LA MADERA: CLASIFICACION Y PROPIEDADES. Dr. Sc. For. Julio O. Vargas M.

Transcripción

1 LA MADERA: CLASIFICACION Y PROPIEDADES. Dr. Sc. For. Julio O. Vargas M.

2 La madera como material La estructura de la madera es muy variable. La madera está conformada por una infinidad de compuestos químicos altamente ordenados. La abundancia relativa de esos compuestos varía con el ambiente y con los cambios genéticos.

3 La madera es: porosa, combustible, higroscópica deformable por los cambios de humedad ambiental, Sufre alteraciones químicas por efectos del sol, Es atacable por mohos, insectos y otros seres vivos

4 Algunas características naturales de la madera que representan desventajas para los actuales procesos tecnológicos: 1)El trabajo de la madera (movilidad por diferencias de humedad ambiente) 2)La poca estabilidad dimensional en el tiempo. (preocupación de siempre de los carpinteros). 3)Largos variables. 4)No mucha longitud de las piezas 5)La poca homogeneidad del material (veta y contraveta ) 6)Los defectos (nudos, oquedades, etc.)

5 Material compuesto de diversos elementos leñosos diferenciados que se desarrolla hacia la parte interna del cambium vascular, formando la raíz, tronco o ramas. Material heterogéneo cumple las funciones: Conducción de savia Transformación y almacenamiento de los productos vitales Sostén del vegetal

6 Clases de plantas maderables Solo las plantas que pueden desarrollar crecimiento secundario. Pueden incluirse en tres grupos: Arbol: planta de más de 5 m, con dos partes, un fuste y una copa. Arbusto: planta de menos de 5 m, sin tronco definido y se ramifica cerca de la base. Liana: plantas que elevan su ramaje por encima la sombra de los árboles

7 Clasificación de la madera Maderas sin labrar. Maderas de rollo. Maderas al hilo. Maderas escuadradas en bruto. La clasificación internacional usual de las maderas es: blandas o coníferas y duras o latifoliadas. Clasificación por dureza, se distinguen: maderas muy duras; duras; medianamente duras; blandas y muy blandas

8 Maderas comercialmente importantes Son determinadas por un conjunto de factores resultantes de la función de uso que se le de a la madera: Dimensiones Forma Calidad Tecnología del procesamiento Calidad y accesibilidad de la madera disponible Conocimiento de la estructura anatómica y propiedades físico - mecánicas

9 La calidad de una madera, viene a ser una combinación de características físicas, mecánicas, anatómicas, estéticas y químicas

10 PROPIEDADES. Las propiedades de la madera dependen enormemente de las condiciones del terreno en que se desarrollan, de su edad, crecimiento, cantidad de humedad, y varían en las distintas partes del tronco que consideramos.

11 Las características fundamentales de la madera como materia transformada es la de ser anisótropa e higroscópica.

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13 Las propiedades físicas de las maderas, se pueden agrupar entre otras en: Propiedades que determinen su comportamiento frente al agua. Hinchazón y contracción. Propiedades que determinen el comportamiento de la madera frente al calor: conductividad térmica, dilatación térmica. Propiedades que determinan el comportamiento de la madera frente a las vibraciones acústicas: conductividad, transmisión y resonancia. Propiedades que determinan el comportamiento de la madera frente al fuego: calor específico, resistencia al fuego y reacción al fuego.

14 ANISOTROPÍA Ciertas propiedades físicas y mecánicas no son las mismas en todas las direcciones que pasan por un punto determinado, varían en función de la dirección en la que se aplique el esfuerzo.

15 Higroscopico Es la capacidad que tiene la madera para absorber humedad de la atmósfera que la rodea y de retenerla en forma de agua líquida o vapor de agua. La madera contiene oquedades en el lúmen celular, entre las microfibrillas y entre las fibrillas elementales, todos ellos susceptibles de ser ocupados por agua

16 LA HUMEDAD EN LA MADERA El agua es el vehículo de transporte que utilizan las plantas para su alimento, esto, unido a la higroscopicidad de la madera, hace que esta tenga normalmente en su interior cierta cantidad de agua, que es necesario conocer antes de su uso, debido a las modificaciones que produce en las características físicas y mecánicas

17 Cuando un árbol está recién cortado, su madera contiene gran cantidad de agua, variando el contenido según la época del año, la región de procedencia y la especie forestal de que se trate. El porcentaje de agua contenido en los espacios huecos y en las paredes celulares de la madera es muy variable en el árbol vivo.

18 El árbol en pie contiene un elevado nivel de agua, pueden contener hasta 300% ó 400% de contenido de humedad; otras llegan hasta un 50% a 60% como máximo.

19 Se puede establecer que el agua puede estar contenida en la madera en las siguientes formas: Agua de sorción: Es la que está retenida por fuerzas de tipo Van der Waals, consecuencia de los grupos polares activos de la pared celular. Agua de adsorción: Es el agua que queda retenida en la pared celular como consecuencia de la fuerza de adhesión superficial. Agua de condensación o capilar: Es la retenida por fuerzas capilares, provocadas por los espacios entre microfibrillas. Agua libre: Es la contenida en el lúmen de las células prosenquimatosas. Su fuerza de retención es muy pequeña, de forma que no puede captar agua de la atmósfera sólo si se produce una inmersión de la madera en agua

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21 Polaridad La madera tiene carácter polar y por tanto tiene afinidad con los productos polares, como puede ser el agua, los pegamentos de carácter polar, los barnices. Hr (aire)

22 La humedad de la madera Se dice que una madera tiene una humedad del H% cuando, si la madera pesa Po cuando está seca, el peso del agua es H. P 0 /100. Pudiéndose expresar de la siguiente manera: H = Ph - Ps Ps x 100 % Es la propiedad más importante, pues influye sobre todas las demás, propiedades físicas, mecánicas, mayor o menor aptitud para su elaboración, estabilidad dimensional y resistencia al ataque de seres vivos

23 La humedad no es constante en todo el espesor de la pieza, siendo menor en el interior y teniendo más humedad la albura que el duramen. La madera contiene más agua en verano que en invierno. Es un material higroscópico, lo cual significa que absorbe o desprende agua en función del ambiente que le rodea. Expuesta al aire pierde agua y acaba estabilizándose a una humedad que depende de las condiciones del ambiente: temperatura y humedad.

24 Humedad de equilibrio higroscópico de la madera HEH Se denomina Humedad de Equilibrio Higroscópico HEH a aquella humedad de la madera en la que se equilibran la fuerzas absorción de humedad de la madera con la fuerza desecante del aire. También se puede definir como el porcentaje de humedad que alcanzaría una madera a lo largo del tiempo, sometida a unas ciertas condiciones de humedad y temperatura del medio ambiente.

25 la HEH máxima que puede tener una madera, cuando se la expone a un ambiente saturado de humedad es del 30%,

26 Esta es la humedad que satura todos los huecos existentes entre las fibrillas elementales, entre las microfibrillas y entre las fibras que componen la pared celular. A este punto de humedad se le denomina punto de saturación de la fibra PSF, que como se ha indicado corresponde a un 30% de humedad de la madera.

27 En resumen, La humedad de la madera depende, de las condiciones higrotérmicas del ambiente. A cada par de valores de temperatura y humedad relativa del aire corresponde, en la madera, una humedad comprendida entre el 0% y el 30% (punto de saturación de las fibras, aproximadamente), que recibe el nombre de " Humedad de equilibrio higroscópico. Este " Punto de saturación de las fibras ;" (P.S.F.) o más exactamente Punto de saturación de la pared celular, nos indica la máxima humedad que puede contener una madera sin que exista agua libre.

28 Para que la madera adquiera más humedad que la correspondiente al PSF, es necesario sumergirla en agua, y llenar los espacios existentes en el lúmen celular

29 Una vez que haya descendido del PSF, la madera no volverá a tomar agua libre si no es por inmersión Ct * CHsa F = (%) Ct Csa CT = Coeficiente de contracción volumétrica total (de verde a seco al horno), %. CSA = Coeficiente de contracción hasta seco al aire (de verde a seco al aire), %. CHSA = Contenido de humedad seco al aire, %.

30 Contenido de Humedad de la madera El estudio tecnológico de las relaciones entre el agua y la madera es, seguramente, el más importante de todos los que dependen de este material, dado que afecta a la mayoría de los procesos de transformación de la madera. Aún es más, las características de comportamiento de la madera están muy influenciadas por el contenido de humedad de la madera

31 Cedro: 120% Serebó: 130% Quebracho blanco: 65% Roble: 110% Tajibo: 55% Ajunao: 70% Kaqui: 170% Soto: 50% Plumero: 155% Mapajo: 140%

32 El contenido de humedad

33 Movimiento del Agua El agua en la madera se mueve de las zonas de alto contenido de humedad a las de más bajo contenido hasta alcanzar el PHE. CH = condiciones climáticas del medio La humedad en la madera se mueve a través de las cavidades celulares, las puntuaciones, los radios medulares, los espacios intercelulares de las paredes celulares y los vasos

34 El primer tipo de agua que elimina la madera es el agua libre; esta pérdida se hace prácticamente sin variación de las características físicas - mecánicas (varia su densidad aparente.) Desaparecida el agua libre, queda el agua de impregnación de la pared celular (satura las fibras de la madera) y que al disminuir por medio de la evaporación o secado modifica las propiedades físico - mecánicas (su dureza y la mayoría de las resistencias mecánicas aumentan) y el volumen de la pieza de madera disminuye como consecuencia de la disminución de volumen de las paredes de cada una de sus células.

35 Métodos para determinar el CH Existen varios métodos para determinar el contenido de humedad de la madera, los más comunes son el método gravimétrico o por pesadas y el método del xylohigrómetro o eléctrico y el de destilación.

36 Procedimiento del método gravimétrico El método se basa en determinar la evolución de la humedad, mediante pesada regular de probetas de madera. Se selecciona, al menos, una tabla por cada 10m3 de madera. Sobre estas tablas se obtienen, a unos 30cm de cada una de las testas, dos probetas de unos 5cm de longitud. Las probetas se pesan con una aproximación de 0,1gr Secarlas posteriormente en estufa a 103 ± 2º C hasta alcanzar un peso constante que coincide con el peso anhidro.

37 Método del xylohigrómetro Se basa en medir la conductividad eléctrica entre dos puntos de la muestra de madera mediante un xylohigrómetro. La madera es muy mala conductora de la electricidad, pero el agua sí. A medida que aumenta la humedad de la madera aumenta la conductividad, pudiéndose establecer una relación entre el porcentaje de humedad y la conductividad eléctrica.

38 Para medir la humedad de la madera con xylohigrómetro, se sigue el siguiente procedimiento: l. Si el aparato dispone de mando corrector de especie, situar éste en el grupo de especies a que corresponde la madera a evaluar. 2. Si el aparato dispone de mando corrector de temperatura, situar éste en la temperatura a la que se encuentra en ese momento. Si no se dispone de este conector, se debe utilizar la tabla del esquema siguiente. 3. Clavar los electrodos de púas en la madera, en dirección perpendicular a las fibras de la madera, en una profundidad de 1/5 del grosor de la pieza.

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40 Debe tenerse en cuenta, cuando se utiliza este aparato, que éste se desajusta con el tiempo, siendo aconsejable que se contraste mensualmente con ensayos realizados mediante desecación por estufa.

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42 Niveles de Humedad de Acuerdo al Uso de la Madera

43 Peso específico o densidad en la madera Esta característica tecnológica es, tal vez la más importante, puesto que de ella dependen estrechamente otras propiedades, como la resistencia mecánica, grado de variación dimensional por la pérdida o absorción de agua, poder calorífico, etc. La densidad es una característica física expresada por la relación entre la masa de un cuerpo y su respectivo volumen.

44 Existe el Pe real y el Pe aparente, el primero es la sustancia sólida de un cuerpo El Pe real es prácticamente igual para todas las madera y tiene un valor de 1,54 gr/cc El Pe aparente es influenciado por el CH (hidroscopicidad y el clima)

45 Peso específico o densidad en la madera En laboratorio se debería determinar el Pe aparente anhidro, sin embargo genera problemas, por lo que se determina el Pe aparente básico. Puede ser determinado el Pe aparente saturado ( se debe señalar CH).

46 PESO (x humedad) DENSIDAD (x humedad) = (g/cm3) VOLUMEN (x humedad) PESO seco PESO ESPECIFICO = / densidad agua VOLUMEN húmedo

47 Métodos para determinar el Pe aparente Esteriométrico: determinación del volumen a través de la toma de las dimensiones en la muestras de madera. Por desplazamiento: Inmersión de la muestra en agua u otro líquido de Densidad conocida. dm = Peso de la madera Volumen de la mad x 100 %

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49 Densidad de la madera Nombre Nombre científico r o (gr/cc) común Almendrillo Taralea opositifolia Sama Cupania cinerea Urupí Clarisia racemosa Verdolago Terminalia amazonia amarillo Cedro Cedrela fissilis Ochoo Hura crepitans 0, Balsa Ochroma lagopus

50 Factores que influyen en el Pe Propios de la madera: Sustancias extractivas; % leño otoñal; Espesor de los anillos de crecimiento. Externos de la madera: Lugar de crecimiento, tratamientos silviculturales.

51 Cambios Dimensionales en la madera El incremento de agua produce la expansión de la estructura microfibrilar en proporción a la cantidad de líquido añadido. Este fenómeno ocurre hasta el PSF. Por encima est punto solo hay acumulación de agua en el lumen celular La pérdida de agua produce la contracción de la madera.

52 Contracción de la madera Es la reducción dimensional que experimenta la madera cuando pierde humedad por debajo del PSF Se expresa como % de la máxima dimensión de la madera o sea dimensión verde, ya que todavía no ocurrió ninguna reducción dimensional Vol inicial Vol final CONTRACCIÓN VOL = x 100 (%) Vol inicial

53 Contracción de la madera Existe anisotropía en los cambios dimensionales. Los cambios no solo ocurren por el incremento o pérdida de humedad, sino por la cantidad de sustancia de la pared celular

54 La contracción volumétrica entre dos estados de humedad viene dado por el porcentaje de variación de volumen entre los dos estados. La medida de contracción volumétrica no es suficiente para determinar la calidad de una madera. Es preciso saber como se comporta bajo la influencia de las variaciones de humedad próximas a la humedad normal, que es, en general, la que corresponde al ambiente de empleo de la madera.

55 En el sentido longitudinal o de la fibra (axial) de la madera, el movimiento es muy pequeño, y en la practica se considera nulo (0,1%), mientras que en el sentido radial el movimiento puede variar entre un 4,5 y un 8%. En el sentido tangencial (anillos anuales), la contracción es, en general de 1,5 a 2 veces mayor que en el sentido radia

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58 Dilatación de la madera La dilatación es el incremento dimensional de la madera cuando gana humedad hasta alcanzar el PSF No puede ser tomado como un valor recíproco de la contracción. Se expresa como el % de incremento de la dimensión seca ala horno en relación a su dimensión original seco

59 Relación t/r Es una relación de las contracciones tangenciales vs radiales Proporciona una idea de la estabilidad dimensional a procesos de secado de la madera Valor ideal próximo a 1 Existen muchos factores aún no descritos en relación a este aspecto

60 LAS TENSIONES DE SECADO La contracción que experimenta la madera al ser secada permite el desarrollo de esfuerzos mecánicos a través de su estructura. Estos esfuerzos son afectados por los cambios de humedad, las restricciones mecánicas, la anisotropía y el comportamiento viscoelástico de la madera, entre otros factores.

61 cuando una pieza de madera esta en proceso de secado, la superficie va quedando con menos humedad que el interior de la madera, formándose una distribución de humedad desde el interior más húmedo hacia la superficie más seca, lo que se conoce como gradiente de humedad.

62 Si los esfuerzos de tensión en la superficie de la madera son de mayor magnitud que la resistencia en tensión perpendicular a la fibra se pueden producir las grietas superficiales. Y si los esfuerzos de compresión en el interior de la madera superan la resistencia permisible por la madera perpendicular a las fibras puede contribuir al colapso de la madera.

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68 MEDICIÓN DE LAS TENSIONES DE SECADO. La medición de las tensiones de secado se realizan sobre probetas de madera extraídas de una pieza de madera, del mismo tamaño como las de humedad o distribución de humedad. Luego son cortadas en forma de tenedor con una pequeña sierra cinta carpintera y se observa la reacción de los dientes al momento del corte o después de 24 horas

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71 Fenómenos ligados a los procesos de secado de la madera Para comprender perfectamente el fenómeno de la hinchazón y contracción debe tenerse en cuenta fenómenos característicos de la madera en sí o ligados al proceso de intercambio humedad entre ésta y el aire. Los fenómenos que se desarrollan son los siguientes: Anisotropía de la madera, la histéresis, la inercia higroscópica y la variabilidad con las distintas especies de madera.

72 Anisotropía Como la madera es anisótropa los cambios dimensionales se realizan de forma muy diferente según la dirección que se considere

73 Histéresis Se llama histéresis a la diferencia de contenido de humedad de la madera según si la madera está en fase de sorción de humedad o en fase de desorción. La madera en la fase de sorción posee una humedad de equilibrio higroscópico menor que en la fase de desorción. Este fenómeno tiene su importancia tecnológica, pues si a una madera se la seca por debajo de la humedad que le corresponde a su trabajo, tendrá más estabilidad que si se seca por encima de esa humedad de trabajo.

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75 Inercia higroscópica Si una vez seca la madera se la vuelve a humedecer y a secar, las curvas de sorción y desorción ya no son las mismas que en un principio, sino que lo hace con valores de humead de la madera por debajo de lo que lo hicieron al principio.

76 Variabilidad de la hinchazón y merma Otro aspecto muy importante de la hinchazón y contracción es la gran variabilidad de sus valores de unas especies a otras; las especies que tienen contracciones muy pequeñas se denominan especies nobles, mientras que las que tienen valores muy grandes se denominan nerviosas

77 MECANISMOS DE MOVIMIENTO INTERNO DE HUMEDAD Los complejos mecanismos de movimiento interno de agua durante el secado pueden describirse de manera simplificada como: 1) Movimiento capilar del agua libre en las cavidades celulares 2) Difusión del agua ligada en la pared celular 3) Difusión del vapor en las cavidades celulares.

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79 PERMEABILIDAD DE LA MADERA Otra propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua es la permeabilidad. La permeabilidad, juega un rol importante para el movimiento de agua capilar, en cambio no lo es tanto para el movimiento difusional. En particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o bajo vacío.

80 Composición química de la madera - Aceites volátiles Celulosa - Terpenos y sustancias relacionadas -Monoterpenos -Diterpenos -Sesquiterpenos -Esteroles -Triterpenos Hemicelulosa - Ácidos grasos - Sustancias insaponificables Lignina Sustancia extraíbles Constituyentes menonres - Carbohidratos - Alcoholes polhídricos - Compuestos nitrogenados - Sustancias aromáticas Compuestos inorgánicos - Acidos, aldehidos y alcoholes - Lignanos - Estilbenos - Flavonoides - Taninos - Cetonas y quinonas

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82 PROCESO DE OBTENCIÓN DE LA MADERA Apeo, corte ó tala Transporte Aserrado

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84 El secado de la madera

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86 La madera que se obtiene a través del aserrío de las trozas, generalmente contiene una gran cantidad de agua que requiere eliminarse antes de que pueda ser procesada para la elaboración de la mayoría de los productos en los que se le utiliza, como muebles, puertas, parquet, etc.

87 ASPECTOS GENERALES El proceso de secado se descompone en dos fases; La difusión del agua dentro de la madera, y la evaporación del agua en la superficie. En el transcurso de secado, tres fenómenos esenciales deben ser tomados en cuenta:

88 1. Equilibrio higroscópico de la madera; como todos los cuerpos porosos higroscópicos, la madera pierda parte de su agua al ser expuesta al aire. El grado de humedad de la madera se baja justo al punto de equilibrio con el medio ambiente; este es el equilibrio higroscópico de la madera.

89 2. El secado de madera verde es rápido después del aserrío. El vapor de agua en la superficie se manifiesta muy rápidamente, después el flujo de agua que sale a la superficie es frenada progresivamente, en razón de la difusión de la humedad interna hacia las partes superficiales mas secas, y así, justo hasta el estado de equilibrio de la madera con la atmósfera.

90 El agua circula: Rápidamente en la dirección axial. Menos rápido en la dirección radial. Lentamente en la dirección tangencial de la madera. Por lo que es recomendable separar los lotes de piezas de madera aserradas en corte radial de las de corte tangencial, ya que las de corte tangencial se secarán mucho mas rápido

91 3. La repartición del agua dentro de la madera debe llegar a ser regular en toda la masa. Si las partes externas están mas secas que la internas, esta gradiente crea tensiones que producen rajaduras y deformaciones luego de la operación de secado.

92 Movimiento del Agua El agua en la madera se mueve de las zonas de alto contenido de humedad a las de más bajo contenido hasta alcanzar el PHE. CH = condiciones climáticas del medio La humedad en la madera se mueve a través de las cavidades celulares, las puntuaciones, los radios medulares, los espacios intercelulares de las paredes celulares y los vasos

93 La madera se seca por el movimiento de la humedad interior, ya sea en forma líquida o de vapor, a través de los mecanismos conocidos como: capilaridad y difusión.

94 La contribución que al secado realiza la capilaridad y difusión difiere con las distintas especies y con los estados de humedad de la madera.

95 Durante el proceso de secado el agua es impulsada por varias fuerzas que pueden actuar simultáneamente 1. Fuerzas capilares 2. Diferencias en la presión del vapor (gradiente de presión de vapor) 3. Diferencias en el contenido de humedad (desplazamiento de agua de pared a pared) 4. Difusión (combinación 3 y 2)

96 la operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gas sólido En sentido longitudinal cavidades celulares En sentido transversal paredes celulares Al igual que otros fenómenos en la madera, el movimiento del agua conviene dividirlo en dos etapas, antes de llegar al P.S.F., y, después de sobrepasarlo.

97 Cuado el contenido de humedad de la madera es superior al P.S.F., la humedad se mueve principalmente como: Agua líquida, por capilaridad, debido a las fuerzas de tensión superficial. Vapor de agua, por difusión, dentro y a lo largo del tejido celular. Cuando el contenido de humedad está bajo P.S.F., la humedad se mueve como: Vapor de agua por difusión.

98 Dibujo esquemático del movimiento de humedad por la acción capilar durante el secado (de acuerdo a L.F. Hawley) A) Condición Inicial; B) Segunda Fase; C) Tercera Fase

99 El mecanismo para el movimiento de agua en el interior de la madera no es simple. Se reconoce que en un momento dado, cualquiera de los métodos señalados puede predominar, dependiendo de: la etapa alcanzada en el proceso de secado, la influencia de las características de la madera y Las condiciones de secado que se aplican.

100 El comportamiento al secado de una especie maderera, esto es: el tiempo requerido para secarse, la tolerancia que ella presenta y la calidad de la madera que se obtiene después del proceso,

101 Su densidad Sus características de contracción Su susceptibilidad a colapsarse Su resistencia, especialmente de tracción normal a la fibra La presencia o ausencia de fibra en espiral, fibra desviada, etc. La tendencia a mancharse o podrirse El efecto de las condiciones de secado (temperatura y humedad relativa) sobre sus características físicas.

102 El comportamiento al secado de una pieza de madera es afectado por: Sus dimensiones, particularmente su espesor y en menor grado, su ancho y longitud La forma en la cual ha sido aserrada o extraída de la troza. Esto es, si cuarteada (mayor dimensión paralela al radio de la troza) o floreada (mayor dimensión tangente a los anillos de crecimiento). Su origen. Es decir, si proviene de madera de albura o de duramen. Su proximidad a la médula o a la albura.

103 Los procedimientos para eliminar el exceso de agua en la madera son muy variados, desde los que aprovechan las condiciones secantes del medio ambiente La otra forma de secar madera es en estufas: estufas convencionales, solares, dehumidificadores, de vacío, hasta los que utilizan micro-ondas u ondas de alta frecuencia y las de bomba de calor.

104 El secar la madera en cámaras, genera las siguientes ventajas: Se reduce la merma natural y el combamiento de la madera para que conserve la forma dada una vez trabajada. Se ahorra los costos de un largo tiempo de secado al aire libre. Se reduce el porcentaje de humedad a un punto al que resulta generalmente imposible llegar con el secado al aire libre. Se eliminan defectos tales como fendas, combamientos y manchado. Se evita el ataque de hongos e insectos. Se consigue un posterior encolado y acabado satifactorios. Se eliminan los parásitos que pueda haber en la madera, evitando su propagación

105 FUNDAMENTOS DEL SECADO : SECADO: proceso mediante el cual se reduce el contenido de humedad de un sólido por medio de la evaporación del agua contenida en éste. Para tales efectos, es necesario suministrar calor a la superficie del sólido que permita el cambio de fase del agua contenida, desde liquido a vapor. Esto significa que el agua debe recibir el equivalente a su calor latente de vaporización (hfg = 600 kcal/kg o 2500 kj/kg).

106 La tecnología de secado a utilizar, dependerá del medio de transporte de energía y la forma de retirar la humedad del ambiente son diferentes, algunos casos se describen de la siguiente forma: 1. Por medio de aire húmedo 2. Por medio de vapor sobrecalentado 3. Por contacto superficial 4. Por medio de ondas electromagnéticas

107 Composición del aire atmosférico: Este se compone de aire seco y vapor de agua aire atmosférico = aire húmedo. La Ley de Dalton de las presiones parciales establece que: patm ta pah ta pas ta p v ta - ah = aire húmedo as = aire seco v = vapor de agua

108 Relación Presiones aire húmedo Temp C Presión Saturación kpa Presión aire seco kpa Presión atmosférica kpa

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110 Representación del estado del vapor de agua en el aire T Ps Pv 1 t aire t rocío 2 S

111 DEFINICIONES - Humedad relativa: - Humedad específica: mv W= ma pa V = ma R at pv / R v W= pa / R a pvv = mvr vt p ah p a p v pv W = p ah p v (kg v/kg a)

112 Entalpía del aire húmedo h = h a w * h v kj/kg as kj/kg as ha = t kj/kgas W*h v * t * W kj/kg as h = t + W * ( * t) (kj/kg as)

113 Proceso de saturación adiabática ma 2 ha 2 ma1 ha1 mv1 h v1 t* t* * v2 m ( m *v 2 m v 1 ) h *f hv2

114 ECUACIONES Balance de aire seco m a 2 m a1 = m a Balance de energía m a h a 1 m v 1 h v 1 + (m *v 2 m v 1 ) h *f m a h a 2 m *v 2 h v2 / : ma h a 1 w 1 h v 1 + (w *2 - w 1 ) h *f h a 2 + w *2 h *v 2 h 1 + (w w 1 ) h h * 2 * f * 2 ( w *2 - w 1 ) h *f 0 h 1 h *2 t1 W1 *( * t1 ) t s Ws *( * t s )

115 Representación gráfica proceso saturación adiabática T P v1 P v2 1 t1 t* 2 S

116 SICROMETRO Se debe tener en cuenta que existe una diferencia distintiva entre la temperatura de bulbo húmedo termodinámica y la temperatura de bulbo húmedo sicrométrica. La primera es una propiedad de estado y la segunda está, además, influenciada por la transferencia de calor y masa que ocurre en la medición

117 PROPIEDADES AIRE HUMEDO A PRESION ATMOSFERICA Temperatura Humedad Saturación específica ts C Ws kgv/kga volumen específico va m3/kg vas m3/kg Entalpía del aire vs m3/kg ha kj/kg has kj/kg Entalpía vapor saturado hs kj/kg hf (kj/kg) hfg (kj/kg) 2, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,340.0 hg (kj/kg) 2, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,621.0 Presión Temperatura Saturación saturación ps kpa ts C

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119 Ciclo del aire a través de un secador

120 CICLO PSICROMETRICO h1=h2=hs Ws W2 2 h4 1 4 W1=W4 h3 W3 3 tbs3 tbs2 tbs4 tbh tbs1

121 CALCULO CICLO PSICROMETRICO

122 CALCULO CICLO SICROMETRICO

123 CICLO DE SECADO PARA EVAPORACION AGUA LIBRE ts=tbh ts=tbh= temperatura superficial ps= presión de saturación a tbh Cond. de superficie h1=h2=hs Ws ó ps 2 W2 h4 1 4 tbs1 tbh h1 W1 V aire m evap. Q aire tbs2 h2=h1=hs W2 ts =tbh W1=W4 Ws tbs1 W2 h3 HR W3 3 W1 ts=tbh tbs3 tbs4 tbh tbs2 tbs1 tbs2

124 Cálculo de temperatura superficial del material Evaporación agua libre pv ts ps ts y ts tbh Evaporación agua ligada pv ts ps con R ts pv pv1 ps pv1 X y ts tbh y R f (X ) Contenido de humedad

125 CICLO DE SECADO PARA EVAPORACION AGUA LIGADA trd=ts Cond. de superficie trd= temperatura superficial Wrd= humedad específica agua ligada pvr= presión de vapor reducida ps= presión de saturación a tbh h1=h2=hs Ws ó ps Wrd ó pvr 2 W2 h4 tbs1 tbh h1 W1 V aire m evap. Q aire tbs2 h2=h1=hs W2 ts =trd 1 4 W1=W4 Wrd tbs1 W2 h3 HR W3 3 W1 trd=ts tbs3 tbs4 tbh tbs2 tbs1 tbs2

126 EJEMPLO CALCULO EVAPORACION AGUA LIGADA UTILIZANDO EES SOFTWARE

127 EJEMPLO CALCULO EVAPORACION AGUA LIGADA UTILIZANDO EES SOFTWARE

128 EJEMPLO CALCULO EVAPORACION AGUA LIGADA UTILIZANDO EES SOFTWARE

129 Bases físicas del secado de la madera

130 Para comprender la tecnología del secado deben entenderse los siguientes conceptos: La velocidad de circulación del agua Gradiente de humedad Tensiones de secado Gradiente de secado

131 La velocidad de circulación del agua en el interior de la madera, es producto de un fenómeno de difusión del agua entre células contiguas que tiende a igualar su porcentaje de humedad. La velocidad de este fenómeno depende de: las características de las propias células y de las condiciones externas de las células siguientes

132 Grosor de la pared celular. Tipo de comunicación existente entre células contiguas. La temperatura La presión de aire o mejor el vacío Porcentaje de humedad de la madera

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135 Gradiente de humedad de la madera La diferencia que se establece entre el contenido de humedad de la madera en el centro y en la superficie, denominada gradiente de humedad, da origen a la circulación interna del agua del centro de la periferia y es la causa del secado.

136 Mientras más elevado sea el gradiente de humedad, es decir, mientras mayor sea la diferencia entre el contenido de humedad en el centro y en la superficie, más rápido secará la madera e inversamente, si el gradiente es bajo, el tiempo de secado se prolongará con un consecuente aumento de costos.

137 Durante el proceso de secado, es de gran importancia establecer un gradiente de humedad óptimo que reduzca el tiempo de secado a un mínimo sin correr el riesgo de ocasionar daños en la madera. Si este gradiente es grande, determinará la aparición de unas tensiones, que pueden ser causa de grietas.

138 Gradiente de Secado de Maderas En cualquier momento del proceso de secado artificial existen dos valores del contenido de humedad de la madera que son de gran importancia para establecer el comportamiento del secado. Estos valores son el contenido de humedad real (CH real) de la madera en un determinado momento y el contenido de humedad de equilibrio (ECH) hacia el cual tiende la madera de acuerdo a las condiciones de temperatura y humedad relativa fijadas dentro del secadero. La relación de estos dos valores se denomina gradiente de secado (GS) y se expresa con la siguiente fórmula: GS = CH real / ECH El gradiente de secado de madera es la relación entre la humedad contenida en la madera y la humedad de equilibrio en ese ambiente. Este es el criterio más importante para un adecuado proceso de secado de madera en hornos. Los valores normales están entre 1,5 y 2,5 dependiendo de la especie.

139 GRADIENTE DE SECADO (GS) Y GRADIENTE DE HUMEDAD (GH) GS: Relación entre el CH de la madera en un momento dado y el contenido de humedad de equilibrio GH: Diferencia entre el CH de la madera en el centro y el CH en la superficie

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141 Tensiones de secado El gradiente de humedad origina una tendencia a la contracción de una parte de la madera respecto de otra, sí añadimos el desajuste de los movimientos causados por la propia anisotropía de la madera. tendencias desiguales de la pieza de madera suponen unas tensiones, denominadas tensiones de secado.

142 Las tensiones producidas dependen de: La velocidad del secado El espesor de las piezas. Del tipo de madera de que se trate. De la densidad de la madera. El coeficiente de contracción volumétrica. De la relación entre el coeficiente de contracción en dirección tangencial y radial. De la resistencia de la madera a la tracción perpendicular.

143 PRINCIPIOS DEL SECADO Son consideraciones que se toman para que no se generen excesivas tensiones en la madera: 1. Velocidad de secado. 2. Dirección del secado de la madera. 3. Acondicionado y homogeneizado. 4. Cementado 5. Colapso

144 Velocidad de secado la velocidad de secado debe coincidir con la velocidad de difusión del agua en el interior de la madera: La velocidad será menor cuanto mayor es el espesor de la pieza, mayor sea la densidad de la madera, mayor sea el coeficiente de contracción volumétrica, mayor sea la relación entre el coeficiente de contracción en dirección tangencial y radial, y menor sea la resistencia de la madera. Además, deberá ser menor en las latifolidas que en las coníferas.

145 La velocidad del secado depende de los siguientes factores: La temperatura del aire que rodea la madera T: A mayor temperatura, mayor movilidad en el agua de la madera, y por tanto más rápido es el secado. La relación entre la humedad de la madera y la H.E.H. de la cámara «Gradiente de secado» G: Cuanto mayor sea la relación más rápido se produce el secado.

146 Temperatura El calor es la fuente de la que las moléculas de agua en la madera adquieren la energía cinética necesaria para la evaporación. La velocidad de ésta depende a su vez de la cantidad de energía suministrada por unidad de tiempo y de la capacidad del medio (aire) para absorber la humedad liberada por la madera. La temperatura es la encargada de liberar las moléculas de agua de la madera. La temperatura se constituye en el factor más importante para el buen secado de las maderas, variando - según el uso y el estado de humedad inicialla cantidad de grados centígrados a los que será sometida para evitar defectos como colapso de células, grietas internas, rajaduras, etc.

147 Dirección del secado de la madera El secado en dirección axial es muy fácil, el gradiente de humedad entre las proximidades de los extremos o testas y el interior de la madera se hace tan grande que provoca la normal ruptura de la madera. Se debe evitar el secado en dirección axial.

148 Acondicionado y homogeneizado Al final del secado se tendrá siempre una distribución de humedades tal que el interior será mayor que el exterior, lo que determinará el alabeo de las piezas Antes de dar por concluido el secado, se debe realizar el denominado acondicionado y homogeneizado de la madera y por tanto, que no existan tensiones internas.

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150 Cementado Es la imposibilidad de la salida del agua de la madera, cuando el interior de la pieza de madera baja su humedad del 30% y comienza a contraerse, llevando consigo un cambio de la distribución de las tensiones, de forma que el exterior ya contraido es sometido a compresión, al intentar el interior contraerse. El humedecimiento de la superficie es bueno realizarlo cuando el interior de la madera posee en torno al 20% de humedad.

151 Colapso Algunas especies que poseen células de paredes relativamente delgadas, poseen un alto riesgo de que se produzca colapso en la primera etapa del secado. es conveniente no elevar en demasía la temperatura de la cámara durante esta primera fase, para así dar tiempo a que conjuntamente con la salida del agua del lumen celular pueda ser reemplazado por aire.

152 Factores determinantes del secado de la madera En el secado de la madera, el agua es removida de las piezas de madera por evaporación. Los factores que determinan el secado de la madera son los siguientes: La sequedad del aire: La temperatura: La presión atmosférica: Además de estos tres factores que actúan directamente, es importante destacar la velocidad del aire.

153 La sequedad del aire: A medida que disminuye la humedad relativa del aire, mayor será la capacidad de absorber agua de la madera, y más rápido se realizará el secado.

154 La temperatura: El calor aporta a las moléculas de agua contenidas en la madera la fuerza cinética necesaria para la evaporación. La velocidad de evaporación depende de la cantidad de energía por unidad de tiempo y de la capacidad del aire para absorber la humedad liberada por la madera.

155 A medida que aumenta la temperatura, más capacidad de agua tendrá el aire y, por tanto. más rápido se realizará el secado.

156 La presión atmosférica: A medida que disminuye la presión atmosférica, mayor será la capacidad de agua que tenga el aire, y por tanto mayor será la velocidad del secado.

157 Velocidad del aire. La velocidad se define como la relación entre la distancia que recorre un cuerpo y el tiempo que le toma hacerlo. Durante el proceso de secado de madera, en cámaras o al aire libre, la velocidad del aire colabora de manera importante facilitando la evaporación del agua en la superficie de la madera y, por otro lado, llevando la humedad que libera la madera fuera de la cámara o pila. Cuando la madera tiene un contenido de humedad mayor al 30%, la velocidad del aire asegura un menor tiempo de secado, siendo indispensable una corriente de aire fuerte y regular. Si no existiese apenas velocidad, el aire de alrededor de la madera secaría en un primer momento ésta. cargándose de humedad. Al no existir renovación del aire, éste se saturaría de agua, no pudiendo proseguir el secado de la madera. La velocidad del aire sirve para renovar éste que ha quedado cargado de humedad.

158 La ventilación o circulación del aire a través de una pila de madera y la expulsión de la humedad, son condiciones necesarias para asegurar la remoción del exceso de humedad dentro de una cámara y así mantener las condiciones de humedad relativa deseadas. La capa límite, que siempre existe entre la madera y el aire, juega un papel importante en el secado de la madera

159 Influencia de la velocidad del aire en la tasa de secado (según Kollmann & Schneider)

160 Para un adecuado proceso de secado de madera deben usarse los valores de la temperatura y humedad relativa que experimentalmente ya se han determinado para cada especie de madera

161 Humedad Relativa La humedad relativa (HR) se define como la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente en el aire (P) y la presión de vapor saturado a la misma temperatura (Po), expresada en porcentaje. Matemáticamente se expresa mediante la fórmula: HR = (P/ Po) x 100 Si la HR disminuye, también lo hace la humedad de la madera y si la HR aumenta, la humedad de la madera también aumenta

162 La humedad relativa se mide a través del "Bulbo Húmedo" que es una medida termodinámica de la humedad contenida en el aire. Este parámetro se determina con un aparato llamado Psicómetro

163 Psicrómetro, mide las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco

164 Higrómetro (con lámina de celulosa), mide en porcentaje la HR

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167 Equilibrio Higroscópico Es un fenómeno que está presente en todo cuerpo poroso y se produce por la capacidad de éstos, de absorber agua del ambiente y entregarla en forma de vapor, si las presiones de vapor internas del cuerpo no son iguales que las del aire que lo rodea. El equilibrio higroscópico corresponde al equilibrio en las presiones parciales de vapor del aire del ambiente y del producto húmedo.

168 Cuando una pieza de madera se deja suficiente tiempo en un ambiente cuyas características de temperatura y humedad relativa permanecen constantes, se establece un equilibrio entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la que existe en el interior de la pieza de madera. Cuando este equilibrio es alcanzado, la humedad de la madera no varía más y se dice que ha llegado al contenido de humedad de equilibrio (ECH) o humedad límite. Este contenido de humedad permanecerá constante mientras las características del aire que rodean a la madera no cambien.

169 Contenido de humedad de equilibrio aproximado como función de la humedad relativa y temperatura. Cada especie tiene el C.H.E. un poco diferente.

170 Curvas fundamentales de secado La cinética de secado de un material no es más que la dependencia de la humedad del material y de la intensidad de evaporación con el tiempo o variables relacionadas con este, como la propia humedad o las dimensiones del equipo

171 Curvas de secado CH Con los datos obtenidos durante una prueba de secado o sea de la variación de la humedad con el tiempo, puede hacerse un gráfico de contenido de humedad en función del tiempo

172 Curvas de régimen de secado. Se puede obtener abundante información si se convierten los datos a regímenes de secado y se lleva a un gráfico en función del contenido de humedad. Se puede hacer esto: Midiendo las pendientes a las tangentes trazadas a la curva de humedad contra tiempo Determinando en base a la curva, los pequeños cambios x en el contenido de humedad para los correspondientes cambios en el tiempo t

173 Generalmente se pueden apreciar dos partes notorias de la curva de régimen de secado: un período de régimen constante y uno de caída de régimen, aunque teóricamente existen o se pueden apreciar tres etapas del proceso o períodos de secado.

174 La gráfica de velocidad de secado cambia de una línea recta a una curva exponencial decreciente, presentándose una zona de transición. En este rango, el agua retenida en la madera por fuerzas de naturaleza molecular se mueve por difusión a través de las paredes celulares, debido al gradiente de humedad que se crea entre las paredes de las células vecinas.

175 Finalmente, la curva tiende hacia un valor límite que no es otro que la humedad de equilibrio de la madera correspondiente a las condiciones climáticas establecidas.

176 La modelización matemática del secado de madera. Durante una operación de secado, las maderas experimentan cambios físicos y químicos (Keey et al. 2000), los cuales afectarán su calidad al final del secado, es por eso que el estudio de la transferencia de masa y calor en este material adquiere gran importancia

177 Los modelos matemáticos aplicados al secado de materiales están divididos principalmente en tres grupos: 1) modelos empíricos aplicados a procesos específicos, 2) modelos difusivos de transferencia de masa y calor que llevan a ecuaciones simultáneas, y 3) modelos conocidos como comprensivos

178 los últimos involucran ecuaciones diferenciales de transporte de masa, calor y momentum con fundamentos termodinámicos; Estos modelos son conocidos también como mecanísticos

179 la simulación numérica de la operación de secado de la madera es una tarea de gran complejidad numérica y matemática, como puede ser constatado en trabajos como el de A. Esfahanian (1999), Turner y Perré (2001), Perré y Turner (2002), Middleman (1997), Incropera et al (2006), Geankoplis (2003), Majumdar (2005) y Bird et al (2006).

180 Materiales porosos y materiales capilaro-porosos La distinción está basada en la presencia y tamaño de los poros. Los materiales porosos son definidos como aquellos que tienen un diámetro de poro mayor o igual a 10-7m El transporte de humedad en los materiales capilaro-porosos es un fenómeno difícil de modelisar

181 además de la difusión molecular, el transporte de agua puede ser debido también a la difusión de vapor, difusión superficial, difusión knudsen, flujo capilar, flujo hidrodinámico entre otros mecanismos La madera pertenece al grupo considerado como capilaro - poroso, el cual es higroscópico.

182 Modelos difusivos Los modelos de ecuaciones diferenciales (MEF) de secado son basados en las leyes de transferencia de masa y calor, los cuales son resueltos con diferentes métodos numéricos, y llevan a soluciones particulares de cada problema.

183 El flujo de contenido de humedad en el producto ocurre por difusión y es gobernado por un coeficiente de difusión efectivo, siguiendo la ley de Fick, El balance de masa en la tabla sera: La rapidez de cambio en el contenido de humedad W del material, es igual a la difusión de agua debido al gradiente de contenido de humedad interno de la tabla

184 En la actualidad, para fines prácticos y de modelación matemática, la cantidad de agua presente en la madera es clasificada como agua libre, agua ligada y vapor de agua (Siau, 1984). El transporte de estos tres tipos de humedad son combinados para obtener un flux de agua simple j. La ecuación puede ser escrita como:

185 Ecuaciones para la transferencia de calor La transferencia de calor al interior de una tabla de madera es dada por conducción, teniendo como parámetro motor el gradiente de temperatura que se desarrolla a lo largo del espesor de la tabla. La ecuación que describe el transporte de energía en la tabla es:

186 El balance de energía establece que: la rapidez de cambio en la energía interna es igual a la diferencia entre la rapidez neta de calor transportado hacia adentro del volumen de control debido a la conducción, y la rapidez a la cual el calor es transportado fuera del volumen de control debido al flujo másico

187 El principio general de la convección en el secado es: un flujo de calor superficial es debido a la diferencia que existe entre la temperatura del medio secante y la temperatura de bulbo húmedo. El flujo de calor que sale de la superficie de la tabla es cuantificado por la conducción de calor en el producto y además por la energía interna del flux de humedad j que sale de la superficie. Cierta cantidad de calor será absorbida por el flujo de humedad.

188 La condición límite para la transferencia de masa convectiva en una superficie plana es: donde hm es el coeficiente de transferencia convectivo y We es el contenido de humedad de equilibrio del producto bajo las condiciones específicas del aire (temperatura y humedad relativa, principalmente), asumiendo que el líquido y el vapor están en equilibrio en la superficie.

189 Estas condiciones implican que la rapidez de eliminación de humedad debido a la convección es igual a la rapidez de flujo de humedad debido a la difusión

190 Modelo mecanístico para el transporte de masa en medio poroso Whitaker en 1977 desarrolló un grupo de ecuaciones para los medios porosos. Fundamentó su modelo en las ecuaciones de conservación de masa y calor para cada fase presente en el material (sólido, líquido y vapor) y después de un promedio volumen de las fases, obtiene ecuaciones de continuidad y flux para el transporte de masa y calor.

191 El éxito de Whitaker (1977) fue el haber realizado un análisis riguroso de cómo transitar un sistema de un nivel microscópico a un nivel macroscópico con bases convincentes.

192 Las principales consideraciones en el desarrollo de Whitaker son un equilibrio termodinámico local, la aplicación de la ley de Darcy, la ley de Fick, un flujo de infiltración para el transporte de gas, un flujo capilar para el transporte de líquido, una estructura rígida del materia (no hay encogimiento) y ausencia de agua ligada

193 QUÉ TECNOLOGÍA UTILIZAR SECADO NATURAL SECADO ARTIFICIAL Secado en cámara Secado por inmersión Secado al vacío Secado por vaporización Secado mixto Secado por bomba de calor

194 A Qué Contenido de Humedad Está en relación con las condiciones ambientales del lugar y dentro de un mismo lugar, con las características del sitio en que la pieza será utilizada, especialmente si es colocada en el exterior. Se debe tener muy en cuenta el destino que tendrá la madera secada

195 % de humedad recomendados Item Uso de la Madera Humedad Final (%) 1 Para la construcción 18 a 20% 2 Objetos colocados al exterior 18 a 20% 3 Ventanas y puertas exteriores 12 a 15% 4 Elementos de construcción en habitaciones 8 a 12% 5 Muebles 8 a 10% 6 Muebles en habitaciones calefactadas 6 a 8% 7 Suelos de parquet 8% 8 Tarimas 12 a 14% 9 Instrumentos musicales 6 a 8% 10 Plafones y recubrimientos de las paredes 5 a 7%

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197 Que tiempo seco Especie de Madera Tipo de Madera Tiempo de Secado en Horno Aliso blanda 5 días para 1" / 7 días para 4" Pino blanda 4 días para 1" / 7 días para 4" Eucalipto blanda 6 días para 1" / 7 días para 4" Álamo blanda 4 días para 1" / 7 días para 4" Nogal blanda 7 días para 1" / 7 días para 4" Cedro blanda 7 días para 1" / 7 días para 4" Roble semi blanda 8 días para 1" / 12 días para 4" Quebracho dura 17 días para 1" / 25 días para 4" Lapacho dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Laurel Blanco dura 16 días para 1" / 24 días para 4" Laurel Negro dura 16 días para 1" / 24 días para 4" Mara dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Almedrillo dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Algarrobo dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Guayacán dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Palo Santo dura 16 días para 1" / 24 días para 4" Quina dura 14 días para 1" / 22 días para 4" Quinilla dura 14 días para 1" / 22 días para 4"

198 Secado en cámara

199 Un secado exitoso en la cámara puede definirse como un proceso en el cual se reduce el contenido de humedad de la madera hasta el punto deseado con un nivel aceptable de defectos inducidos (appearance grade)

200 El proceso de secado es efectuado con temperatura, humedad controlada y ventilación forzada, con la finalidad de reducir significativamente el tiempo de secado de la madera hasta humedades requeridas y por general por debajo del punto de humedad de equilibrio del medio ambiente exterior. El secado se basa en evacuar el aire caliente saturado o casi saturado de la cámara y reemplazarlo por aire menos húmedo a temperatura ambiente.

201 El ritmo al cual la madera puede secarse con un nivel aceptable de defectos inducidos depende no sólo de las condiciones de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire que se apliquen sino también de las propiedades de cada especie, es decir la anatomía de la madera, su densidad, porosidad y tasa de contracción.

202 El secado se realiza en recintos cerrados, dentro de los cuales se aplican climas artificiales progresivamente más cálidos y secos. Estos equipos toman el nombre de cámaras de secado, están equipados con sistemas de inyección de aire, calefacción, humidificación, control y registro de las condiciones ambientales interiores.

203 Un secador industrial moderno debe presentar los siguientes elementos principales: ventiladores, ventilas, deflectores de aire, calefactores, trampas de vapor y controles del ambiente de la cámara y de la madera.

204 Parámetros que influencian los tiempos de secado Humedad inicial y humedad final requerida; considerando el porcentaje de tolerancia de la humedad final. Condiciones de apilado; espesor de los separadores y longitud de las pilas o paquetes. Tipo y equipos del secador; secadores fijos, continuos, velocidad del aire, transferencia de calor, etc. Equipo de regulación del proceso de secado; manual, semiautomático, automático. Equilibrado inicial de mamadera; presecado. Conducción del secado; curva de secado seleccionado. Observancia del operador; prudencia en la conducción de secado. Los incidentes de secado; Corte de corriente, falla en los dispositivos de control, falla en los equipos.

205 Conducción del secado En el proceso de secado se distinguen las siguientes fases: Elevación de temperatura. Calentamiento. Secado. Equilibrio. Enfriado.

206 Elevación de temperatura Tiene el objetivo de calentar el aire al inicio del secado. Valor de humedad relativa del aire HRA, mantenida a un valor suficientemente elevado. La subida de temperatura en intervalos; 5ºC a 10ºC.

207 Calentamiento El objetivo es el calentamiento de la madera en toda su masa, antes de comenzar el secado. Llegar a una temperatura igual a la del inicio de la curva de secado. Efectuar el calentamiento en atmósfera muy húmeda; igual o mayor a 85% de humedad, manteniendo una relación de humedad de la madera entre 15% a 18%. Duración del recalentamiento será acorde a: Latifoliadas al estado verde: 2 horas por cm. de espesor. Coníferas al estado verde: 1.5 horas por cm. de espesor. Latifoliadas por debajo del punto de saturación de las fibras (presecadas): 2.5 a 3 horas por cm. de espesor. Coníferas por debajo del punto de saturación de las fibras (presecadas): 2 a 2.5 horas por cm. de espesor

208 Secado De La Madera La fase del secado está constituida por las tres subfases: Durante la primera subfase, que es generalmente corta, la superficie de la madera es alimentada de agua líquida. La segunda subfase comienza cuando no hay mas agua en la superficie y dura en función de la existencia de agua líquida en el centro de la madera. Solo las zonas periféricas están en el dominio de la higroscopía. La tercera subfase es aquella durante la cual, no hay mas agua bajo forma líquida al seno de la madera. Toda la masa de la madera está en el dominio de la higroscopia.

209 Selección de una temperatura adaptada a la especie y a la humedad de la madera considerada (programa de secado), provoca en la masa de la madera una gradiente de humedad suficientemente importante, para que la humedad circule lo mas rápidamente posible (el agua circula de las zona húmeda a la zona seca). La gradiente de humedad debe estar acorde a la higrometría del aire para no provocar daños en la madera. Seleccionar permanentemente las condiciones de la HRA acorde a la medición continua de la HRM. Las condiciones del intervalo de temperatura y de higrometría del aire correspondiente a la humedad de la madera, no deberán ser alcanzados, si no, luego de haber pasado por todos los segmentos precedentes a la correspondiente programa de secado. La duración de cada segmento está en función de la especie y al espesor; pudiendo estar comprendido entre 0.5 horas y 3 horas. La gradiente de secado está definido por el reporte de la humedad de la madera (Medido sobre los testigos de madera) sobre el equilibrio hidroscópico de la madera;

210 Equilibrio Referido a la homogenización higroscópica de la madera en toda su masa, necesario para el procesamiento posterior de la misma. Tiene por objetivo disminuir las contracciones que existen dentro de la masa de la madera y así evitar las deformaciones posteriores. Para realizar el equilibrio, cuando la humedad final promedio es alcanzada, es necesario conservar la temperatura del fin de secado y seleccionar una higrometría del aire correspondiente a un equilibrio higroscópico de la madera, igual a la humedad final de la madera alcanzada.

211 Además, tiene como propósito aliviar las tensiones que se desarrollan durante el secado y revertir cualquier colapso causado por esta operación. La técnica consiste en efectuar un nuevo vaporizado Esta etapa debe proseguir hasta que las pruebas realizadas en las muestras indiquen el alivio completo y la duración del equilibrio higroscópico, debe ser del mismo orden al de la fase de calentamiento.

212 Estas pruebas se realizan mediante "probetas tenedores

213 Enfriado A fin de evitar un choque térmico que podría provocar rajaduras en la superficie de la madera, es necesario efectuar un enfriamiento progresivo. Para el enfriamiento, es necesario abrir las ventilas de intercambio de aire, una puerta del secado, dejar en rotación los ventiladores, pero con la fuente de calor apagada. El enfriamiento termina cuando la diferencia de temperatura del aire del secador y la temperatura del aire exterior son semejantes.

214 RECOMENDACIONES PARA EL SECADO EN CÁMARA Los parámetros que nos permiten homogeneizar las partidas de madera adecuando y optimizando las condiciones de secado más favorables son: la especie, el espesor, el contenido de humedad, tipo de madera, tipo de corte y la calidad de la madera a secar.

215 La Especie Existe variabilidad en el comportamiento de las distintas especies durante el secado. Influyen en la conducción del proceso de secado, el diseño de las instalaciones y la tecnología a emplear. Inicialmente se clasifican en maderas fáciles de secar y maderas difíciles de secar

216 Espesor de la madera El espesor de la madera influye en la duración del tiempo de secado y en la severidad de las condiciones que puede soportar. Secando partidas de madera con diferencias de espesor, (entre 25 y 45 mm) la conducción del secado se realizará con los datos obtenidos de los testigos de mayor espesor. Secando diferentes espesores se obtiene:

217 Contenido de humedad El contenido de humedad y su distribución en la partida de madera determinan la conducción del programa de secado. El secado de madera con diferencias importantes en el CH inicial de las tablas (40 y el 80%) dificulta la adecuación de las condiciones de secado para toda la partida

218 TIPO DE CORTE las tablas aserradas de forma tangencial presentan una velocidad de secado mayor que las piezas obtenidas en dirección radial. Un despiece radial, presenta un comportamiento más estable que un despiece tangencial. Las tablas radiales son más propensas a la presencia de colapsos y curvaturas de canto.

219 Calidad de la madera La presencia de nudos, fibra desviada, tensiones de crecimiento, madera juvenil, etc. favorece que durante el proceso de secado se produzcan fendas y deformaciones

220 OPERACIONES DE CARGA DE SECADERO En el momento de preparar la carga, es necesario tener en cuenta que el secado se produce al pasar aire caliente y con bajo contenido de humedad a través de las tablas. Esta circulación debe ser lo más homogénea posible en cuanto a su velocidad, caudal y distribución, evitando la presencia de obstáculos o de huecos.

221 Separación de la madera La separación de la madera juega un papel decisivo en conseguir una correcta distribución del aire. Una correcta distribución evitará la presencia de deformaciones producidas por un reparto desigual del peso de las pilas y Generará estabilidad estructural de la pila de secado.

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223 Para cada espesor de la madera se recomienda un grosor de separador. En el distanciamiento entre separadores es necesario tener en cuenta la propensión de la especie de madera a presentar deformaciones. Grosor de la tablas a secar (mm) Grosor de los separadores (mm) Distancia entre separadores (m) < >

224 Características de los separadores Los separadores se colocarán alineados verticalmente y distribuidos en la fila. Los separadores deben proceder de madera de buena calidad, libre de defectos y de deformaciones. El contenido de humedad de estos separadores debe estar próximo a la humedad final de secado

225 Apilado Una buena parte de la degradación y desperdicio de madera que se produce en el proceso de secado se debe a menudo al apilamiento inadecuado de las tablas aserradas. Se formarán pilas con paquetes de madera de dimensiones regulares y uniformes que faciliten su manejo Es de la mayor importancia utilizar la técnica del encastillado plano

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228 Las pilas se colocarán perpendiculares al flujo del aire Se colocarán pesos en los paquetes para permitir el manejo de los mismos, por medio de equipos de elevación, alineados perfectamente con los separadores

229 En el caso de tener que secar madera de distinta longitud, la colocación más adecuada es utilizando el sistema denominado Boxpiling.

230 En el caso de necesitar secar partidas de madera de distintas especies, se dispondrán de forma que las pilas de una columna, en profundidad, sean siempre de la misma especie de madera. El mismo procedimiento se puede aplicar en e caso de secar madera con distintos espesores

231 Puntos clave durante el apilado Apilar únicamente aquellas tablas cuya calidad permitirá obtener un producto secado vendible. Para la mayor parte de las especies, encastillar solamente tablas que han sido aserradas en sus cuatro cantos; las tensiones de crecimiento son generalmente demasiado severas para que tablas sin cantear se sequen sin rajar o distorcionar. Utilizar un marco o estructura para el encastillado que tenga las dimensiones exactas del castillo. Preparar los castillos sobre una base firme con soportes que aseguren que la primera camada de tablas se mantenga perfectamente horizontal. Cuidar que la primera y última camada esté compuesta de tablas del largo total del castillo.

232 después de colocar cada camada de tablas, asegurar que los separadores estén alineados verticalmente con respecto a los soportes en la base del castillo. Alinear verticalmente las tablas que se colocan en los bordes del castillo (adelante y atrás); si posible, utilizar tablas de igual largo que el castillo para este fin. Alinear verticalmente el castillo en sus dos extremos laterales; para ello, colocar las tablas de largo inferior al del castillo en cada extremo, alternativamente. Apilar únicamente tablas de una especie y un espesor por castillo y, de preferencia, de un solo ancho Utilizar madera de espesor uniforme para los separadores y soportes, de preferencia secada y cepillada. Aplicar cintas de fibra de vidrio (reciclable) en ambos extremos del castillo para asegurar que el mismo no se desordene durante su manipulación.

233 . CONDUCCIÓN DE SECADO El proceso de secado se basa en aprovechar la capacidad de la madera para intercambiar humedad con el ambiente en que se ubique. En el secado en cámara, la madera se somete artificialmente a condiciones más severas, forzando ese intercambio de humedad.

234 Control de condiciones climáticas El control de las condiciones climáticas dentro del secadero debe ser lo más fiable posible. La medida de estas condiciones se puede realizar utilizando sondas higrotérmicas, que miden humedad relativa del aire y temperatura en un mismo equipo. O sondas diferentes para cada parámetro

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236 La medida de la humedad relativa del aire se puede realizar de distintos modos: Determinando la humedad relativa del aire mediante sondas de tipos capacitivo Mediante la diferencia psicrométrica de temperatura húmeda y seca. Existen secaderos donde se determina directamente la humedad de equilibrio de la madera mediante la utilización de chapas de madera o de celulosa.

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238 Regulación de secado Para el secado en cámara, se recomienda seguir un programa previamente definido para cada especie. Las condiciones indicadas estos programas de secado se mantienen hasta que la muestra mas seca en la cámara alcance un contenido de humedad deseado

239 Para las maderas duras (latifoliadas), los programas de secado más exitosos son los que involucran bajas velocidades del aire, bajas temperaturas del bulbo seco y pequeñas diferencias piscrométricas en las etapas iniciales del proceso (en fuerte contraste con el caso de la madera de pino de plantaciones).

240 Los controles en la cámara de secado deben ser extremadamente precisos: En particular para los sensores de bulbo húmedo y seco. Las unidades de PLC requieren de chequeos de rutina para asegurar su correcto funcionamiento. Los ventiladores deben estar en buen estado de operación y deben ser invertidos cada hora. La velocidad del aire barriendo las tablas no debería exceder 0.5 m por segundo.

241 El contenido de humedad de la madera se puede determinar mediante métodos gravimétricos donde se mide la diferencia de peso de testigos, o bien mediante métodos basados en la variación de la resistencia eléctrica que se produce en la madera con la humedad, en este caso, se colocan electrodos en tablas conectados a un equipo, que determina el contenido de humedad en continuo.

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243 Horarios o Programas de Secado Los programas u horarios de secado consisten en una tabla de temperaturas y depresiones psicrométricas que sirven de guía al operador para secar una madera dada, con rapidez razonable y con el menor deterioro posible. Ningún programa u horario se considera como ideal. Los programas constituyen guías conservadoras para el secado

244 Un programa de secado establece condiciones de temperatura y humedad cada vez más severas, en base a intervalos de tiempo establecidos, o en función del contenido de humedad que va alcanzando la madera. TABLA (Nº) Temperaturas Humedad de la madera (%) Seca (ºC) Verde Húmeda (ºC) Humedad relativa del aire (%) Equilibrio higroscópico de la madera (%) Gradiente de secado (G)

245 Ejemplo de utilización del programa El operador debe regular la temperatura de secado al equilibrio higroscópico de la madera en función de la humedad de la madera, luego seleccionará por la madera al estado verde una temperatura seca de 50ºC y un equilibrio higroscópico de la madera de 17%. Cuando la humedad de los testigos de la madera (instalados al interior de la cámara y en las tablas) llegue a 35 %, se seleccionará 50ºC y 15%, y así en secuencia. Cuando la humedad de los testigos de madera lleguen a 15% de humedad, se seleccionará una temperatura seca de 70ºC y 5% de equilibrio higroscópico de la madera, y así se dejará seguir el secado hasta que los testigos hayan llegado a la humedad deseable de la madera

246 METODO SENCILLO Temperatura de la cámara T. Relación entre humedad de la madera y humedad de equilibrio higroscópico «Gradiente de secado» G. LATIFOLIADAS CONIFERAS Esta tabla sólo recoge la temperatura y el gradiente de secado, correspondiente a la fase final del secado, es decir cuando la humedad de la madera se sitúa por debajo de 20 a 15%. Para completar el programa de secado se debe tener en cuenta que en las primeras fases del secado Para completar el programa de secado, por cada 10 grados más de humedad de la madera, se debe disminuir un 10% la temperatura de la cámara y aumentar un 5% el gradiente de secado.

247 Una partida completa de fresno, de 1,5" de grosor, que después de aserrado entra en el secadero con un 60% de humedad y se quiere secar hasta un 8%, desarrolle el programa de secado. El fresno es una madera de densidad normal (0,65 g/cm3) estable (Ccv= 0,41) sin tendencia a deformar (Ctg,/Cr), Elijo como grado de dificultad el «muy fácil»

248 En estos programas, lo único que se debe completar es el tiempo de secado. Para calcular, de forma aproximada, los tiempos de cada una de las etapas se suele aplicar la fórmula de Braunsin

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250 El secado se concluye en 210,1 horas (8,8 días)

251 El control de defectos durante el secado requiere de condiciones benignas al principio. la humedad relativa debe ser lo suficientemente elevada la temperatura debe ser lo suficientemente baja La madera pierde rápidamente humedad al principio, y para mantener esa rapidez se debe agrandar la depresión tanto como su contenido de humedad lo permita. La depresión se incrementa gradualmente cuando la madera ha perdido la tercera parte de su contenido de humedad en estado verde, o cuando la madera alcanzó el PSF.

252 CONTROL DE SECADERO La presencia de defectos de secado se puede evitar realizando un reconocimiento del estado de los sistemas, equipos y útiles del secadero, de la colocación de la carga y de los testigos de control de humedad de la madera.

253 Procedimiento de control por pérdida de peso en testigo Existen varios métodos para conocer el contenido de humedad de la madera, el más sencillo y usado es el método de las pesadas. 1. Seleccione una muestra de la madera durante el proceso de apilado y acomode la pila de tal manera que podamos extraer periódicamente esta muestra de la cámara de secado. La muestra y sus secciones para determina humedad, deben estar libres de defectos (grietas o nudos) y sin resina, deben tomarse del centro de la tabla 2. Pese e identifique la muestra (con una clave que permita identificarla sin equivocaciones) y las secciones de humedad, anote los datos, que son las referencias a seguir.

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255 3. Ponga a secar las secciones para determinar humedad en un horno a 103 ± 2 C hasta alcanzar un peso constante (aproximadamente en 24 horas). La muestra debe ser acomodada dentro de la estufa, para que se seque con el resto de la pila, de manera que pueda ser removida periódicamente para registrar su peso y dar seguimiento al avance del secado. 4. Para determinar el contenido de humedad de las secciones de madera, realice la siguiente operación matemática: Donde: CH = Contenido de humedad de la sección. Pf= Peso fresco de la madera al momento de cortar la sección y la muestra. Ps = Peso seco o constante de la sección de madera secada al horno.

256 5. Con este contenido de humedad estimado o determinado y el peso de la muestra al momento de cortarla (terminando el apilado), se calcula el peso que tendría la muestra como si hubiera sido secada en horno como las secciones. Utilice la siguiente expresión matemática: Donde: PSE = Peso Seco Estimado de la muestra. PF = Peso Fresco de la muestra de secado al cortarla (terminando el apilado). CH = Contenido de humedad obtenido de las secciones de humedad secadas al horno.

257 6. Para monitorear el avance de secado durante el periodo que esté dentro del secador, tome la muestra que introdujo en la estufa, obtenga su peso y vuelva a acomodarla dentro. 7. Utilice este peso y el peso que tendría la muestra si fuera secada en horno y realice la siguiente operación matemática. Donde: CH = Contenido de humedad de la madera. Pf = Peso fresco de la madera al momento de pesar la muestra sacada de la estufa. Psc = Peso seco calculado o Peso seco constante de la muestra, como si fuera secado en horno.

258 El resultado es el porcentaje de humedad que tiene la madera al momento del pesaje de la muestra que se encuentra dentro de la estufa y representa el contenido de humedad de la madera que está en la estufa. La operación de pesaje de la muestra tendrá que realizarse las veces necesarias hasta llegar a la cantidad de humedad deseada en la madera

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