Congreso Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería

Industrial CLEIN Venezuela 2009

Concurso de Ponencias Estudiantiles

Trabajo:

Estudio del secado de madera y su importancia en la explotación forestal sostenible.

Expositores:

Fernando Chávez Gomes da Silva

Nataly Añez Gros

Universidad Privada de Santa Cruz de la Sierra

Santa Cruz de la Sierra, Bolivia

Julio 2009

2

Estudio del secado de madera y su importancia en la

explotación forestal sostenible.

Introducción

1.1. Breve reseña del tema a investigar

Bolivia es el sexto país con mayor extensión de bosques tropicales, distribuidos en

siete de los nueve departamentos. Cuenta con extensión de 53.4 millones de

hectáreas de bosques tropicales, el cual representa el 48% de la superficie del país.

Más de dos millones de hectáreas con certificación forestal voluntaria de un total de

nueve millones con manejo forestal sostenible, convirtieron a Bolivia en el principal

país del mundo en el manejo sostenible de bosques tropicales.

En los bosques bolivianos existen de 240 a 303 especies con un potencial forestal

maderero de 28.7 millones de hectáreas, además de una importante riqueza no

maderable.

La diversidad de especies tropicales maderables y el considerable número de

hectáreas certificadas han conseguido que los productos de maderas de Bolivia con

valor agregado logren un mayor espacio en mercados internacionales.

(Fuente: Cámara forestal de Bolivia, Anuario 2007)

Existen procesos de transformación que pueden dar un valor a la madera; el secado

es el principal proceso que se debe aplicar para obtener un producto de calidad.

El presente trabajo de investigación se enfoca en el secado de la madera y su

importancia en la explotación forestal sostenible, de tal manera que el desarrollo

sostenible de los bosques sea una opción competitiva económicamente.

1.2. Importancia del tema, su vigencia y actualidad

El secado de madera es una actividad necesaria en el tratamiento de la madera, al

permitirle equilibrar su humedad interna con la del medio que la rodea.

3

Es una actividad que utiliza cantidades importantes de energía, para mantener las

condiciones como temperatura y humedad que permiten el proceso de secado,

durante un periodo prolongado.

Además, las condiciones de secado son regidas por variables consideradas críticas.

Cada especie tiene características particulares para el proceso y debe adaptársele a

fin de evitar defectos debido al mal secado.

Después del año 2000 las empresas del rubro, líderes en Bolivia iniciaron la

utilización de cámaras de secado.

Actualmente el secado de madera ha sido considerado por la mayoría de las

empresas como un proceso crítico, buscando mejorarlo continuamente en busca de

mayores ventajas competitivas.

1.3. Propósito, importancia del trabajo y contenido de la

investigación.

1.3.1. Propósito:

1.3.1.1. Describir el proceso de secado de madera y sus beneficios para la industria,

mediante el análisis de una cámara de secado existente y la simulación del

comportamiento de las variables críticas del proceso para programas de secado de

diferentes especies maderables.

1.3.1.2. Analizar como la explotación racional de recursos con mayor valor agregado,

gracias al secado de madera, contribuye al desarrollo sostenible de la selva tropical.

1.3.2. Importancia:

Permite establecer el comportamiento de las variables del proceso de secado, de

manera simulada, utilizando un plan de secado.

Se aplica al estudio del secado de madera, en la optimización del proceso, al permitir

visualizar rápidamente las variaciones deseadas, con el fin de mejorar el secado.

4

La metodología es aplicable al estudio de cualquier proceso de secado,

específicamente al de la cámara de secado convencional descrita.

1.3.3. Contenido

Se revisan los fundamentos que rigen el proceso de secado de la madera y se

aplican al análisis de una cámara de secado convencional. Se describe esta cámara

y se realiza una modelación de la misma.

Al momento de simular el comportamiento de la cámara, se parten de condiciones

iniciales y se realiza el control de los instrumentos, válvulas y sensores para seguir

un programa de secado definido.

5

Capítulo 1 - Situación a Investigar

La actividad de explotación de la madera debe desarrollarse de forma sostenible por

tratarse de un producto renovable. La protección de las selvas tropicales es

sostenible mediante un manejo adecuado de sus recursos forestales, los cuales

incluyen la explotación racional de los recursos que éste provee.

En el proceso productivo de la industria maderera, el secado de madera constituye

una de las etapas más críticas, considerando lo importante que es un buen secado

para la calidad del producto final, el tiempo, energía e instalaciones que consume

este proceso y las mermas que un mal secado puede generar al lote de madera.

El control adecuado de un proceso de secado permite:

Obtener madera de excelente calidad para las posteriores transformaciones

necesarias hasta llegar al producto final

Minimizar el tiempo y energía utilizados

Hacer un uso óptimo de las instalaciones

Reducir al mínimo el desperdicio generado durante este proceso

Maximizar el valor de la madera procesada.

Planificar y obtener un mejor control del mismo.

La madera es un material higroscópico, intercambia con el aire circundante su

humedad. Es por esto que la madera una vez aserrada pierde su humedad de tejido

vivo hasta equilibrarse al medio que lo rodea.

Si la madera no se seca lo suficiente, corre el riesgo de ser atacada por moho,

hongos azules y podrirse y el producto terminado (puerta, mesa y otros) presentará

rajaduras, torceduras, y otras imperfecciones debido al mal proceso de secado.

El secado de la madera también reduce el peso de la misma, al eliminar el agua de la

humedad. Transportar madera húmeda se vuelve antieconómico, si se transporta

agua que posteriormente es necesario eliminar.

6

La resistencia mecánica es inversamente proporcional al contenido de humedad, lo

cual indica lo importante de secar la madera que soportará cargas, como las

maderas de construcción.

Entre secar la madera al natural y utilizar cámaras de secado convencionales,

existen importantes diferencias, que se traducen en disminución de costos.

Al natural se requieren entre 6 meses a 12 meses. Esto resulta impráctico, por la

cantidad de espacio de almacenamiento necesario, tampoco es posible conocer el

tiempo de secado con exactitud, hay madera que se echa a perder durante este largo

tiempo, y al no haber control sobre el proceso, no es posible mantener la calidad del

producto ni controlar el contenido de humedad.

1.1. Objetivos de la investigación

Estos son:

1.1.1. General

Estudiar el proceso del secado de madera y su importancia en la explotación forestal

sostenible.

1.1.2. Específicos

a) Análisis y comparación de los procesos de secado de madera

b) Descripción de una cámara de secado de madera convencional que opera

actualmente.

c) Realizar un modelo que permita simular el comportamiento de las variables

críticas del proceso, de la cámara de secado descrita.

d) Justificar económicamente el estudio del proceso del secado de madera como

generador de valor para la cadena productiva de la madera, factor importante

para lograr la sustentabilidad de las selvas tropicales.

1.1.3. Justificación

La principal justificación radica en que para el rubro de la madera, el proceso de

secado de madera debe considerarse para lograr una industrialización con mayor

7

valor, incrementando su atractivo comercial y constituyendo en una opción de

actividad económica sostenible, bajo un manejo adecuado de los bosques.

Un proceso de secado controlado permite obtener un mayor rendimiento económico,

tiempo, materia prima y energía, haciendo más competitiva a la empresa que aplique

el secado más óptimo.

1.2. Limitaciones de la Investigación.

Los planes de secado analizadas, corresponden a las recomendadas para 54

especies maderables de Bolivia, cuyos datos están contenidos en el Manual del

Grupo Andino para el Secado de Madera, de la Junta del Acuerdo de Cartagena.

La cámara de secado analizada, corresponde a un diseño existente en

funcionamiento que posee la empresa. El modelo puede adaptarse para cámaras

con otras especificaciones, pero habrá variaciones respecto a la cámara ejemplo.

Para justificar el aporte del proceso al desarrollo sostenible, solamente se han

considerado los factores económicos que un secado adecuado puede contribuir a la

industria, utilizando los costos proporcionados por una empresa maderera que

explota concesiones forestales y produce decking como producto elaborado.

8

Capítulo 2 - Generalidades

2.1. Ubicación geográfica del área de investigación o desarrollo del

proyecto.

El proyecto se realizó en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. Se visitó una cámara

de secado ubicada en el Parque Industrial de la ciudad de la cual se hizo la

modelación. Los planes de secado aplicados están diseñados de acuerdo a las

principales especies maderables de Bolivia.

Ilustración 2.1 – Ubicación Geográfica del Área de investigación.

Fuente: Google Maps

2.2. Aspectos de relevancia de la investigación.

El proceso estudiado es muy importante en la cadena de valor de la industria de la

madera.

Los fundamentos teóricos encontrados en la bibliografía existente y trabajos

relacionados fueron utilizados para determinar la metodología de la elaboración del

modelo.

9

Se describen las características técnicas de la cámara de secado, con el fin de

utilizar estas especificaciones como información para la elaboración de balances y la

modelación de la situación.

Los diferentes programas de secado aplicados permiten simular el comportamiento

de diferentes especies maderables durante el proceso.

La implementación del modelo y simulación permite variar las características de la

cámara, para aplicarlas a otras especificaciones de secadero.

Un estudio como este sirve de base a futuros proyectos de mejora y optimización de

los programas de secado para éstas y otras especies maderables tropicales.

10

Capítulo 3 - Marco Teórico

3.1. Estudios previos de la Investigación o antecedentes del

estudio.

La madera es un producto explotado desde la antigüedad. La explotación industrial

de la misma inicia la preocupación por un mejor aprovechamiento de los bosques.

En relación a la etapa de secado de la madera, el secado al aire libre fue el primer

método para llevarlo a cabo. Posteriormente para hacer más controlado y rápido este

proceso, se crearon los métodos artificiales de secado.

Entre los estudios acerca del secado de la madera que podrían mencionarse están:

Proyecto BOLFOR realizó estudios sobre planes de secado de madera para

especies forestales tropicales comerciales, existentes en Bolivia el año 1998.

Manual del Grupo Andino para el Secado de Madera de la Junta del Acuerdo de

Cartagena, del año 2004

Diseños de la Empresa AquaServi, empresa local que diseña y construye cámaras

de secado, sus sistemas de control y calderas de vapor.

A través de internet se obtuvo información de cámaras de secado de la empresa

NIGOS – elektronik, de la empresa Drystar Computer Control System, SECAMAK,

Madesul y Hornos de Secado de Madera CONMAQ.

Simulación del Secado Convencional de la Madera de Salinas C, Ananías RA, Alvear

M el año 2003 en la Universidad del Bio Bio (Chile).

Proceso de secado de la madera usando los programas de simulacion Trnsys y

Simusol de Sogari, N., Saravia, L., Saravia, D, del 2005, de la Universidad Nacional

del Nordeste (Argentina).

11

3.2. Bases Teóricas:

Secado es el procedimiento de eliminar el agua de la madera, de forma a obtener un

producto sin defectos ni alteraciones que mermen su valor y que puede seguir

transformándose sin causar problemas derivados del secado. Pero el concepto de

secado va más allá de una simple definición, abarca el conocimiento de la materia

prima, de su comportamiento y de los equipos utilizados para un procesamiento

óptimo.

3.2.1. Secado de madera

Uno de los procesos más exigentes en la preparación de la madera para usos

industriales y domésticos es el secado. De hecho, de su correcto desarrollo depende

que este material ofrezca buenos resultados durante y después del proceso de

transformación.

La madera es un tejido vivo, que al momento del corte, es bastante húmedo,

llegando a tener un 50% de humedad en peso.

El secado puede realizarse de manera natural o artificial, con una cámara de secado,

que acelera el proceso.

Incrementando la temperatura del aire, (con el consiguiente aumento del nivel de

humedad de saturación, permitiendo al aire estar relativamente más seco con la

misma humedad absoluta inicial), se promueve el secado de las fibras de la madera,

las cuales eliminan su humedad al aire caliente que las rodea.

Si la humedad de equilibrio no se alcanza, hay riesgo de deformaciones y

contracciones, que disminuirían la calidad del producto terminado, reduciendo el

valor del producto.

El secado artificial permite tener un mejor control del proceso, controlando el tiempo

de secado y la velocidad de pérdida de humedad, evitando problemas a la madera.

12

3.2.2. Sistemas de Secado

Existen varios sistemas de secado basados pero los siguientes son los más

empleados:

a. Secado Natural

Se aplica en distintos lugares del mundo y para diversos casos, pero en especial

cuando no se cuenta con recursos para montar otros sistemas.

Existen diferentes maneras de secar naturalmente: desde los encastillados

particulares o apilamiento de la madera.

Pese a lo popular de esta modalidad, el sistema tienen como principal inconveniente

el elevado tiempo que demanda difícil de establecer pues depende de variables

como la cantidad de luz solar, la velocidad del viento, la exposición a puntos

cardinales, la condensación y humedad relativa ambiental, entre otros y la reducida

homogeneidad en los resultados, pues no toda la madera seca de igual forma, razón

por la que no se puede establecer con exactitud la humedad final que generalmente,

no baja del 15 por ciento con éste sistema.

b. Cámaras Convencionales

Trabajan con temperatura media-alta y son las más usadas en el mundo, existe una

gran variedad, dependiendo de su configuración, aunque funcionan bajo un mismo

principio.

Cuentan con una caldero a leña o carbón o gas, que calienta el agua de 90° C a 100°

C, para luego hacer pasar el líquido por unos intercambiadores de calor o radiadores

(serpentines) instalados en el interior del horno, en donde también se instalan

ventiladores de gran capacidad que generan aire caliente, gracias al paso de éste

por los radiadores.

13

Ilustración 3.1 - Cámara convencional de secado de madera

Además, están provistos de unas boquillas de aspersión de agua usadas cuando es

necesario humectar o aumentar la humedad relativa de la cámara, y unas chimeneas

o ventilas ubicadas en ambos extremos del horno que pueden ser abiertas o

cerradas para controlar, tanto la humedad como la temperatura. En algunas cámaras

el vapor de agua cumple doble función: calentar y humedecer el ambiente.

En cuanto a los sistemas para medir condiciones como la temperatura y la humedad,

existen una gran variedad, desde los más sencillos como el bulbo seco y el bulbo

húmedo hasta los más sofisticados sensores electrónicos de manejo automatizado,

pero todos tienen como base el mismo principio: el equilibrio de la madera a unas

condiciones ambientales, o sea el C.H.E.

14

3.2.3. Proceso de Secado de madera

Diagrama 3.1 - Proceso de Secado de la Madera

Fuente: Elaboración Propia

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a. Preparación de la Madera

Existen muchos defectos que se presentan en la madera antes del proceso de

secado. La madera en troza puede rajarse por la excesiva sequedad en los

extremos, también puede ser atacada por insectos y hongos. Después del aserrado

la madera es más propensa al deterioro de agentes naturales

b. Selección de la Madera

Se separa la madera:

Por especie: las especies a secar se agrupan en grupos homogéneos.

Por espesor de la tabla: 1", 2", 3"

Por nivel de humedad inicial de la madera: madera verde, húmeda, secada al

aire, etc.

Por tipo de madera: de sámago o albura, de corazón o duramen o combinada.

Por tipo de cortes: radiales, tangenciales, oblicuos.

Por el contenido de humedad final deseado.

c. Apilado y Cargado del Horno

Se colocan las tablas y tablones al interior del horno utilizando separadores. Estos

deben cumplir una serie de características para un secado óptimo

Ilustración 3.2 - Ejemplo del paquete de madera

Fuente: Elaboración propia

16

d. Corte de Muestras para Control del Secado

Tomar un mínimo de 6 tablas como muestra. 4 de ellas deben representar madera

muy húmeda o de difícil secado, y 2 puede ser madera con menor contenido de

humedad o de secado más rápido.

Corte muestras de cada tabla. El número de muestras dependerá de las dimensiones

de la tabla. La muestra tendrá un largo de 76 cm y estará como mínimo a 60 cm del

extremo de la tabla.

Ilustración 3.3 - Tabla con cortes para las probetas

Min 60 cm Min 60 cm 76 cm Muestra

2,54 cm Probeta

2,54 cm Probeta

Fuente: Elaboración Propia

e. Selección del Programa de Secado

Se identifica la madera en clases, según su contenido de humedad.

Consultar la Tabla que indica las propiedades de las diferentes especies maderables.

En esta tabla se indica el tipo de programa de secado, de acuerdo al espesor de la

madera.

Luego se Consulta la tabla de los horarios de temperatura y la tabla de horarios de

depresiones psicométricas, que permiten estructurar el programa.

Preparar un cuadro de 8 columnas e ir rellenando los pasos del programa de secado,

de acuerdo a las tablas.

A Menos de 40%

B Entre 40 y 60%

C Entre 60 y 80%

D Entre 80 y 100%

E Entre 100 y 120%

F Más de 120%

17

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(HR

)

f. Calentamiento del Horno

Calentar el horno con vapor saturado a una tasa de 5 ºC por hora para maderas

livianas y 2 ºC por hora para maderas pesadas.

Una hora después que la Temperatura de Bulbo Seco alcanzó la temperatura inicial

del programa, se fija la diferencia psicométrica que corresponda según el programa.

Mantener cerradas las chimeneas o ventilas durante la fase de calentamiento del

horno. Abrirlas poco a poco mientras avanza el secado. Al nivel del punto de

saturación de las fibras ellas deben estar completamente abiertas.

g. Aplicación del Programa de Secado

Controlar el contenido de humedad de las muestras de madera para realizar los

cambios de Temperatura de Bulbo Seco y Temperatura de Bulbo Húmedo del

programa, a este fin, determinar el Contenido de Humedad de la mitad más húmeda

de las muestras para guiar los cambios en todo momento.

Se ejecuta del programa de secado hasta el momento de igualar o equilibrar el

Contenido de Humedad de la carga y pasar al siguiente paso.

h. Tratamiento de Igualación o Equilibrado

Cuando el contenido de humedad de la muestra más seca registra un nivel de 2%

por debajo del valor promedio de humedad buscada en el secado de la carga, se

inicia el igualado utilizando la Temperatura de Bulbo Seco más alta que permite el

programa y fijando la Humedad Relativa a un Contenido de Humedad Equilibrado del

nivel de la muestra más seca.

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El tratamiento termina cuando la muestra más húmeda alcanza el nivel de humedad

deseado para toda la carga; en caso del ejemplo es 10%.

i. Tratamiento de Acondicionado

Mantener la temperatura del horno del paso final del programa y establecer una

humedad relativa dentro del horno que proporcione un Contenido Humedad

aproximadamente un 4 % por encima del valor promedio final buscado para la carga.

El tratamiento continúa con esos niveles fijados de Temperatura Bulbo Seco y

Temperatura de Bulbo Húmedo hasta que la madera está libre de tensiones.

j. Pruebas en la Madera,

Para controlar el desarrollo del acondicionado, determinar si hay tensiones internas,

y el contenido de humedad.

Evaluación de las tensiones: si en el corte de los tenedores los dedos o pinzas se

curvan adentro, el acondicionamiento debe continuar. Si las pinzas se curvan hacia

afuera el acondicionamiento fue excesivo, la madera debe resecar. Si las pinzas se

mantienen derechas se da por terminado el secado.

Ilustración 3.4 - Resultados de la prueba del tenedor

Fuente: Manual de Secado de la Madera1

19

k. Descarga del Secadero

Después de liberadas las tensiones de la madera, cortar el ingreso de vapor a los

radiadores y vaporizadores.

Apagar el horno dejando las puertas cerradas hasta que la temperatura interior sea

como máximo unos 10 grados más que la temperatura del ambiente externo.

Abrir el horno y descargar la madera.

3.2.4. Características de un Secadero

Entre las principales, se puede mencionar:

Fuente de calor, sistema para la circulación del aire, eliminación de la humedad y

equipos que regulen de estos factores, de manera que se controle el clima en la

cámara de secado de acuerdo al plan de secado de la madera.

Ilustración 3.5 - Esquema de un secadero de madera

Fuente: NIGOS5

El medio de calefacción de la fuente de calor es generalmente agua, la circulación

del aire a través de ventiladores y el secado del aire es realizado a través de la

condensación del vapor de agua al aire. Este debe contar con suficiente capacidad,

de acuerdo al tamaño de la cámara y la cantidad de madera a secar.

Sistema de condensación con suficiente capacidad de eliminar la humedad del aire

del interior, una vez éste haya absorbido la humedad de la madera.

20

Un sistema de circulación que proporcione una adecuada caída de temperatura y

buena velocidad del aire entre las pilas.

Un sistema de control de los componentes, con sensores de temperatura y humedad

ubicados en varios lugares de la pila.

Construcción y puertas aisladas y herméticas

Operador capacitado e interesado.

3.3. Fuente de calor

El calor es generado a través de un caldero.

La fuente de energía del caldero puede ser gas natural, diesel y otros, pero para una

aplicación como la de secado de la madera, los calderos generalmente utilizan como

energía los desechos del aserradero, como aserrín, listones de madera, ramas

secas, disminuyendo los costos de generación de vapor de manera importante.

3.4. Intercambiador de calor

Del caldero, el vapor de agua se dirige a un intercambiador de calor, que son

tuberías de material conductor, a través de las cuales circula el vapor.

Este calor pasa a la cámara de secado a través de ventiladores que soplan el aire a

través de los radiadores, calentándolo e ingresando hacia la cámara de secado.

3.4.1. Control del Proceso

a. Horario de Secado

Es la planificación de cómo se cambia la humedad del aire circundante en el

ambiente. Para esto hay que conocer y regular la fuerza de secado (que tan rápido

se seca la superficie de la madera). Hay que considerar cuánta tensión aguanta el

material, para conocer cuánto es el índice de humedad que se puede tener.

Diferentes programas de secado se elaboran en el ramo, el principio es un cambio

del índice de equilibrio de humedad mientras el material se seca.

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Tabla 3.1 - Ejemplo de Tabla con programas de Secado

Peb* Dad**

12% 1'' 2''

1 Ajipa, Jorori Swartzia sp. 0,64 --- (T2-C2) (T2-C1)

2 Amargo Simarouba amara 0,36 --- Fuerte -----

3 Amarillo Aspidosperma sp. 0,61 0,73 (T6-D2) (T3-D1)

4 Azucaró, Cedrillo Spondias mombim 0,36 --- Fuerte -----

5 Balsa Ochroma pyramidale 0,2 --- (T10-D4S) (T8-D3S)

6 Borracho, Guitarrero Didymopanax morototoni 0,4 --- Fuerte -----

7 Cambar Erisma uncinatum 0,46 0,57 (T1-D2) -----

8 Cedro Cedrela spp. 0,42 0,5 (T10-D4S) (T8-D3S)

9 Copaibo Copaifera sp. 0,6 0,7 MODERADO -----

10 Cuchi Astronium urundeuva 1 1,22 (T1-B1) -----

Nombre común Nombre científicoHorario***

No.

Fuente: Guía práctica para el secado de madera en hornos6

b. Índice de humedad

Es el índice entre el contenido de agua en la madera y el peso seco de la madera.

Densidad es el peso seco de la sustancia de la madera por unidad de volumen de

madera verde. Varía de acuerdo a las estaciones y entre la cabecera y la base del

tronco.

c. Índice de Equilibrio de la humedad

Es la humedad de equilibrio que tendrá la madera luego de permanecer a la misma

temperatura y humedad del aire un largo tiempo.

Humedad relativa se mide con 2 termómetros, uno de bulbo seco y el otro de bulbo

húmedo.

d. Fuerza de Secado

Depende de la diferencia entre la temperatura seca y húmeda, con el nivel de

temperatura. La velocidad del aire también es de gran influencia.

Coeficiente de calefacción está en relación a la velocidad del aire

22

La caída de temperatura está en directa proporción a la cantidad real de aire que

circula y la evaporación del agua.

e. Caída de la temperatura

El índice de equilibrio de la humedad indica cuán rápido se seca la madera. Este

índice depende de la humedad relativa del aire. El aire circula a través de la madera,

y llega a saturarse cuando sale de la última pila de madera, volviendo a ser

acondicionado para secar nuevamente.

La temperatura seca cae durante el paso a través de la pila de madera.

Cuando el aire ha dejado la madera, está más húmedo y frío, por lo que hay que

secarlo o renovarlo.

Si la disminución de la temperatura es grande, significa que la madera está

secándose desigual. Generalmente esto ocurre al principio del ciclo de secado,

cuando el agua libre sale rápidamente de la madera. La caída de temperatura está

en proporción directa con la cantidad de aire que circula y la evaporación del agua de

la madera.

f. Gradiente del contenido de Humedad

Es la diferencia entre el índice de contenido de humedad entre el interior de la

madera y la superficie.

g. Saturación de las fibras

Es el índice de humedad en el que toda el agua libre se ha eliminado de la madera,

pero nada del agua sujeta a las fibras.

Ocurre comúnmente entre el 25 y el 30 %, dependiendo de la densidad, clase de

madera y temperatura.

Antes de este punto, la madera se seca sin problemas.

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h. Tiempo de Secado

Tabla 3.2 – Tiempo de Secado Estimado para algunas especies

Especie de Madera Tipo de Madera Tiempo de Secado en Horno (estimado)

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"

Haya semi blanda 9 días para 1" / 12 días para 4"

Incienso dura 12 días para 1" / 20 días para 4"

Quebracho dura 17 días para 1" / 25 días para 4"

Lapacho dura 14 días para 1" / 22 días para 4"

Loro Blanco dura 16 días para 1" / 24 días para 4"

Fuente: Conceptos Básicos del Secado de la Madera3

i. Medición práctica del índice de humedad

Después del secado, se utiliza un medidor de humedad eléctrico de 2 a 4 veces en el

paquete recién sacado. Se evita tomar muestras en las capas superiores e inferiores,

en las puntas, cerca de los ojos o en partes fuertemente torcidas. Se deben probar

entre 15 a 20 piezas por paquete y ajustarse el medidor de índice de humedad

eléctrico continuamente en relación al método de peso seco.

j. Curvas de Secado

Ilustración 3.6 - Tipos de Humedades presentes en la Madera

Fuente: Aspectos teóricos de la operación de secado y su aplicación en productos sólidos7

24

3.4.2. Control de Calidad del Secado

Medir el índice final de humedad, tanto el valor promedio, como la distribución.

La calidad de la madera en cuanto a rajaduras, torcimiento, moho y fluido de resina.

También probar la resistencia mecánica en madera a utilizar en tableros.

3.5. Relación entre la teoría y el objeto de estudio.

A continuación se hace una descripción del objeto de estudio.

3.5.1. Características del Secador Analizado

La cámara de la empresa visitada fue analizada, es una cámara de secado

convencional, que utiliza el vapor producido por una caldera alimentada a gas natural

como fuente de calor.

Cuenta con un evaporador que inyecta vapor directamente a la cámara, dos

chimeneas que eliminan aire del interior de la cámara por la parte superior, ocho

ventiladores de velocidad regulable, tuberías de agua fría (que condensan el vapor

del aire caliente saturado al enfriarlo). Para evitar pérdidas de calor durante el

proceso la cámara tiene dos puertas de aluminio de dimensiones (seis metros de

ancho y cuatro metros de alto).

Las paredes de la cámara están construidas con paredes dobles de ladrillo, con una

capa de aserrín de 5 cm entre ambas capas, con un grosor total de 30 cm.

Cámara de SecadoÁrea Interna Maderas Circulación Sobretecho (ventiladores)

Volumen Secado 150 m3 Pasillo 0,5 m Altura 1 m

Altura Maderas 5 m3 Longitud 6 m Ancho 6 m

Área Secado 30 m2 Altura 5 m Área Transversal 6 m2

Ancho Camara 6 m Volumen 15 m3 Volumen 36 m3

Largo Secado 5 m Vol. 2 Pasillos 30 m3

Radiador

Tubos Cobre 10 tubos

Longitud 6 m

Diámetro 0,05 m

Área de Intercambio Calor 9,42 m2

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3.5.2. Partes de la Cámara:

1. Chimeneas de la cámara

2. Ventiladores Horizontales

3. Tuberías de los Radiadores

4. Sobretecho de la cámara

5. Evaporador

6. Caldera generadora de vapor

7. Tuberías de agua fría (condensador)

Las pilas de madera son armadas en el exterior de la cámara, utilizando separadores

entre capa y capa conocidos con el nombre de ripas. La alimentación de las pilas de

madera se realiza mediante montacargas.

26

El control del proceso de Secado actualmente se realiza mediante un sistema que

consta de un software de la empresa. Un controlador envía señales a las válvulas y

demás dispositivos de los equipos de la cámara y un sistema de sensores recogen

información de la cámara y alimentan al panel del control del sistema.

3.5.3. Simulación y control del proceso

Para controlar el proceso en los hornos de secado de madera se controla la

circulación del aire, la humedad relativa del Aire y la temperatura dentro de las

cámaras u hornos secaderos de madera.

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.

Todas las tablas de secado están basadas en los valores de "Bulbo Seco" ó

temperatura y "Bulbo Húmedo" ó humedad.

La simulación y control de la cámara de secado proporciona información clara

respecto a la, temperatura de proceso y la humedad, permitiendo el control del

secado.

27

3.6. Aporte de la Ingeniería Industrial al estudio.

Para el desarrollo del presente estudio se utilizaron los conceptos y métodos de

varias ramas relacionadas a la Ingeniería Industrial:

Procesos Industriales, identificando las características de este proceso, como la

materia prima, los insumos, la energía, las variables críticas, las transformaciones y

el producto final.

Operaciones unitarias, cuyos conceptos de transferencia de masa y energía permiten

comprender cómo se produce el efecto de secado de la madera, y la identificación de

los flujos de transporte entre el aire, las moléculas de agua y la madera húmeda.

Termodinámica, que estudia la transferencia de calor y la energía calorífica, que

permiten describir mejor los flujos de esta energía al interior del modelo y realizar un

balance de energía y pérdidas de calor.

Modelación y Simulación, cuyos métodos fueron utilizados para interrelacionar las

variables y obtener una representación del comportamiento de las mismas.

Costos, cuyo aporte es el brindar los conceptos necesarios para realizar el análisis

económico que acompaña al estudio, para justificar la necesidad de estudios sobre el

tema, en el marco de la generación de mayor valor para la industria maderera.

Desarrollo Sustentable, cuyas ideas permiten definir el porqué la industria es un

modelo sostenible y la necesidad de hacerla más competitiva para favorecer su

desarrollo, haciendo menos interesantes otras actividades no sustentables que

destruyen las selvas del planeta.

28

Capítulo 4 - Metodología De Trabajo

4.1. Nivel de Investigación

El trabajo está enfocado al estudio de las condiciones de una cámara real de secado,

simulando las interacciones entre las variables de control del proceso para

determinar el gasto energético, el tiempo de secado y sus condiciones así como

también el balance de agua y determinar cómo evitar defectos en la madera.

4.2. Diseño de Investigación

Se visitó una cámara de secado real de una industria de nuestro medio para

conocer su modo de funcionamiento, se tomaron las especificaciones técnicas

de la cámara y sus componentes; y se analizó cómo se controlaban las

variables del proceso a través de sensores, el panel de informaciones y el uso

de los componentes activos de control.

El análisis de la cantidad de energía y agua utilizadas en el proceso, permitió

conocer cómo influyen estas variables en la cámara, determinando las

pérdidas de la misma.

Se realizó un modelo que represente la cámara estudiada. Se consideraron

las siguientes especificaciones:

o Dimensiones de la cámara (alto, ancho, largo, tamaño de las puertas,

áreas de circulación de aire)

o Carga de madera (altura, humedad de ingreso, espesor de las tablas,

especie)

o Componentes de la cámara y sus capacidades (radiadores,

ventiladores, chimenea, evaporadores y condensador)

o Balance energético del calor (ingreso de vapor a radiadores, ingreso de

vapor de evaporador, calor de evaporación del agua de la humedad de

la madera, pérdidas de calor).

o Pérdidas de calor (a través del aire extraído, a través de las paredes, a

través de las puertas, a través del condensador)

29

o Energía consumida (gas para la caldera de vapor, electricidad para los

ventiladores de la cámara)

o Balance másico, del agua (vapor ingresado a la cámara, agua

evaporada de la madera, humedad absoluta en la cámara, agua

condensada del interior)

o Planes de secado recomendados (de acuerdo a la especie, el ancho de

las tablas y la humedad inicial).

o Variables críticas del proceso (humedad relativa del aire, contenido de

humedad equivalente, temperatura de la cámara).

Mediante los balances de energía se buscaron los coeficientes que

determinaban la variación de la temperatura al interior de la cámara, al activar

alguno de los componentes. Por ejemplo, mediante el balance de calor se

determinó que la cámara incrementaba su temperatura en 14°C/hora si por los

radiadores circula vapor a 130°C con la válvula totalmente abierta.

Mediante el balance másico del agua y curva psicométrica se determinó la

variación en el porcentaje de humedad relativa del aire al interior de la

cámara, de acuerdo a la humedad de la madera, la temperatura y el estado de

los componentes (por ejemplo, los evaporadores incrementan rápidamente la

humedad relativa al estar abiertos, al ingresar vapor saturado a la cámara)

Mediante el balance másico del agua, la temperatura y la curva de secado

estándar de la madera, se determinaron los coeficientes de variación de

Contenido de Humedad del interior de la madera.

Mediante la variación de humedad del interior de la madera, la velocidad de la

circulación del aire de la cámara, la humedad relativa del aire y la temperatura

de la cámara, se determinó los coeficientes de la fuerza de secado o

Contenido de Humedad Equivalente.

A través de la simulación del proceso, se logró ver la evolución de las

variables críticas del secado para un tipo de madera en específico, así como

el control de estas variables a través de un sistema automatizado. Para hacer

esta simulación se utilizó el programa Microsoft Excel y su componente de

Visual Basic.

30

Capítulo 5 - Análisis e Interpretación de los Resultados.

5.1. Plan de Secado

El plan de secado es generado a partir de información como la humedad inicial de la

madera, la especie, el grosor de las tablas y la humedad final deseada.

Especie

2 cm

90 %

8 %

31 1 (T06-D2) D

Espesor de Tablas

Humedad Inicial

Humedad Final Requerida

Programa de Secado Recomendado

Características de la madera

Ochoó, Solimán

Especie

pulgada

Núm

ero

de

paso d

e

tem

pera

tura

Núm

ero

de

paso d

e

depre

sió

n

psic

om

étr

ica

Conte

nid

o d

e

hum

edad

(CH

)

Te

mpera

tura

del bulb

o

seco (

TB

S)

Depre

sió

n

psic

om

étr

ica

Te

mpera

tura

del bulb

o

húm

edo

(TB

H)

Conte

nid

o d

e

hum

edad d

e

equili

brio

(CH

E)

Hum

edad

rela

tiva (

HR

)

1 1 90 49 2 47 18 89

1 2 50 49 3 46 15,5 83

1 3 40 49 4,5 44,5 13,5 76

1 4 35 49 8 41 10 61

1 5 30 49 16,5 32,5 5,5 34

2 6 25 54,5 28 26,5 2 10

3 6 25 60 28 32 2,5 14

4 6 20 65,5 28 37,5 3 17

5 6 15 82 28 54 3,5 25

Plan de Secado

Espesor de Tablas

Tipo de Programa de Secado (T06-D2)

1

Hura crepitansOchoó, Solimán

Y se generan los gráficos que indican cómo seguirán las variables de control a lo

largo del programa de secado.

31

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Paso de Secado

Temperaturas

Temperatura del bulbo seco (TBS) Temperatura del bulbo húmedo (TBH)

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Hu

me

dad

(%

)

Paso de Secado

Humedad Relativa (H.R.)y Contenido de Humedad de Equilibrio (C.H.E.)

Contenido de humedad de equilibrio (CHE) Humedad relativa (HR)

Contenido de humedad (CH)

Mediante estos gráficos es posible comparar distintos programas de secado y

verificar que éstos son seguros para evitar problemas de secado con la especie

deseada.

5.2. Control de las Variables del Proceso

Para visualizar el valor instantáneo de cada una de las partes de la cámara, se

cuenta con este panel de control. En esta vista del programa, es posible identificar

los valores obtenidos por cada uno de los sensores simulados, para verificar la

aplicación del plan de secado.

Fecha: Hora:

Paso de Secado Tiempo 144

Ficha de Control de la Cámara

Velocidad 50 %

Abertura 3 %

Válvula 20 %

Vapor 50 %

H1 23 %

H2 24,5 % T1 55,1 °C

H3 21,3 % T2 41,5 °C

H4 29,1 % T3 39,0 °C

H5 26,5 % T4 50,0 °C

H6 23,8 % T5 47,3 °C

T6 39,0 °C

R1 81 %

R2 78 %

Abertura 20 %

Temperaturas

Humedad de la Madera

Humedad del Aire

Humedad Equilibrio

Estado de la Cámara de Secado

Ventiladores

Chimenea

Intercambiadores

Evaporador

T1

T2

T3

T5

T4

T6

H1

H2

H5

H6

H3

H4

R1R2

La serie temporal de estas variables se puede observar en la hoja de los gráficos de

la simulación.

32

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ho

ra

12

8

12

3

11

8

11

3

10

8

10

3

98

93

88

83

78

73

68

63

58

53

48

43

38

33

28

23

18

1383

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Horas Transcurridas

Temperatura de la Cámara TBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ho

ra

12

8

12

3

11

8

11

3

10

8

10

3

98

93

88

83

78

73

68

63

58

53

48

43

38

33

28

23

18

1383

Hu

me

dad

Re

lati

va (

%)

Horas Transcurridas

Humedad Relativa del Aire de la Cámara HR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ho

ra

12

8

12

3

11

8

11

3

10

8

10

3

98

93

88

83

78

73

68

63

58

53

48

43

38

33

28

23

18

1383

Hu

me

da

d (

%)

Horas Transcurridas

Contenido de Humedad en la Madera CH

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Hor

a

125

117

109

10193857769615345372921135

Uti

lizac

ión

(%)

Horas Transcurridas

Radiadores

En estas gráficas es posible observar el comportamiento de la temperatura de la

cámara, de la humedad relativa del aire y del contenido de humedad de la madera

por cada hora.

También es posible ver el funcionamiento de los radiadores en cuanto a qué hora

deberían estar abiertos o cerrados, para cumplir el ciclo de secado elegido para esta

madera.

33

Capítulo 6 - Análisis Económico

El análisis económico realizado se enfoca en el valor agregado que se le da a la

madera, al utilizar un óptimo proceso de secado e industrializarla, para crear

productos terminados.

Para asegurar la sostenibilidad de la industria maderera, se debe hacer un plan de

manejo de los recursos forestales, de manera que protegiendo los bosques, se

asegura la continuidad de la cadena productiva. Y es sostenible, porque si el valor

agregado que se le da a la materia prima es mayor, hay más estímulo para conservar

y explotar racionalmente los bosques, disminuyendo las talas indiscriminadas, las

quemas y los planes de cambio de uso de suelo para la agricultura, ganadería u

otras actividades económicas.

Tabla 6.1

Exportación de Productos Forestales a Nivel Nacional Cuadro Comparativo por Grado de Industrialización

Periodo: Del 1 de Enero al 31 de Diciembre Gestiones: 1992 – 2007 (En Millones de $us)

Producto 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Elaborados 68,6 72,9 86,2 94,8 64,6 66,9 87,1 115,7 131,3 139,2 171,0

Semielaborados 67,1 47,1 22,7 25,1 21,3 21,3 23,3 29,4 33,4 47,6 48,0

Total 135,7 120,0 108,9 119,9 86,0 88,2 110,4 145,2 164,7 186,7 218,9 Fuente: Elaboración propia Datos: Cámara forestal de Bolivia

34

6.1. Beneficio económico del valor agregado a la madera

Proceso Precio ($us)

Costo en metros cúbicos de madera en tronca puesta en aserradero.- 30 a 50

Costo de aserrado en metros cúbicos (espesor 1’’) 40 a 45

Costo de secado en Pie tablar (espesor 1’’) 0.14

Producto final “Decking” en Pie tablar 0.19

Producto final “Decking” en paquete sobre bases certificadas 45

Producto final “Decking” en paquete sobre pallets 90

El valor agregado del producto terminado es mucho mayor, lo que genera grandes

ganancias para la industria, tornándolo más atractiva la explotación y transformación

de la madera hasta producto final, que la utilización del bosque para otros fines,

reduciendo la presión de otras actividades que destruirían la selva.

Para la producción de un contenedor de 20 metros cúbicos de pisos Decking son

necesarios 73,3 metros cúbicos de madera en tronca y 22 metros cúbicos de madera

en tablas, considerando un 30% de aprovechamiento y 40 % de desperdicio por

maquinado respectivamente. (Tabla 6.2)

Tabla 6.2

M3 Costo Unitario ($us) $us

Madera en Tronca 73,32 40 2932,8

Madera Aserrada 22 42,5 935

35

La gráfica se muestra la comparación de costos de las dos situaciones, de tal

manera demostrar el alto costo de extracción de las troncas y el gran volumen de

madera en tronca que se necesita para producir la misma cantidad del producto final

requerido. Debido al desperdicio de 70% o más según especie utilizada.

Grafico No. 3.-

Para la producción de un contenedor de 20 metros cúbicos de pisos Decking son necesarios 22

metros cúbicos de madera en tablas y 21 metros cúbicos de madera en tablas secas. (Tabla 6.3)

Tabla 6.3

M3 Pie Tablar Costo Unitario $us

Madera Aserrada 22 42,5 m3/$us 935

Madera Seca 21 8904 0,14 Pt/$us 1246,56

Producto Final (Decking) 20 8480 0,19 Pt/$us 1611,2

Grafico No. 4.-

36

Capítulo 7 - Conclusiones y Recomendaciones

7.1. Conclusiones

El proceso de secado debe estar bien controlado, porque una variación de éstas

causaría defectos de secado.

La simulación permite evaluar el plan de secado, visualizar el comportamiento de las

variables a lo largo del tiempo.

La energía empleada sufre bastantes pérdidas, reducen la eficiencia del proceso.

Para el desarrollo de una industria forestal sostenible, es requerido que su proceso

genere el mayor valor agregado posible. Un producto terminado requiere madera de

alta calidad, secada bajo condiciones controladas, razón por la cual un estudio del

proceso de secado de madera permite incrementar la sostenibilidad del rubro.

7.2. Recomendaciones

Hacer más estudios de laboratorio sobre las propiedades de la madera y elaborar

nuevos planes de secado.

Mantener un control estricto del plan de secado para evitar problemas de defectos en

la madera.

Una cámara de secado debe estar bien aislada, ya que la mayor porción de las

pérdidas se da por falta de aislamiento en tuberías, techo, puertas y paredes de la

cámara.

Las selvas pueden conservarse, si la destrucción de la misma genera menores

ingresos que conservarla y hacer una explotación controlada de sus recursos. Una

estrategia para salvar los bosques del planeta puede ser el convertirlos en fuente de

riquezas para los países que los poseen, disminuyendo la presión que la necesidad

económica ejerce sobre los territorios forestales.

37

Capítulo 8 - Referencias Bibliográficas

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Madera. 2003. Available at:

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MADERA EN HORNOS. Available at:

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