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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.1 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000100002 

 

Información Tecnológica - Vol. 15 N° 1 - 2004: 11-16

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA

 

Efecto de la Temperatura y del Flujo de Aire sobre el Proceso de Secado de Madera de Encino (Quercus Candicans Neé), Pretratada con Agua

Effect of Temperature and Airflow on the Drying Process of Oak Wood (Quercus Candicans Neé), Pretreated with Water

 

S. Sandoval1, J. Rodríguez1, L. Méndez1 y M. Fuentes2

(1) Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, Unidad Oaxaca, IPN,
Hornos Nº1003, Sta. Cruz Xoxocotlán, 71230 Oaxaca, Oax.-México (email: jrodrigr@ipn.mx)
(2) Univ. Autónoma de Chapingo, Fac. de Ciencias Forestales, Km. 38.5, Carretera México-Veracruz,
Chapingo-México

 


Resumen

Con el propósito de estudiar y analizar el proceso de secado de madera dura, se realizaron experimentos en un túnel de secado con madera de encino rojo Quercus Candicans Neé obtenida de la Sierra Norte del Estado de Oaxaca (México). La madera a secar tenía un contenido de humedad inicial promedio de 62.93% y se aplicaron dos programas de secado: uno intenso a temperaturas entre 47 y 71oC y otro suave a temperaturas entre 37 y 48oC, ambos realizados a dos velocidades de flujo de aire (1.073 m/s y 1.64 m/s). Treinta y dos tablas fueron pretratadas en agua fría antes de ser sometidas al secado. La calidad de la madera fue ponderada cuantificando el nivel de defectos (acanaladura, rajaduras, grietas, arqueadura, encorvadura y torcedura) generados por cada programa. Se encontró que el programa suave genera menor nivel de defectos.


Abstract

To study and analyze the drying process of hardwood, experiments drying tunnel experiments of Red Oak wood (Quercus Candicans Neé) from the North Mountains (Sierra Norte) in Oaxaca State (Mexico), were performed. The wood to be treated had an average initial moisture content of 62.93% and two drying schedules were employed: an intense at temperatures between 47 and 71oC and a mild one at temperatures between 37 and 48oC, both schedules done at two airflows (1.073 m/s and 1.64 m/s). Thirty-two planks were pretreated with cool water before to be drying. The quality of wood was measurement quantifying the level of defects (warpage, splittings, checkings, kink, bow and crook) generated by each drying schedule. It was founded that the mild temperature schedule generates less defects.

Keywords: drying tunnel, Quercus Candicans Neé, red oak, wood quality


 

INTRODUCCIÓN

A los encinos se les considera, después de las coníferas, el segundo grupo de especies más importante de los bosques de clima templado. No obstante su importancia en cuanto a existencias maderables, los volúmenes que se aprovechan son muy reducidos; en parte por falta de conocimientos tecnológicos de sus maderas y por la rentabilidad de los procesos industriales. Anatómicamente estas especies se distinguen por una estructura compleja en comparación con las coníferas debido a la presencia de elementos como parénquima longitudinal, fibrotraqueidas, elementos vasculares, fibras libriformes, traqueidas vasincéntricas y vasculares, lo cual las hace susceptibles al colapso, generando de esta forma gran cantidad de defectos.

La necesidad de mejorar los métodos de secado que permitan aprovechar un mayor número de especies de madera, ha estimulado diversos trabajos, orientados al secado de encinos rojos dentro de los cuales Hildebrand (1970) sugiere algunos programas de secado para encinos blancos americanos y recomienda programas de temperatura 2/3 para Quercus Rubra (encino rojo) con densidad 0.65. Por otra parte se han estudiado procesos de pretratamiento para maderas duras, con lo cual se buscan reducir los defectos y tiempos de secado; en cuanto al prevaporizado de encino rojo, Simpson (1975) realizó pruebas experimentales en encino rojo norteño (Quercus Rubra); en los cuales logró una disminución en el tiempo de secado. Por su parte, Razo (1990) aplicó el programa de secado T2C2 en algunos encinos, secándolos en 23 días hasta un 6% de contenido de humedad final y evaluó los defectos de acanalamiento, torceduras y encorvado, por lo cual recomienda secar por separado los encinos blancos y los rojos. Además, sugiere un tra-tamiento de vaporización o inmersión en agua en los encinos blancos, para eliminar los extractivos y acelerar el secado.

Se ha mencionado también que el ablandamiento de las fibras de la madera, permite disminuir las contracciones durante el secado. Avila (1991) estudia el efecto de la prevaporización de la madera de encino rojo (Quer-cus Acutifolia) de 2.54 cm., de espesor; encontró que este tratamiento reduce el tiempo de secado en un 38%, lo cual repercute en una reducción en los costos de operación.

También menciona que la calidad de la madera fue excelente, debido a que los defectos al final del proceso fueron mínimos.

Por otro lado, Andrade (1990) evaluó el efecto en el secado del precalentamiento en agua de 2 especies de Madroño (Arbutus xalapensis y Arbutus glandulosa) en probetas pequeñas, sometiéndolas a un calentamiento en agua de 80ºC a 100ºC; con lo cual obtuvo resultados favorables con 150 minutos de calentamiento por lo que sugiere aplicar este tratamiento para el secado al aire libre y en estufa convencional. Simpson (1975), Avila (1985), Harris et al. (1989) y Castro (1992) indican que la vaporización previa es factible por no requerir equipo adicional, pues con la vapo-rización previa se aumenta la permeabilidad de la madera y al mismo tiempo se aumenta la difusión de vapor de agua; factor importante en la rapidez de secado. Pretratamientos aplicados a encinos rojos han sido escasos y poco estudiados. Zavala (1998), examinó el efecto del precalentamiento en agua a 70ºC sobre el secado convencional y al aire libre de 3 especies de encino: Quercus Candicans, Q. Rugosa y Q. Laurina y obtuvieron buenos resultados solo para Q. Candicans.

Uno de los factores críticos en el secado de madera es la distribución y velocidad de los flujos de aire en estufas de secado industriales. Nijdam y Keey (2002), llevan a cabo un estudio experimental de flujos de aire en estufas, para lo cual apilan tablas de madera en una estufa en donde se presentan flujos de aire no uniformes debido a zonas de recirculación antes y después de la pila de madera. Sus resultados mostraron que estrechando progresivamente las cámaras en una estufa simétrica se provocan flujos de aire severamente menos uniformes sobre las pilas de madera que en cámaras de ancho constante.

En cuanto a la predicción de contracción anisotrópica en madera, Pang (2002), describe algunas teorías importantes relacionadas al encogimiento de las fibras por pérdida de humedad, dando a conocer que el fenómeno puede ser analizado en cuatro niveles: molecular, ultraestructural, microestructural y macroestructural. El modelo puede ser aplicado a un espécimen con propiedades asimétricas. Propone un modelo en el que utiliza propiedades mecánicas de la pared celular y propiedades del material a partir de datos de contracción medidos experimentalmente.

En cuanto a trabajos que comparen los métodos de secado, se encuentra el de Bejar (1983), quien realiza pruebas en Quercus Crassifolia, Q. Candicans, Q. Obtusata, Q. Laurina y Q. Castanea, utilizando tres tipos de secado: al aire libre, en estufa convencional y en estufa eléctrica y evalúa los tiempos de secado y los defectos de acanalado, torceduras y arqueamiento. En este trabajo encuentra que el secado en estufa convencional presentó menos defectos de acanalado y torceduras, pero por otra parte el arqueamiento no presentó diferencias entre sistemas de secado.

METODOLOGÍA

De un árbol de encino rojo Q. Candicans Neé se obtuvieron 32 tablas representativas de 50 cm. de largo, 20 cm. de ancho y 2.5 cm, de espesor, además de probetas de 2.5 cm. de ancho, 20 cm. de largo y 2.5 cm. de espesor; éstos últimos para la determinación del contenido de humedad inicial, mediante el secado en estufa, según el procedimiento normali-zado DIN 52180, ISO 3130 y ASTM D-4442-841.

Las tablas de madera permanecieron inmer-sas en agua a diferentes tiempos (Fig. 1), hasta el momento en el que fueron sometidas al secado, por lo que 1 hora antes de someterlas a proceso, son extraídas de los contenedores de agua, con la finalidad de escurrirlas y con esto se eliminó el exceso de humedad superficial absorbida. En las tablas 1 y 2, se muestran las condiciones de operación de los dos programas de secado aplicados.

Tabla 1:Programa de secado T3C4

Etapa

*CH

T (oC)

HR (%)

0

65

43.2

100

1

65

43.2

78

2

40

43.2

70

3

35

43.2

57

4

30

48.8

40

5

25

54.3

21

6

20

59.9

14

7

15

71.0

58

8

8

71.0

81

9

10

71.0

81

Tabla 2:Programa de secado T1C3 (*CH: contenido de humedad (kg agua / kg ss) x100)

Etapa

*CH

T (oC)

HR (%)

0

65

37.7

100

1

65

37.7

83

2

40

37.7

77

3

35

37.7

65

4

30

40.5

46

5

25

40.5

16

6

20

46.0

10

7

15

48.8

51

8

8

48.8

77

9

10

48.8

77

Las pruebas se realizaron en un túnel de secado, diseñado para mantener un flujo de aire uniforme y controlado, se utilizó un ventilador centrífugo y resistencias eléctricas para calentar el aire. Los datos de velocidad de aire fueron medidos con un anemómetro tipo Trisense marca Cole-Parmer. La temperatura y humedad relativa del aire son medidos con un sensor Humicap HMP234 marca vaisala. Para registrar el peso de las muestras durante el secado, se utilizó una celda de carga marca Interface, modelo SM-25 con una capacidad máxima de 12.5 kg. Los datos fueron registrados constantemente utilizando un sistema de adquisición de datos y una computadora. La determinación del contenido de humedad de la madera durante el secado se obtuvo utilizando las siguientes ecuaciones:

PSC = (1)

CH actual = (2)

Donde:
P: Peso, kg.
PSC: Peso seco calculado, kg.
CH:contenido de humedad (kg agua / kg ss).

Cada programa de secado se aplica con dos niveles de flujo de aire (1.071 m/s y 1.64 m/s). Por otra parte, la evaluación de la calidad de la madera se obtuvo siguiendo la norma chilena 178 (INN, 1979), la cual hace una clasificación por aspecto; esta evaluación se realizó con base a la intensidad de defectos presentes en las tablas, de forma tal que cada pieza fue ubicada en un grado de clasificación, utilizando un factor de desclasificación propuesto por Kauman y Mittak (1996).

El diseño de experimentos se realiza considerando como factores al programa de secado y a la velocidad de flujo de aire. De esta forma se genera un diseño factorial 22; se obtuvieron 4 experimentos y con sus réplicas hacen un total de 8 pruebas aleatorias. Se secaron por cada prueba 4 tablas, por lo que se obtienen en total 32 muestras sometidas a secado pretratadas con inmersión en agua.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 1 se muestran las curvas de secado obtenidas por cada programa aplicado observando un efecto importante del tiempo de inmersión en agua en el tiempo de secado. La figura muestra como las tablas que permanecieron en agua más de 27 días siguieron una tendencia similar en la forma y tiempo de secado; por el contrario, las muestras con 7 y 16 días de pretratamiento presentan curvas similares, pero con tiempos de secado mucho mayores, ya que el pretratamiento ablanda las fibras de la madera y permite menor resistencia a la evaporación y propicia mayor permeabilidad del material.

En cuanto al efecto que ejercen la temperatura y la humedad relativa del aire sobre la rapidez de secado, la Figura 2 presenta el comportamiento de la rapidez de secado del programa T1C3. El proceso inicia con un aumento gradual de la temperatura (calentamiento), con lo cual el material va perdiendo humedad superficial y se aprecia que por cada cambio realizado en las condiciones de secado, se presenta también un cambio en la curva de rapidez.

De igual forma, se puede comparar la curva de rapidez de secado del programa T3C4, que presenta un comportamiento similar (Fig. 3), sólo que la rapidez de secado es mayor debido a que este programa opera a temperaturas más altas, favoreciendo una mayor transferencia de masa y calor, aumentando la rapidez al inicio del proceso, eliminando el agua libre de la madera, la cual está contenida en los lúmenes o cavidades superficiales de la madera y es eliminada con mayor facilidad; también porque no está adherida a las estructuras celulares del material.



También se puede observar que alrededor del 30% de contenido de humedad, la temperatura del aire se eleva a su nivel máximo, pero la rapidez de secado sigue decayendo, debido a que los mecanismos de eliminación de humedad se hacen más lentos y las condiciones internas dominan principalmente el transporte de humedad; además de que el agua que se empieza a eliminar es ligada, la cual está contenida en las paredes celulares por medio de puentes de hidrógeno, por lo cual muestra propiedades físicas diferentes al agua libre. Es importante mencionar que la filtración de gomas, resinas y otros materiales hacen la madera menos permeable y más susceptible al colapso.

El programa T3C4 puede presentar el inconveniente de fluidificar las resinas del encino, lo cual obstruye el flujo de humedad a través de las fibras; fenómeno que se presenta cuando se aplican temperaturas mayores a los 60ºC a maderas como el Q. Can-dicans Neé.

Por otra parte, es técnicamente factible el aprovechamiento y uso de la madera de encino rojo como material de proceso, utilizando programas de secado, ya que este tipo de madera se colapsa y agrieta severamente, incluso pocas horas después de su aserrado; problema que se detuvo somentiéndola a pretratamiento y después a secado.

Para determinar la calidad de la madera tratada, se sigue la metodología mencionada en la sección anterior, que aunque es hecha para pino insigne, se aplica en este trabajo en Q. Candicans Neé, con lo cual hace una ponderación de calidad más rigurosa. Se ubica cada lote de tablas en una media por defectos, se obtienen de esta forma 8 datos globales de calidad de la madera, y realizando una análisis de varianza del diseño factorial, con un nivel del confianza del 95%. Se genera la Figura 4, utilizando el software NCSS 97, en la cual se aprecia de manera gráfica el efecto de los programas de secado y de la velocidad del aire en la calidad de la madera.

Es importante mencionar que para verificar el estado final de las maderas se realizan pruebas de gradientes de humedad y de esfuerzos residuales de secado (prueba de tenedor, Fig. 5). Los esfuerzos de secado residuales se detectan después de seccionar la pieza (en forma de tenedor), ésta se curvea inmediatamente. Mientras que los problemas por diferencias en el contenido de humedad, requieren de algunas horas para poder deformar la pieza (Simpson, 1991). En la Figura 5, se muestra esta prueba, transcurridas aproximadamente 24 horas después de su seccionamiento Las muestras no presentaron desviación alguna, por lo que mostraron estabilidad dimensional.


Fig. 5: Prueba de tenedor

CONCLUSIONES

Aplicar un pretratamiento de inmersión en agua a la madera de Quercus Candiacans Neé, previo a su secado, provoca un ablandamiento de las fibras, lo cual contribuye a disminuir los tiempos de secado de manera considerable y diminuye los costos de operación del proceso.

El programa T1C3 operado a una velocidad de aire baja (1.071 m/s) reduce el nivel de defectos generados por el secado.

El cambio de condiciones, de una etapa a otra, provoca siempre un aumento en la rapidez de secado e interrumpe la tendencia del material al equilibrio, lo cual permite que siempre se propicie la eliminación de humedad.

Aún cuando en las últimas etapas del proceso se elevó la temperatura del aire, esta condición no influyó de manera predominante en el proceso evaporativo, ya que los mecanismos en esas etapas son controlados por mecanismos de transferencia de masa internos; sin embargo, las curvas de rapidez de secado en las primeras etapas muestran gran dependencia de las condiciones de temperatura, humedad relativa y velocidad del aire; proceso que se ve favorecido también por el pretratamiento por inmersión en agua.

Las pruebas de esfuerzos residuales y de gradientes de humedad reflejan la estabilidad dimensional que la madera de encino puede tener; aspecto que es importante para su posterior uso.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo financiero de la COFAA del Instituto Politécnico Nacional (proyecto CGPI2003-34), al SIBEJ-CONACyT (proyecto 19990505013 y a la unión forestal "Ixeto".

REFERENCIAS

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