Diseño de secadores convectivos zonales para procesamiento de paletas y productos de álamo

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1 Diseño de secadores convectivos zonales para procesamiento de paletas y productos de álamo Nombre del alumno: Profesor guía: Curso: Semestre: Matías Ignacio Jiménez Rivas Leonel Núñez Lazo ME 6908 Primavera 2014 Leído y Aprobado Firma Profesor Guía Santiago - Chile 03 del Noviembre de 2014

2 Índice general 1. Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Antecedentes Secador zonal convectivo Procesos de secado Procesos que condicionan el secado de chapa de madera Factores de la madera que condicionan el secado Tensiones de secado Producción de paletas Metodología Carta Gantt Comentarios Referencias Índice de Figuras Figura 3-1 Paleta para pintura de Figura 3-2 Esquema del secador convectivo [2]... 4 Figura 3-3 Defectos típicos de secado [2]... 7 Figura 3-4 Flujograma de los procesos de producción de palitos de helados... 8 Figura 4-1 Esquema de la metodología... 9 Figura 5-1 Carta Gantt Índice Tablas Tabla 3-1 Dimensiones y propiedades de paleta para pintura de álamo [2]... 3 Tabla 3-2 Condiciones zonales de secado [2]... 4 Tabla 3-3 Disminución de peso por evaporación en zonas de secado [2]... 4 Tabla 3-4 Parámetros de placas de inyección de aire [2]... 5

3 1. Introducción La actividad maderera es una de las principales actividades económicas del país, representando en su totalidad un 4,12 % del PIB [1]. Es por éste motivo que la calidad y eficiencia de todos los procesos involucrados en ésta actividad son fundamentales para la obtención de productos elaborados aptos para el comercio internacional. En la actualidad el proceso de secado de manera plantea desafíos que resumen los estándares de calidad que la industria maderera anhela para sus productos. Durante el secado de madera la calidad del producto final es extremadamente sensible a parámetros de secado y manipulación, encontrando en gran parte de los productos finales deformaciones producto de un manejo no adecuado de las condiciones de humedad. El proceso de secado de madera es el siguiente, el aire atmosférico es impulsado por medio de ventiladores, el que luego es calentado por medio de un intercambiador de calor convectivo para poder pasar al interior de la cámara de secado, el aire al pasar por la cámara permite que la humedad que está dentro de la madera sea absorbida por el aire, posteriormente el aire es extraído y devuelto al medio ambiente. El secador convectivo zonal de madera pertenece a la Compañía Chilena de Fósforos (CCF), éste cuenta con 3 circuitos independientes de flujo transversal de aire. La cama de secado es variable entre 20 a 30 cm de altura, donde fluye el aire a una velocidad de 3 a 4 m/s y con una temperatura que varía según, el circuito, de 40 a 90 C. La materia prima usada es madera de álamo en forma de paletas de a 14 con 25 a 30 mm de espesor. Los principales problemas que se presentan hoy en día en la planta son, la pérdida de presión en las camas de secado de madera, pérdidas de producto cercanas al 20% debido a deformaciones y dificultades con la aireación dentro de las camas. Esta memoria se sustenta en una parte experimental y otra parte de simulación computacional mediante CFD. Durante la parte experimental se determinarán la caída de presión a distintos espesores de camas, indagando además en los mecanismos de distorsión de las paletas. Para el análisis de las condiciones operacionales se realizará una simulación del ducto de entrada transversal al secador tratando de buscar la mejor configuración de deflectores para que las pérdidas de presión sean bajas y disminuir los problemas de aireación. 1

4 2. Objetivos 2.1. Objetivo general El desarrollo y diseño en detalle de un secador convectivo de madera ubicado en la Compañía Chilena de Fósforos, agregando los conocimientos existentes en estos equipos Objetivos específicos Efectuar un estudio CFD de las condiciones de aireación del lecho de secado. Efectuar estudios experimentales de pérdida de carga en lechos/camas de paletas. Investigar los mecanismos de distorsión de las paletas y considerarlos en el diseño mejorado del equipo. Proponer configuraciones de alta eficiencia y desempeño para los ventiladores e intercambiador convectivo ad hoc para el secador. 2

5 3. Antecedentes A continuación se muestran los antecedentes que permiten comprender el funcionamiento de un secador convectivo zonal y la descripción del proceso de corte y proceso de la chapa de madera Secador zonal convectivo Secador zonal convectivo es un secador que va secando en una serie de etapas o unidades multizona, esto es ideal para productos que poseen un alto contenido de humedad y que son de formato pequeño. Por dentro del secador pasan bandas transportadoras que permiten orientar el producto, esto permite beneficiar el producto en el ciclo de secado. En los secadores para CCF se emplea un sistema que consiste en 3 etapas, cuenta con una serie de cortinas, separaciones y sellos que permiten crear zonas, estas permiten que el flujo de aire, la temperatura y la humedad sean independientes en cada uno de los niveles, esto permite cambiar los parámetros para cambiar los procesos. Para el caso específico secador de paletas, se utiliza para el secado de las Paletas de 12 de pintura (ver Figura 3-1). Las paletas son elaboradas a partir de álamo, las cuales poseen las dimensiones y propiedades mostradas en la Tabla 3-1. Figura 3-1 Paleta para pintura de 12. Tabla 3-1 Dimensiones y propiedades de paleta para pintura de álamo [2] Paleta pintura 12 Valor Unidad Largo 30,6 cm Ancho 2,9 cm Espesor 0,37 cm Peso seco 11 g Densidad aparente (*) 0,124 g/cm³ (*): Densidad aparente en lecho de secado. El secador está compuesto por 3 cámaras de secado independientes entre ellas, cada una de éstas tiene una temperatura y humedad de aire de secado específica, una tasa de aireación y tiempo de residencia. Los parámetros de operación del secador están dados en la Tabla 3-2. El secador posee tres zonas independientes que estas configuradas en forma vertical, donde cada uno de los lechos o sectores tiene que ser hermético. El flujo de aire caliente proveniente de los ventiladores incide sobre las camas de paletas por las bandejas de conducción que están instaladas por debajo de la malla de transporte. En la Figura 3-2 se puede ver un esquema del secador convectivo. 3

6 Zona Tabla 3-2 Condiciones zonales de secado [2] Temperatura aire secado [ C] Tiempo de residencia [min] Velocidad aire incidente [m/s] Zona ,5 Zona ,5 Zona ,5 El aire es suministrado por ventiladores centrífugos, dos unidades por cada zona que están instalados en la parte superior del secador, cada uno de los ventiladores posee un circuito de calefacción y ventilación con intercambiadores vapor-aire y dampers que permiten establecer la humedad de secado. Las principales dimensiones del secador son [2]: Largo total, incluyendo tolva de carga: 12 m. Ancho, incluyendo ductos de aireación: 2,5 m. Altura, incluyendo sistemas de aireación 3,5 m. Figura 3-2 Esquema del secador convectivo [2] Otro de los parámetros relevantes dentro del secador es la disminución de peso por la evaporación que se produce en las distintas zonas de secado, esto se puede ver en la Tabla 3-3, en esta se puede ver como en la primera zona existe una baja pérdida porcentual de agua y como en la tercera zona existe una pérdida mayor. Tabla 3-3 Disminución de peso por evaporación en zonas de secado [2] Caudal Másico Base Húmeda kg/h Base seca kg/h ΔPeso kg/h Pérdida Porcentual Tasa Evaporación kg/s Zona ,0286 Zona ,0286 Zona ,0072 4

7 Para que exista una separación de las distintas zonas, el aire es conducido e inyectado bajo el lecho de paletas por una placa de inyección, las principales parámetros de las placas se observan en la Tabla 3-4. Tabla 3-4 Parámetros de placas de inyección de aire [2] Parámetro Valor Unidad Velocidad Aire Incidente 4 m/s Ventiladores Por Zona 2 c/u Placas de Inyección Zona 5 c/u Ancho de Placa 900 mm Porcentaje de Utilización Placa 0,8 % Porcentaje de Utilización Labio 0,11 % Ancho Separador 30 mm Ancho Boquillas 3,70 mm Numero de Boquillas 22 c/u Caudal de Aire Total m 3 /h 3.2. Procesos de secado La madera es una material orgánico, heterogéneo, anisótropo e higroscópico, que procede del tronco y de las ramas de los árboles [3]. Además de las propiedades anteriores la madera también almacena una gran cantidad de agua en su interior, estos factores hacen que el proceso de secado sea difícil. A continuación se describen los procesos que condicionan el proceso de secado, durante el proceso y las condiciones intrínsecas de la madera Procesos que condicionan el secado de chapa de madera Para poder entender el proceso de secado de la madera es importante mencionar los procesos que condicionan el proceso de secado [4]. Temperatura Al ser el movimiento del agua dentro de la madera un fenómeno regido por la difusión, implica que la temperatura es un factor importante en la velocidad con que se genera dicho fenómeno. El aumento de temperatura permite transmitir energía cinética a las moléculas de agua residentes en la madera en una proporción tal que facilita su evaporación, la cual se ve directamente influenciada por la energía térmica que se le entrega al sistema así como de la capacidad del aire, que circunda la troza, de poder absorber la humedad liberada. Humedad Relativa del aire de secado La humedad relativa determina la capacidad de secado del aire. El aire seco posee una gran capacidad de secado, conteniendo así una mayor cantidad de vapor de agua. La capacidad de secado es afectada por la temperatura, ya que con el calentamiento del aire aumenta la capacidad de secado debido a que la elevación de la temperatura causa un descenso en la humedad relativa, es decir, el aire necesita mayor cantidad de vapor para saturarse. 5

8 Velocidad del aire La circulación del aire es vital para poder transmitir la temperatura dentro de las fibras de la madera y así realizar el proceso de evaporación, no obstante también cumple un rol fundamental en la remoción de la humedad que es expulsada hacia la superficie. Cuanto menor sea el espesor de la capa límite, mayor es la tasa de remoción de humedad a través de la superficie de la madera. La forma del flujo de aire afecta enormemente el secado, ya que una corriente turbulenta es mucho más eficaz que una laminar, pues la turbulencia afecta de mejor forma la capa límite entre la madera y el aire Factores de la madera que condicionan el secado Existen diferentes factores que dependen de la madera y que condicionan el secado, estos son mencionados a continuación: Dirección considerada La velocidad de circulación del agua es mayor en la dirección longitudinal que en la transversal, incrementándose esta diferencia al aumentar la permeabilidad de la madera. Densidad Con el aumento de densidad en la madera, se aumenta la cantidad y grosor de membranas celulares que el agua debe atravesar. Contenido de Humedad Conforme avanza la interfase de secado a través de las fibras de la madera, se producen etapas de distinta tasa de remoción de humedad, esto se debe a que los gradientes van cambiando con el tiempo y cada vez se hace más lento y trabajoso retirar una menor cantidad de agua remanente. Encontrar un programa de secado que considere estas etapas y mantenga un equilibrio es una tarea que necesita ser tomada en consideración. Espesor El espesor es fundamental ya que es distinto el comportamiento de secado en trozas de madera delgada con respecto a madera gruesa, por lo que el problema se aborda de manera diferente Tensiones de secado Cuando se produce la extracción del agua dentro de la madera, desde el interior de las fibras hacia el exterior, van originando tensiones que provocan distintos defectos de secado, estos pueden ver en la Figura 3-3. Estos esfuerzos han sido constantemente estudiados para poder ser erradicados y de esta forma mejorar la productividad del sector maderero. Uno de los efectos del secado de la madera es la contracción de las fibras, pero si ésta se produce en forma desigual o muy rápidamente, da origen a grietas, torsiones, alabeos tangenciales y longitudinales, etc. 6

9 Figura 3-3 Defectos típicos de secado [2] Los fenómenos físicos que afectan el desarrollo de las tensiones de secado dependen de una compleja interrelación entre el comportamiento térmico de la madera y de los mecanismos de migración de la humedad. En efecto, la distribución de temperatura de la pieza en proceso de secado depende de las propiedades termo físicas de la especie considerada, de la tasa de calentamiento y de las condiciones geométricas del trozo Producción de paletas La producción de paletas se realiza a través de un proceso de transformación que tiene una alta especialización, y está dado por la siguiente secuencia: Tala y corte de trozas Transporte a planta Formateado de trozas Descortezado y macerado de trozas formateadas Debobinado de trozas maceradas Picado de paletas Secado y pulido de paletas Preselección y Selección automática de paletas Reclasificado manual de paletas Bodegaje/despacho del producto terminado. En la Figura 3-4 se puede ver el Flujograma de la producción de palitos de helados, que es muy similar al proceso de fabricación de las paletas. 7

10 Figura 3-4 Flujograma de los procesos de producción de palitos de helados 8

11 4. Metodología En la Figura 4-1 se puede observar el esquema de metodología que se presenta para esta memoria. Para alcanzar los objetivos específicos se necesita realizar en primer lugar una recopilación de antecedentes y revisión bibliografía de todo el material disponible para tener una buena idea del contexto donde se realiza la memoria. Después de lo anterior se necesitan realizar pruebas experimentales, en esta se quieren encontrar dos de los objetivos, donde uno es la perdida de carga que se provoca en las camas de secado, variando la altura de las camas, y la otra es determinar los distintos mecanismos de distorsión de la madera, todo lo anteriormente dicho se realizara en dependencias de la misma empresa. Para la realización del estudio de mecánica de fluidos computacionales (CFD), se tomaran los planos del secador y variando diferentes parámetros se quiere tener la mejor distribución de flujos dentro de la cámara de secado, es decir optimizar el flujo interno y optimizar la tasa de aireación del lecho de palos. El CFD se valida de manera indirecta!! Se verifica la calidad de los palos en términos de humedad y distorsión. Baja humedad y baja distorsión implica buena y adecuada tasa de aireación, ergo el CFD funciona!! Para la validación del estudio CFD se verificara la calidad de los palos en términos de humedad y distorsión. Baja humedad y baja distorsión implica buena y adecuada tasa de aireación, por lo tanto el CFD queda validado. Por último se realiza la consolidación del informe, en donde se exponen los diferentes resultados, las principales discusiones y conclusiones de la memoria. Figura 4-1 Esquema de la metodología 9

12 5. Carta Gantt En la Figura 5-1 se muestra la Carta Gantt de la memoria. Actividades Semanas semestre Otoño 2015 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 HH A1 Recopilación de antecedentes A2 Realizacion pruebas de pérdidas de carga A3 Actualización informe A4 Realización CFD A5 Desarrollo informe de avance 0 15 A6 Entrega informe de avance 0 15 A7 Integración los resultados al diseño mejorado del secador A8 Determinación de equipos y tipos de ventiladores 1 35 A9 Determinación de conclusiones y cierre de etapas 0,9 0,9 60 A10 Desarrollo de informe final y revisión 0,9 0,9 60 A11 Entrega informe final 0,4 15 Figura 5-1 Carta Gantt 10

13 6. Comentarios Luego la revisión de antecedentes se puede ver como el área de procesos de secado de productos de madera es un área compleja, que tiene un amplio campo para el desarrollo de nuevas tecnologías. El secado de madera está muy concentrado en grandes trozos de madera, en cambio el secado de madera de pequeño formato está más limitada al tener poca participación en el mercado. Los factores intrínsecos de la madera y factores del secado de la madera son muy importantes y se tienen que tomar en cuenta al diseñar un secador, ya que estos factores van a determinar si existe una mayor pérdida de materia prima producto de las deformaciones producidas en la madera. 11

14 7. Referencias [1] SOFOFA, «SOFOFA,» [En línea]. Available: [Último acceso: 01 noviembre 2014]. [2] INNOVATEC, «TEMSA Informe técnico, Proyecto Innova ,» INNOVATEC, Santiago, [3] L. A. Rello, «Master universitario en Restauración,» [En línea]. Available: [Último acceso: 29 Octubre 2014]. [4] J. R. Silva, «Secado convencional de madera juvenil y adulta de sequoia sempervirens, Memoria para optar al Título de Ingenierio de la Madera,» Universidad de Chile, Santiago,