Balance de energía en un horno de secar madera

Transcripción

1 Recbdo: sept / Aceptado: enero, 2016 Balance de energía en un horno de secar adera Balance of Energy n a Kln of Dryng Wood Sc. Arando Rojas-Vargas, arojas@eros.oa.ne.cu Epresa de Servcos Técncos de Coputacón, Councacones y Electrónca "Rafael Fausto Orejón Forent", Holguín, Cuba Resuen Se deternaron las ecuacones de balance de energía en un horno de secar adera y se calculó el consuo energétco para tres valores de huedad ncal: 62, 72 y 82 % base seca. Las densones de la cáara de secado son: 5,81 X 1,66 X 2,2 (largo x alto x ancho), el voluen de adera, cedro blanco, es de V=10,9. El ayor consuo energétco se obtuvo en la etapa 1 donde se precalenta la adera y la estructura del horno desde sus condcones ncales hasta la teperatura de bulbo seco fjada, esta energía dsnuye en la edda que decrece la huedad ncal y se debe utlzar para calcular el sstea de calentaento. Las ayores fuentes de consuo de calor son: (1) el calor requerdo para evaporar la huedad y roper los enlaces entre las fbras de adera y el agua; (2) el calor requerdo para calentar el are alentado al horno para susttur el are húedo que fluye en la cáara hasta la teperatura de bulbo húedo fjada. Se estableceron sete recoendacones para dsnur el consuo energétco. Palabras clave: secado de adera, balance de energía, horno de secado. Abstract The equatons of energy balance were deterned n a kln of dryng wood and the energy consupton was calculated for three values of ntal osture: 62, 72 and 82 % base dry. The densons of the dryng chaber are: 5,81 X 1,66 X 2,2 (Length X Heght X Wdth), the wooden volue, whte cedar, s of V=10,9. The bggest energy consupton was obtaned n the stage 1 where t s requred to ncrease the kln and luber teperature fro ts ntal values to the dry-bulb set-pont teperature. Ths energy dnshes n the easure that the ntal hudty falls and t should be used to calculate the heatng devce. The bggest sources of consupton of heat are: (1) the heat requred to transfor water nto vapor and to break the bonds between wood fber and absorbed water; (2) The heat requred to war up the fresh ar fed fro outsde to the kln, whch s used to replace the ost ar that flow nsde the chaber to the wet-bulb set-pont teperature. Seven suggestons to reduce the energy consupton were dscussed. Keywords: dryng wood, balance of energy, furnace o dryng. 20 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

2 Arando Rojas-Vargas, págs Introduccón El proceso de secado de la adera consste en la elnacón del agua en exceso del ateral recén cortado. El secado de la adera, dsnuye los gastos de transportacón; ncreenta la establdad densonal al controlar el encogento; auenta la resstenca al ataque o crecento de croorgansos, hongos e nsectos; ejora las propedades ecáncas coo la resstenca a la flexón, copresón y traccón; y perte dar un acabado de ayor caldad al producto. El contendo de huedad de la adera puede exstr coo se relacona a contnuacón: [, 5, 6]. a) Agua lbre o caplar: Se refere al agua contenda en las cavdades o luen de la célula. Es de ás fácl extraccón. Al elnarla no se presentan odfcacones aprecables en las propedades físcas y ecáncas del leño y se llega a un nvel de huedad en base seca entre 28 % a 0 % en la adera. A este contendo de huedad se denona Punto de Saturacón de las Fbras (PSF). b) Agua latente (de pregnacón, absorcón, retenda o hgroscópca): Es al agua que se encuentra adherda a las paredes celulares. Una vez ncada la elnacón de esta fora de huedad a partr del PSF, se ncan las odfcacones de las propedades físcas y ecáncas de la adera. c) Vapor de agua en las cavdades celulares o lúenes. d) Agua fja o de consttucón: Es el agua que fora parte de la fbra de la adera por cobnacón quíca. La elnacón de la huedad por debajo del 8 %, plca la destruccón de la adera. El secado agrupa algunas de las sguentes etapas según la caldad del producto y el prograa de secado: Seleccón de la adera, aplado y enrastrelado, pretrataento de la adera, secado al are lbre, secado al horno y alacenaento. La clasfcacón de la adera suele realzarse según la espece, espesor, huedad, tpo de adera y tpo de corte. El aplado y enrastrelado deben e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

3 Arando Rojas-Vargas, págs cuplr certos requerentos para evtar defectos en el producto. El secado al are lbre perte dsnur el costo energétco del secado en cáaras. De acuerdo a la espece de adera, se aplca un prograa de secado, este consta de varas fases coo son: calentaento, secado e gualacón y acondconaento. El alacenaento, coo etapa fnal del proceso, debe garantzar preservar la caldad especfcada para el producto. [, 5, 6]. Los hornos de cáaras constan por lo general de los sguentes eleentos: cáara de secado, sstea de areacón, calefaccón, hudfcacón, deshudfcacón y sstea de control autoátco. El secado de adera en hornos de cáara consste en hacer pasar are por los ssteas de areacón, calefaccón y hudfcacón para luego atravesar las plas de adera. entras el are crcula entre la adera, absorbe huedad, auenta la huedad relatva y dsnuye la teperatura, debdo a la transferenca de calor del are a la adera. Cuando el are terna este recorrdo, se fuerza con los ventladores a salr por las ventlas o copuertas de areacón y al so tepo se alenta are del exteror a la cáara, orgnando un nuevo cclo en el proceso de secado. El objetvo del trabajo es deternar cuáles son las ayores fuentes de consuo de calor durante el proceso de secado de la adera así coo la energía a consderar para el cálculo del edo de calentaento. aterales y étodos El horno de secar adera posee las densones reflejadas en la tabla 1. Tabla 1 Densones del horno de secado ITES Horno Cáara Largo () 5,81 5,810 Alto () 2,26 1,660 Ancho () 2,2 2,20 22 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

4 Arando Rojas-Vargas, págs La adera es de cedro blanco y posee coo densones 2,4 x 0,048 x 0,0508 (Largo x Ancho x Espesor); los separadores, 2,17 x 0,0508 x 0,0254 ; y una pla, 2,4 x 1,62 x 2,17. El voluen de adera alentado es de V=10,9. En la tabla 2 se uestra el prograa de secado por etapas (E) y las propedades necesaras para los cálculos. Tabla 2 Prograa de secado del cedro. Propedades del agua y are E t (h) X (%) X -1 X Tbs (ºC) Tbh (ºC) HR (%) Y (kg/kg) Ha (kj/kg) V H ( /kg) p (kg/ ) v (kj/kg) 1 6,5 > ,5 51,5 86 0, ,47 1,066 1, ,8 2 6, ,5 50,5 81 0, ,45 1, , , ,5 48,5 71 0, ,22 1,09 2 1, , ,5 46,0 62 0, ,01 1,02 4 1, , ,0 49,0 55 0, ,04 1, , ,0 6 12, ,5 51,5 49 0, ,44 1, , ,9 7 12, ,0 54,5 4 0, ,91 1,11 0, ,5 8 15, ,0 54,5 26 0,095 5,21 1, , ,7 Condcones abentales ,017 89,45 0, ,160 - La asa de are húedo en cada etapa de secado, se calcula por la ecuacón (1), es la sua del are seco ás el agua contenda, e gual al producto del voluen de are presente en la cáara por la densdad del are húedo. a V (1) as a a a kg kg La asa de are seco se calcula coo la asa húeda entre el voluen húedo (2). as 1 Va (2) V H kg aresec o 1 ezcla kg aresec o e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

5 Arando Rojas-Vargas, págs La asa de adera húeda es el producto del voluen de adera verde alentada al horno de secado, por la densdad de la adera (voluen base verde) (). () h V kg kg s La asa de adera seca se calcula coo la dferenca entre la asa de adera húeda h y la asa de agua a ; la asa de agua, es el producto de la asa de adera húeda por la huedad en base húeda en la etapa () (4). s V (4) kg kg * 1 X El calor a sunstrar al horno de secar adera debe suplr el calor necesaro para: 1 : Calentar la estructura del horno. 2 : Calentar el are del nteror del horno. 4 : Calentar la adera húeda. : Calentar la adera seca. 4 : Calentar el agua contenda en la adera. 5 : Evaporar el agua o huedad y deslgar el agua de la adera, es decr el calor de vaporzacón y el calor dferencal de adsorcón. 6 : Suplr las pérddas por conveccón, radacón y las fugas. 7 : Calor necesaro para calentar el are de secado alentado al horno, para antener el equlbro de huedad dentro de las especfcacones del prograa de secado. Es el calor que se debe sunstrar para suplr el calor que se 24 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

6 Arando Rojas-Vargas, págs perde por las ventlas con el are calente que se despoja de la cáara con exceso de huedad. En la fgura 1 se uestra el dagraa entalpía teperatura del calentaento, vaporzacón y adsorcón del agua en cada etapa de secado. H (kj/kg) E-8 E-7 E-6 E-1 v E-5 (E-4) (E-2) 25 54, , T(ºC) Fgura 1. Dagraa entalpía-teperatura del agua Las ecuacones a aplcar se descrben a contnuacón: 1 : Calentar la estructura del horno. El calor absorbdo por el aslante (as) nteror del horno, en un gradente de teperatura T se deterna por la ecuacón (5). Se despreca el calor absorbdo por la pared etálca exteror del secador. 1 Vas as cpas T (5) 1 2 L H H A L A cp T as as kg kj kg º C kj º C donde Voluen de aslante V as, espesor, largo (L), alto (H), ancho (A) e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

7 Arando Rojas-Vargas, págs : Calentar el are húedo en el nteror del horno. El calor absorbdo por el are húedo del nteror de la cáara, se calcula por la ecuacón (6) utlzando la entalpía específca del are húedo. V H H (6) a 2 a a1 VH kj 4 kj ezcla kg aresec o kg aresec o : Calentar la adera húeda. El calor absorbdo por la adera húeda, para calentarse desde la teperatura (T -1 ) hasta la teperatura de operacón (T ) a la huedad ncal de la etapa (X* ) se calcula por la ecuacón (7) y el calor específco por la ecuacón (8). 4 V cpy T (7) kg kj kg º C kj º C El calor específco de la adera húeda (cp Y ) es ayor que el de la adera seca (cp ). Debajo del punto de saturacón de la saturacón de las fbras, es la sua de la capacdad de la adera seca (cp ) y la del agua (cp a ) y el factor de ajuste adconal (Ac) que consdera la energía en el enlace agua adera. // cp Y cp 0,01 X 1 0,001 X cp a Ac (8) donde X es la huedad proedo (%) en la etapa de secado y el calor específco del agua es de 4,19 kj/kg.k. El factor de ajuste adconal (Ac) se puede calcular por la ecuacón (9). // Ac X 4 4, ,6 10 T 1,10 X 0 (9) Donde la teperatura T, se refere a la teperatura de bulbo seco proedo de la etapa, Tbs, en Kelvns y la huedad en porcento. 26 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

8 Arando Rojas-Vargas, págs Las ecuacones (9) y (10) son váldas bajo el punto de saturacón de las fbras a teperaturas entre 7 ºC y 147 ºC. Para calcular el cp de la adera seca (cp ), se aplca la ecuacón (10). // cp 0,101 0, T (10) Donde la teperatura (T), se refere a la teperatura de bulbo seco, Tbs, en Kelvns y calor específco de la adera seca (cp ), kj/kg-k. : Calentar la adera seca. El calor absorbdo por la adera, para calentarse desde la teperatura (T -1 ) hasta la teperatura de operacón (T) a una huedad ncal de la etapa (X* ), se calcula por la ecuacón (11). * X V 1 cp T (11) 100 kg kj kg º C kj º C 4 : Calentar el agua de la adera. El calor absorbdo por el agua, para calentarse desde la teperatura (T -1 ) hasta la teperatura de operacón (T ) a una huedad ncal de la etapa (X* ) se calcula por la ecuacón (12). * X 4 V cpa T (12) 100 kg kj kg º C kj º C 5 : Calor de vaporzacón y desorcón. El calor para vaporzar el agua enca del punto de saturacón de las fbras (X>0 %), se calcula por la ecuacón (1). 5 V * * X X 1 v (1) 100 kg kj kj kg Para calcular el calor de evaporacón del agua v, se recoendan las tablas terodnácas Keenan o la ecuacón cobnada de Antone para calcular la e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

9 Arando Rojas-Vargas, págs presón de vapor del agua y la ecuacón de Clausus - deternar el calor de vaporzacón (14). /1, 2/ Clapeyron para 2 B R T v (14) donde T C 2 El calor de vaporzacón v en (kj/kg) B= 876,097 4; R, constante de los gases deales gual a R=0,462 2 kj/kg-k; C=-4,22 4 Por debajo del punto de saturacón de las fbras, la energía para la vaporzacón del agua es ayor que el calor latente de vaporzacón. Para los nveles de huedad enores de 20 %, el calor de adsorcón auenta exponencalente con la dsnucón de la huedad de 20 a 0 %. Wechert propuso la ecuacón (15) para calcular el calor dferencal de desorcón: // X 1 X a exp 14,5 6, (15) donde a Es el calor dferencal de adsorcón (BTU/lb) (1 BTU/lb = 4,186 9 kj/kg) X: Huedad, en porcento. 6 : Suple las pérddas por conveccón y radacón. Se consdera un 8 % de pérddas de calor por radacón y conveccón a través de las paredes del horno ( 6 = 8 % R ) 7 6 (16) 1 7 : Calor perddo por las ventlas. El are en el nteror de la cáara de secado absorbe la huedad que se evapora de la adera y para antener la huedad relatva en la cáara coo especfca el prograa de secado, es necesaro expulsar por las ventlas el exceso de huedad y a su vez, rencorporar a la cáara un flujo de are de copensacón. Esto ncde en que haya pérddas de calor con el are húedo que se expulsa, lo que se puede 28 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

10 Arando Rojas-Vargas, págs dsnur nstalando un equpo de transferenca de calor. El calor que se perde se calcula por la ecuacón (17). V * * X X H a H a (17) Y Y 1 donde H a (kj/kg) es la entalpía específca Y a la huedad del are de las correntes que salen y entran a la cáara kg 1 kj kj kg agua kg agua kg are sec o descarg a kg agua kg are sec o abente kg are sec o a V * * X X 1 1 VH Y Y (18) ezcla kg kg agua kg agua kg are sec o descarg a 1 kg agua kg are sec o abente ezcla kg are sec o La asa de are húedo que sale se calcula por la ecuacón (18) donde V H : voluen húedo ( de ezcla / kg de are seco) y dvddo por el tepo de operacón, perte calcular el flujo a extraer. El secado de la adera húeda se puede consderar coo un proceso de vaporzacón adabátca (hudfcacón) coo el representado en la fgura 2, donde el contendo de vapor en la ezcla gaseosa auenta debdo a la vaporzacón del líqudo. Para verfcar s el are se satura o no de vapor; o alcanza una huedad superor a la establecda en la etapa de secado y por tanto, se requere abrr las ventlas para evacuar el are húedo, se aplca la ecuacón (19). /4/ e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

11 Arando Rojas-Vargas, págs Fgura 2. Representacón de la vaporzacón adabátca del secado de la adera, etapa 1 Despejando de la ecuacón (19) se puede calcular la huedad en el punto P 2, y con la teperatura de bulbo húedo, se deterna en la carta scroétrca (u otra vía ) la huedad relatva, la cual debe ser gual o nferor a la especfcada para la etapa, o de lo contraro, se debe evacuar el are húedo por las ventlas. W a 1 V H Y W a (19) kg agua h kg are sec o ezcla kg are sec o kg h Para calcular la densdad del cedro blanco, se aplcó la ecuacón (20). // Para una huedad ncal en base seca de 82,0 % (41,5 % en base húeda), la densdad de la adera será: X 82% a G b 1 (20) % % , , 2 kg Resultados y dscusón En la fgura se uestra la potenca de secado calculada para tres condcones de huedad ncal de la adera: 62, 72 y 82 % base seca. La potenca (P) se 0 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

12 Arando Rojas-Vargas, págs calculó según la ecuacón (21), el ayor consuo sucede en la etapa de calentaento (E-1) y es enor en la edda que dsnuye la huedad. 7 P E (21) 1 t Fgura. Potenca de secado En la fgura 4, se uestra el calor de secado (%) para las etapas 1, 5, 8, a una huedad ncal de la adera de 82 %, predonando el calor absorbdo para la vaporzacón y desorcón ( 5 ) y las pérddas por las ventlas ( 7 ). Fgura 4. Calor absorbdo en las etapas de secado. X=82 % e-issn: , vol. XXXVI, No.1,

13 Arando Rojas-Vargas, págs Para dsnur el consuo energétco se establecen algunas recoendacones: Aplcar el secado solar para dsnur la huedad de alentacón de la adera y con ello, la energía necesara para calentar el agua ebebda en la adera ( -4 ) y el calor para evaporarla ( 5 ). Precalentar el are de secado alentado al horno, por transferenca de calor con el are de salda y dsnur el calor perddo por las ventlas ( 7 ). Reducr las pérddas de calor por la estructura, puertas, garantzando buen estado del aslante térco, adecuada heretcdad; pntar las paredes etálcas exterores de colores que absorban el calor ( 6 ). Realzar el control autoátco del sstea para elevar la efcenca energétca y obtener un producto de ayor caldad, debe consderar los eleentos: teperatura en la cáara y acconaento sobre el edo de calentaento; huedad relatva (o teperatura de bulbo húedo) y acconaento sobre la abertura de las ventlas y los hudfcadores; velocdad y dreccón del flujo de are por acconaento sobre los ventladores; la huedad (o teperatura, según el proceso) en el corazón de la adera en las uestras de control; y supervsón y regstro de los paráetros de secado. Revsar la nstalacón, dsposcón o estado técnco de los deflectores que pertan drgr el flujo de are en la cáara de secado y evtar zonas uertas. Verfcar la correcta dsposcón de la adera en el horno de secado: Correcto aplado de la adera en cuanto al espaco lbre entre la pla y el suelo, ancho de las plas; grosor de los separadores de la adera y separacón entre las tablas. Realzar la correcta seleccón de las uestras de control de huedad en la cáara e nstalacón de los nstruentos de edcón. 2 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

14 Arando Rojas-Vargas, págs Conclusones 1. El ayor consuo energétco para secar la adera en un horno de cáaras, se obtuvo en la etapa de calentaento, sendo esta la energía a consderar para el cálculo del edo de calentaento. 2. Las ayores fuentes de consuo de calor son: (1) el calor requerdo para evaporar la huedad y deslgar el agua de la adera y (2) el calor perddo por las ventlas con el are calente que se despoja de la cáara. Noenclatura A : Ancho () Ac : Factor de ajuste (adensonal) G b : Gravedad específca básca de la adera, asa de adera seca a la estufa u horno y voluen base adera verde H Alto () HR: Huedad Relatva (%) H a1 : Entalpía del are a la teperatura abente (kj/kg) H a : Entalpía del are a la Tbs de la etapa (kj/kg) L : Largo () a : asa de agua (kg) ay : asa de are húedo (kg) a :asa de are (kg) s : asa de adera seca (kg) Y : asa adera húeda (kg) P E : Potenca en la etapa (kw) e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

15 Arando Rojas-Vargas, págs Calor absorbdo en la etapa (kj) Tbs: teperatura de bulbo seco (ºC) Tbh: teperatura de bulbo húedo (ºC) T 1 : Teperatura ncal de la etapa (ºC) T :Teperatura fnal de la etapa (ºC) T : Teperatura proedo (ºC) t : Intervalo de tepo de una etapa E (s) V as: Voluen de aslante ( ) V a: Voluen de are húedo ( ) V H : Voluen húedo del are ( /kg) V : Voluen de adera verde ( ) X : Huedad base seca de la etapa (%) X 1 : Huedad base seca de la etapa anteror -1 (%) X : Huedad base seca proedo (%) * X : Huedad base húeda de la etapa (%) * X : Huedad base húeda de la etapa anteror -1 (%) 1 Y : Huedad del are a la Tbs en la etapa, (kg agua/kg are) Y 1 : Huedad del are abente a la Tbs, (kg agua/kg are) :Espesor del aslante () as : Densdad del aslante (kg/ ) : Densdad de la adera, voluen base verde (kg/ ) 4 e-issn: , vol. XXXVI, No.1, 2016

16 Arando Rojas-Vargas, págs cp a : Calor específco del agua (kj/kgºc) cp as :Calor específco del aslante (kj/kgºc) cp : Calor específco de la adera seca (kj/kgºc) cp Y : Calor específco de la adera húeda (kj/kgºc) v : Calor de vaporzacón a T (kj/kg) a :Calor de desorcón (kj/kg) T :Dferenca de teperatura (ºC) Bblografía 1. H. KEENAN, J. Stea Tables and oller Dagra. La Habana: Insttuto del Lbro, p RÍOS A., L.G. Deternacón del calor de vaporzacón del agua. Scenta et Technca, [S.l.], Vol., No. 49, p , ISSN Dsponble en: < Fecha de acceso: 26 octubre Coloba.. Handbook of wood, Unted States Departent of Agrculture Forest Servce adson, Wsconsn. Centennal Edton. 590 p. Dsponble en: ook_fpl_2010.pdf. Fecha de acceso: 26 octubre CRUZ VIERA, L.; PONS HERNÁNDEZ, A. Introduccón a Ingenería uíca. La Habana: Pueblo y Educacón, Cuba SNCC: RA , p VISCARA Slvero. Guía para el secado de la adera en hornos. Proyecto de anejo Forestal Sostenble BOLFOR. Docuento Técnco 69/1998. USAID/Bolva. 64 p. Dsponble en: Fecha de acceso: 26 octubre GARCÍA, L. O.; ESPINOZA, J. J. R.; RIVAS, D.. anual para el partcpante tecnología de la adera y aterales. 56 p. Ncaragua. Dsponble en: 7. de%20tecnologa%20de%20la%20adera%20%28reparado%29.pdf. Fecha de acceso: 26 octubre e-issn: , vol. XXXVI, No.1,