Tema Secado
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CURSO DE TECNOLOGÍA DE LA MADERA Y PRODUCTOS FORESTALES ESTADO DEL ARTE DEL SECADO DE LA MADERA EN EUROPA Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es ESTADO DEL ARTE DEL SECADO DE LA MADERA EN EUROPA MANUAL TECNICO DE SECADO DE MADERAS Marta Conde García Juan I. Fernández-Golfín Seco EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA • Secado al aire, mayoritario en el Sur • Creciente interés por el secado artificial – Desde verde (control pérdidas) – Con regulación sofisticada (minimizar pérdidas) – Multiplicidad de métodos • La operación de secado configura la organización de la empresa Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es CLASIFICACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS • Secado a presión atmosférica – Por convección • A temperatura media (<80ºC) • A temperatura elevada ACT 90/60 • A alta temperatura (>100ºC) • Con vapor sobrecalentado – Por conducción: prensas – Por radiación: UV, solar – Por agitación molecular (RF, Inducción, Microondas) • Secado al vacío Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADO A PRESIÓN ATMOSFÉRICA Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADO EN CÁMARA POR CONVECCIÓN Tradicionales a temperatura media (<80ºC) – Con calderas y fluido caloportador – De fuego directo o indirecto – Por bomba de calor Estos secaderos son: -Los más habituales -Los más elásticos (en cuanto a oferta) Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos tradicionales con caldera Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos tradicionales con caldera Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos tradicionales con caldera Potencia calorífica instalada necesaria en el secadero (en Kcal/h m3) Humedad inicial >30% <30% Madera de secado lento (roble, tropicales)* 4.000 3.000 Maderas de secado medio (haya, exóticas)* 6.000 5.000 Maderas de secado rápido(pinos)* 8.000 7.000 Secado a 90-100ºC (pino)* 12.000 10.000 Secado ACT 90/60 20.000 No recomendable Secado AT (alta temperatura) 30.000 No recomendable *Datos Joly y More-Cevalier (1980) Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos tradicionales por convección Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección • Turbinas axiales de 800-900 mm • Caudal normal de 30.000 m3/h • Reversibles • Aluminio • Motores IP 55H, normalmente de 3 kW • Cuerpo aluminio y eje acero inoxidable • Variadores de frecuencia Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección Valores “normales” para la ventilación: – – – – – Potencia unitaria: 0,24-0,30 kW/m3 Caudal unitario: 2400-3000 m3/h/m3 Número de ventiladores: 6-8 (100 m3) Diámetro de turbinas: 800-900mm Velocidad del aire: • Frondosas: 1,5-3,0 m/s • Coníferas: 3,0-6,0 m/s Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección Métodos Control humedad relativa Sondas de humedad de equilibrio Psicrómetros electrónicos Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección Métodos Control de la temperatura Termómetros analógicos Pirómetros digitales Termorresistencias Pt100 Termopares Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos por convección Equipos de regulación y control Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección con quemadores • Fuego directo=> Gases de combustión en contacto directo con madera • Fuego indirecto=>Combustión producida en hogar independiente Combustibles: • Gas (natural, propano) • Gas-oil o fuel •….. Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección con quemadores Fuego indirecto Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección con bomba de calor (HPD) Se trata de un circuito clásico de aire acondicionado diseñado específicamente para este uso, teniendo en cuenta: – Riesgos de corrosiones – Energía demandada – Salto térmico dentro/fuera Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Humedad 20 Aire húmedo y frío Madera EVAPORADOR O B. FRÍA Aire seco y frío Aire caliente y seco Condensados CONDENSADOR O B. CALIENTE Aire caliente y seco EQUIPOS HPD TRADICIONALES -Circuito cerrado -Alta eficiencia térmica -Elevada duración C Secaderos de convección con bomba de calor Habitualmente la BC se usa para: •Control de humedad •Recuperar el calor Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es NUEVA TECNOLOGÍA HPD Humedad 22 Aire húmedo y frío Madera CIRCUITO DE AGUA Q9 CIRCUITO C/REFRIGERANTE Q8 Aire seco y caliente Batería caliente Aire/agua Aire seco y caliente Q10 Contador agua Batería fría aire/agua Aire seco y frío Q1 EVAPORADOR O B. FRÍA W PB C Agua condensada CONDENSADOR O B. CALIENTE Q2 Q3 Q4 Q11 Aire seco y frío Q7 Q6 Q5 Q11+Q3+Q5=Q6 QUEMADOR Q4+Q1+W=Q2 Q6=Q7+Q8 Q8=Q1+Q9 Q9+Q10=Q11 Q3+Q5+Q10=Q1+Q7 Circuito de agua Q2-Q3=Q4 Q1+W=Q3 Circuito refrigerante Secaderos de convección con bomba de calor Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección con bomba de calor VENTAJAS respecto secado tradicional con calderas Elevada eficiencia energética •Coníferas: 0,64-0,73 kWh/l (1,1-1,2) •Frondosas: 1-1,3 kWh/l (1,4-1,5) Elevada calidad de secado Madera de color claro Duración similar (maderas moderadamente permeables) DESVENTAJAS Duración más larga en maderas altamente permeables Dependencia de la energía eléctrica, mantenimiento Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección ACT 90/60 • Modificación del sistema AT • Fases del proceso – Fase inicial de vaporizado a baja presión (2 h) – Secado a Ts=85-90ºC y Th=60ºC – Vaporizado final (4 h) • • • • Exige 20.000 kcal/h.m3 Velocidad de aire de 4-5 m/s Adecuado sólo para madera muy permeables Duración de 5 días para 50 mm desde verde Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección a Alta Temperatura • Temperatura de secado: 105-130ºC • Sólo aplicables a determinadas maderas • Dos métodos: – Secado a alta temperatura (Th<100ºC): 120/70 – Secado en vapor sobrecalentado (Th=100ºC) • Sólo aplicable a maderas determinadas • Actualmente sólo se usa con pino radiata en Chile, Nueva Zelanda y Australia Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secaderos de convección a Alta Temperatura Condicionantes de calidad: – Bajo contenido en resina – Nudos muertos – Humedad inicial (verde) – Espesor (<50 mm) – Solo sección rectangular – Permeabilidad alta – Baja tendencia al colapso – Coloración madera – Madera sin extractivos – Consumo 1,6-1,7 kwh/kg Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es MÉTODO 120/70 SOBRE P. RADIATA (Chile) Ventiladores a 7-8 m/s cambiando c/2 horas Calentamiento en 4-6 h Pesos de 900 kg/m2 Duración 17-18 horas+5-6 acondicionado Producción (100 m3): 4.000 m3/mes Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es COMPARACIÓN DE MÉTODOS CON P.RADIATA de 40 mm (Chile) Secado tradicional Temperatura seca de 90ºC 4-5 días 4-5 días (según época) Secado 90/60 Temperatura seca de 90ºC y húmeda de 60ºC 27 horas+5 horas de acondicionado 32 horas Secado 120/70 (AT) Temperatura seca de 120ºC y húmeda de 70ºC 17-18 horas+5-6 h de acondicionado Situación Forestal 24 horas Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADEROS EN CÁMARA POR CONDUCCIÓN Aplicable a maderas homogéneas (coníferas) o frondosas de porosidad difusa (p.e. Haya) Recomendable hacer uso de piezas de limitada longitud ya que el flujo de vapor predominante es el axial Secado en prensa Pressure El uso de platos de prensa ligeramente rayados permite un escape continuo del vapor de agua (flujo transversal) Heating plate Timber Feeding Es conveniente establecer cortos periodos de descompresión para permitir la relajación de tensiones y la contracción de las piezas de madera Tray Pressure Esquema de una planta de secado con una prensa multiplatos provista de sistema de alimentación Situación Forestal La presión más recomendable varía entre 0,3 y 0,8 MPa (evitando compresión superficial). Hitwood hace uso de 0,2 a 0,5 Mpa. Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADEROS EN CÁMARA POR RADIACIÓN El calentamiento se consigue por el impacto de ondas electromagnéticas de características diversas generadas en fuentes apropiadas Radiación térmica Radiación solar • Secado Solar • Secado mediante Lámparas UV (Sólo chapas) Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADO POR AGITACIÓN MOLECULAR Por Inducción electrostática (Radio Frecuencia) Por Inducción magnética Por acción de las microondas Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Efecto de la agitación molecular: La Inducción electrostática, la Inducción magnética y las Microondas se generan de forma distinta pero los efectos sobre la materia son similares. Moléculas de agua (DIPOLOS) dispuestas al azar Las moléculas de agua se ordenan siguiendo la dirección de las lineas de fuerza o microondas que atraviesan el cuerpo. Situación Forestal Las moléculas de agua giran a gran velocidad (hasta 2 millones por segundo) siguiendo las vibraciones de la onda (o el campo eléctrico o magnético), produciéndose calor en el cuerpo (agitación molecular). Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado por Inducción electrostática (Radio Frecuencia) • • • La madera húmeda es colocada como dieléctrico en un condensador plano acoplado a un circuito eléctrico de CA de alta frecuencia. El calor se genera por agitación molecular (orientación dipolar) que se produce al orientarse los dipolos en la dirección de las líneas de fuerza un campo eléctrico de sentido variable a muy alta frecuencia Se suele usar en combinación con el secado al vacío Cold electrode Hot electrode Cold electrode Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado por Inducción Magnética La madera húmeda es colocada en el interior de un solenoide por el que circula una CA de muy alta frecuencia. El calor se genera por la agitación molecular (orientación dipolar) que se produce al orientarse los dipolos en la dirección de las líneas de fuerza de un campo magnético de sentido variable a muy alta frecuencia Método en desuso por sus altos consumos eléctricos Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado por Microondas La madera húmeda es atravesada por ondas electromagnéticas generadas por un magnetrón en el campo de las microondas El calor se genera por la agitación molecular (orientación dipolar) que se produce al orientarse los dipolos en la dirección de las ondas electromagnéticas Menor uniformidad en el calentamiento que con los métodos de Inducción por distribución menos homogénea de las ondas Ventilador Magnetrón Puerta estanca a las ondas Plato giratorio para homogenizar distribución ondas Paredes impermeables a las ondas Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es SECADO AL VACÍO Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado al vacío: tecnologías disponibles • Convectivo Tecnología más común hoy en día 1.Períodos intermitentes de calentamiento bajo presión normal y de secado secado bajo vacío. = Secado al vacío discontinuo 2. Transmisión contínua del calor en condiciones de vacío (=Secado Secadoal alvacío vacíocon convapor vaporsobrecalentado sobrecalentado; pAbs = 100...250 mbar). Debe existir suficiente vapor de agua para asegurar la transmisión de calor por convección al alta velocidad (vsteam 20-30 m/s) = Secado al vacío continuo • Conductivo Por contacto directo de la madera con los platos calefactores (en vez de rastreles). La presión se mantiene constante y tan baja como sea posible. = Secado al vacío continuo (platos) • Inducción electrostática Los electrodos caliente/frío deben estar integrados en la vasija. La transmisión de calor es continua y la presión debe ser tan Secado vacío continuo por RF baja como sea posible. = Secado al al vacío continuo Tecnología emergente • Microondas Situación Forestal El generador de microondas (Magnetrón) debe estar integrado dentro de la vasija. La transmisión de calor es continua y la presión debe ser tan baja como sea posible. = Secado al vacío continuo Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es 1,5-2,2 kWh/kg Capacidad < 30 m3 Secado al vacío: tecnologías disponibles Vacío contínuo con platos y presión Cuidadoso manejo de los platos calefactores Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado al vacío con vapor sobrecalentado. Equipos Motor valve • Sistema de calentamiento (radiadores y caldera) Circulation pump Heating medium • Sistema de circulación del vapor (ventiladores): 20-40 m/s Vapour exhaust to vacuum pump Sensors Controlling Computer Insulated pressure vessel Fan • Condensador, bomba(s) de vacío Cooling water Circulation pump Cooling device Control panel (connected to measuring sensors, regulation units, pumps and controlling computer) • Vasija de presión, puerta de acceso y vagonetas) Cooling water • Elementos auxiliares (deflectores, tanque de condensados, ..) • Sensores, reguladores y sistema de control (PC) internal condensation device Vacuum pump Insulated front door VAK-09 e/ JBR Situación Forestal Condensate pipe Condensate bin ( volume measurement) Luis Acuña Rello ± similares características en todos los fabricantes (IWT, Hildebrand,..) maderas@iaf.uva.es Secado al vacío con vapor sobrecalentado. Detalles de plantas Vasijas prismáticas o cilíndricas diámetro de tambor de 4-6 m y longitud de hasta 30 m. Volúmenes útiles de hasta 230 m3 Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado al vacío continuo con Radio frecuencia (RF/V) Cold electrode “Hot” electrode Steamcondenser Radiofrequencygenerator Hot electrode Vacuumpump “Cold” electrode Ground Cold electrode Esquema de un secadero RF/V • Calentamiento de la madera húmeda por agitación molecular (campo eléctrico) • La madera húmeda actúa como un material dieléctrico • Poder de absorción del material Situación Forestal P 0,556 f E 2 ε'' 1012 W/cm3 P f E ” [W/cm³] [Hz] [V/cm] [-] Potencia por unidad volumen Frecuencia Campo eléctrico Factor disipación madera Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Secado al vacío continuo con Radio frecuencia (RF/V):detalle de planta HeatWave 5.20 • Capacidad de 5 m3 netos • Potencia RF de 20 kW Ventajas • Duración muy reducida • Permite secado de madera muy gruesa • Calidad de secado muy buena • Apilado sin rastreles Situación Forestal Desventajas • Limitado a maderas altamente permeables • Inversión elevada • Altos costes energéticos (electricidad) • Baja eficiencia del generador-RF (η = 0,55..0,65) • Vida limitada del tubo RF (aprox. 4000Rello - 8000 h)maderas@iaf.uva.es Luis Acuña SECADO AL VACÍO Resumen INDICACIÓN GENERAL: – Frondosas duras o dífíciles y de alto valor – Coníferas desde 60 mm de espesor (viguería) CALIDAD DE SECADO ELEVADA PERO SECADEROS MUY COMPLEJOS Y COSTOSOS. TECNOLOGÍA EMERGENTE Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es RESUMEN FINAL • LA TECNOLOGÍA MÁS USADA EN EUROPA ES EL SECADO TRADICIONAL CONVECTIVO EN CÁMARA A TEMPERATURA MEDIA (<80ºC) Y CON CALDERAS • PARA ESPECIES MUY PERMEABLES HAY CRECIENTE INTERÉS POR SECADO ACT 90/60 • SECADO A ALTA TEMPERATURA ABANDONADO • HAY INTERÉS POR EL SECADO AL VACÍO PERO TODAVÍA ESTÁ EN FASE DE DESARROLLO Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN • DISEÑO DE TÉCNICAS DE EVALUACIÓN Y MEJORA DE LA CALIDAD DEL SECADO • MODELIZACION DEL PROCESO • DISEÑO DE NUEVOS MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DE LA MADERA Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es Muchas gracias Situación Forestal Luis Acuña Rello maderas@iaf.uva.es
