Deltat tem = tem + deltatem x=0 End If End If xprom = di(T, 10) If (hum_f / 100) > xprom Then rp1 = 0 ElseIf (hum_f / 100) <= xprom Then rp1 = T End If 129 mh2o_prom = m_s * xprom If x > 0 Then psf = 0 ElseIf x <= 0 Then psf = di(T, 11) * 100 End If If T = 0 Then Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 1) = T Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 2) = Z Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 3) = tem Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 4) = xprom * 100 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 5) = t_aire Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 6) = rp1 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 7) = tz1 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 8) = tz2 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 9) = tz3 Worksheets("principal").Cells(6, 6) = F_v3 Worksheets("principal").Cells(6, 8) = F_v2 Worksheets("principal").Cells(6, 10) = F_v1 Worksheets("principal").Cells(21, 15) = ((F_v3 + F_v2 + F_va1 + F_va2)) Worksheets("aproximantes").Cells(fil - 1, 1) = T Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 13 For j = 1 To (divisiones + 1) Step 1 Worksheets("aproximantes").Cells(1, 2) = e / 2 Worksheets("aproximantes").Cells(fil - 1, j + 1) = di(0, j) * 100 Next j DeltaP = Tmax / 300 + DeltaP fila = fila + 1 ElseIf T >= DeltaP Then Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 1) = T Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 2) = Z Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 3) = tem Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 4) = xprom * 100 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 5) = t_aire Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 6) = rp1 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 7) = tz1 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 8) = tz2 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 9) = tz3 Worksheets("principal").Cells(6, 6) = F_v3 Worksheets("principal").Cells(6, 8) = F_v2 130 Worksheets("principal").Cells(6, 10) = F_v1 Worksheets("principal").Cells(21, 15) = ((F_v3 + F_v2 + F_va1 + F_va2)) Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 1) = T Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 2) = di(T, 1) * 100 Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 13) = psf For j = 2 To (divisiones + 1) Step 1 Worksheets("aproximantes").Cells(fil, j + 1) = di(T, j) * 100 Next j DeltaP = Tmax / 300 + DeltaP fila = fila + 1 fil = fil + 1 Tlast = T End If i=1+1 Next T If Tlast < Tmax Then Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 1) = T Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 2) = Z Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 3) = tem Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 4) = xprom * 100 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 5) = t_aire Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 6) = Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 7) = tz1 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 8) = tz2 Worksheets("Sheet2").Cells(fila, 9) = tz3 Worksheets("principal").Cells(6, 6) = F_v3 Worksheets("principal").Cells(6, 8) = F_v2 Worksheets("principal").Cells(6, 10) = F_v1 Worksheets("principal").Cells(21, 15) = ((F_v3 + F_v2 + F_va1 + F_va2)) Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 1) = T Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 2) = di(T, 1) * 100 For j = 3 To (divisiones) Step 1 Worksheets("aproximantes").Cells(fil, j) = di(T, j) * 100 Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 12) = di(T, 11) * 100 Worksheets("aproximantes").Cells(fil, 13) = psf Next j End If End Sub 131 ANEXO VIII USO DEL PROGRAMA DE SIMULACIÓN Para iniciar se ingresa al programa SECA-IM y se despliega una interfaz gráfica como se puede apreciar en la Figura AVIII.1. Figura AVIII.1. Interface del usuario del programa de secado de chapas de madera de las especies Sande y Pachaco. Para ejecutar el programa, los datos son ingresados en casillas de la hoja de Excel de la forma que se indican a continuación. En la Tabla AVIII.1, se indica las variables y sus unidades que se ingresan en la interface del usuario del programa cuando ésta se ejecuta, la cual determinan el tiempo de secado de las chapas de madera 132 Tabla AVIII.1. Variables a ingresar en la interface del usuario del programa Parámetros de Simulación Valor Unidad VAPOR DE AGUA Presión de vapor 200 psi CONDICONES AMBIENTALES Temperatura 20 °C MADERA Especie 1 Sande Espesor 2,5 mm Humedad inicial 65 % Humedad final 12 % velocidad de paso 2,5 m/min El parámetro especie está relacionado con las propiedades de la maderera como son la densidad en base seca y la difusión del agua en la madera, se debe colocar 1 para la especie Sande y 2 para la especie Pachaco. El espesor depende del requerimiento para el armado de los tableros contrachapados que para este estudio son 0,87; 1,50 y 2,50 mm. La humedad inicial de árboles que varía según la especie, la estación del año, la región geográfica y el lugar de crecimiento del árbol, los parámetros obtenidos a escala laboratorio que se utilizaron en la simulación de fueron 65 % de humedad para el Sande mientras que para el Pachaco fue de 104 y 144 % de humedad considerando que dentro del árbol existe una distribución variable de la humedad, en el Duramen y Albura. La humedad final es la que se requiere para el proceso de fabricación de los tableros contrachapados sin que altere la calidad del producto en el pegado y la emisión de formaldehido libre, estas son de 6 % (que actualmente la empresa utiliza) y las humedades propuestas en este estudio de 8, 10 y 12 %. 133 Para determinar la velocidad de paso adecuada, la cual deber ser las más alta posible con el fin de disminuir tiempos de proceso, se debe realizar el siguiente procedimiento de iteración: Ø Se asume una velocidad de paso inicial, la cual se ingresa en la interface del usuario. Ø Se corre el programa, el cual reporta entre otros resultados, el tiempo de secado requerido para alcanzar la humedad deseada y la velocidad de paso que corresponde al tiempo reportado. Ø Si la velocidad de paso así calculada, es diferente a la velocidad de paso asumida, se ingresa en la interface de usuario la velocidad de paso calculada, la cual pasa a ser la nueva velocidad asumida y se corre el programa. Ø Se recomienda repetir el proceso hasta que la velocidad asumida y calculada sean iguales con una cifra decimal. El programa reporta adicionalmente la siguiente información: temperatura de cada zona de secado, punto de saturación de la fibra y costo de secado. Se observa además curvas de secado, así como perfiles de humedad y temperatura respecto a la longitud del secadero durante el proceso de secado. Finalmente, se generan gráficos de gradiente de humedad en el interior de la madera en intervalos de tiempo de un minuto. 134 ANEXO IX CALCULOS DEL COSTO DE SECADO La producción de tableros contrachapados de 12 mm, es . Requerimiento mensual de las chapas utilizadas. [AIX.1] La producción de los tableros contrachapados de 18 mm, es Requerimiento mensual de las chapas utilizadas El costo del vapor en la empresa es 12,5 . 135 El vapor que se consume en el secadero para alcanzar la temperatura de trabajo actual de la empresa es 0,51 . El costo del vapor que se consume en el secadero es: El volumen de producción del secadero [AI.2] Donde e es el espesor de las chapas en (m) Costo de secado de las chapas, está en función del tiempo de secado en (s). Para secar Sande de 2,5 mm, a 6 % de humedad final se tiene que: El tiempo de secado es 420 s. Por lo tanto el costo de secado es Para obtener el costo mensual se multiplica por el volumen de producción que se requiere. 136