CLCULO DEL CONSUMO CALORFICO EN EL SECADO DE LA MADERA

Conde Garca, M.; Fernndez-Golfn Seco*, J.I.; Mer Prez, R.*

Departamento de Ingeniera Forestal E.T.S. Ingenieros Agrnomos y Montes

Universidad de Crdoba martaconde@iies.es

*Laboratorio de Estructuras de Madera

INIA (Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias y Alimentarias) Ctra. de La Corua Km. 7,5

28040 Madrid golfin@inia.es

Resumen

El conocimiento de las cifras energticas del secado de la madera es fundamental a la hora de disear tanto los elementosde calefaccin del propio secadero como la caldera. Muchas han sido las controversias y las cifras apuntadas, obtenidas de un modo emprico y por lo tanto fuertemente afectadas porlas caractersticas de las instalaciones. En el presente trabajo se lleva a cabo un clculo terico de tales cifras, propiciando con ello un mejor conocimiento de losprocesos termodinmicos que tienen lugar durante el proceso del secado de la madera.

Palabras clave: energa del secado, secado, madera

INTRODUCCIN

Diversas, y a veces contradictorias, cifras de consumo energtico durante el secado han sido recogidas por varios autores(FERNNDEZ-GOLFN SECO y LVAREZ NOVES, 1998; ECKELMAN y BAKER, 1976; JOLY y MORE-CHEVALIER, 1980; VILLIRE, 1966).

Este hecho provoca que en muchos casos el clculo de los sistemas de calefaccin de los secaderos y por extensin de las

calderas sea inadecuado. Estas cifras dependen enormemente de las condiciones higromtricas del secado, de las caractersticas y tecnologa del

secadero, de la humedad del material, de las caractersticas y tipo de madera, de la forma del apilado, etc. Por los motivos antes apuntados es muy difcil, por no decir imposible, aportar valores exactos de consumos energticos

en el secado, aunque s sea posible realizar una aproximacin bastante fiable a los mismos. En este trabajo se lleva a cabo un clculo terico-prctico de tales cifras, propiciando con ello un mejor conocimiento de

los procesos termodinmicos que tienen lugar durante el proceso del secado de la madera. ENERGA CALORFICA NECESARIA PARA EL PROCESO DE SECADO DE LA MADERA

La energa calorfica necesaria para secar un lote de madera puede ser dividida en los siguientes conceptos:

1. Calor necesario para calentar la madera verde hasta la temperatura de comienzo de secado 2. Calor necesario para elevar la temperatura del secadero y del aire interno hasta el valor de consigna o de comienzo del

secado 3. Calor necesario para evaporar el agua, es decir el calor latente de vaporizacin 4. Calor necesario para desligar el agua de la madera, es decir el calor diferencial de sorcin 5. Calor necesario para calentar el aire entrante hasta el valor de consigna 6. Calor necesario para compensar las prdidas calorficas por fugas de aire (fundamentalmente a travs de las puertas y la

ventilacin), de conduccin (paredes y suelo), etc.

Si la cantidad de energa consumida en cada uno de estos apartados fuera conocida o modelizable, se podra calcular deforma terica y con bastante aproximacin la cantidad total de energa calorfica necesaria para secar un lote de madera.Desgraciadamente, alguno de estos factores resulta de muy difcil determinacin, motivo por lo cual en muchos casos el clculoterico difiere del valor real observado en la prctica.

No obstante lo anterior y como primera aproximacin al problema del clculo de la energa calorfica necesaria para el

secado de la madera, lo que s es posible analizar de una forma terica es la cantidad de energa necesaria para secar la madera,suponiendo que no existen prdidas trmicas en el proceso. Con posterioridad ser necesario aportar datos empricos medios quenos permitan mayorar estos requerimientos energticos en funcin de los intercambios calorficos con el medio circundante.

Si nos fijamos en los apartados 3 y 4 anteriores, los nicos abordables desde un punto de vista terico, debemos indicar

que la suma de ambos es la conocida como Energa Intrnseca (SKAAR, 1977) o energa calorfica que es necesario comunicara la madera para remover de ella el agua. El primer componente de esta energa intrnseca ser la energa necesaria para vaporizar

el agua, determinada por el calor latente de vaporizacin (Q0) o cantidad de calor que es necesario comunicar para evaporar 1 kg de agua. El segundo componente ser el correspondiente a la energa necesaria para romper los enlaces agua-madera (slo por debajo del psf), determinada por el calor diferencial de sorcin (QL). De acuerdo con esto, el clculo terico de la Energa Intrnseca (EI), se efectuar dividiendo el proceso en dos fases,siendo la primera la que se desarrolla por encima del punto de saturacin de las fibras (psf) y la segunda la que se desarrolla pordebajo. En la primera de estas fases (por encima del psf), el clculo de la Energa Intrseca se efecta mediante la expresin: EI= Q0* n de litros evaporados en dicha fase= 585*m, en kcal En la segunda fase (desde el psf al final), al ser ya necesario romper los enlaces agua-madera (al no haber ya agua libre), el clculo de la EI se hara mediante la expresin: EI= QV* n de litros evaporados en dicha fase, en kcal

Para calcular el valor Qv es necesario conocer la expresin de clculo del calor instantneo de vaporizacin Qvi

El valor del calor total de vaporizacin en cada momento (Qvi) viene dado por la expresin (SKAAR, 1972): QVi= Q0+QLi= 585+278

-0.14H , en kcal/kg de agua evaporada

En esta expresin H es la humedad de la madera en cada momento en % (por debajo del psf), y QLi representa la

variacin del calor diferencial de sorcin con la humedad, la cual es una curva exponencial creciente conforme H disminuye, locual significa que por debajo del 30% de humedad cada vez es ms costoso energticamente extraer el agua de la madera. Para conocer de la expresin anterior cul es la cantidad total de energa que es necesario comunicar para secar unamadera desde una humedad inicial Hi (

cifra alcanza la nada despreciable cantidad de 14.774 kcal/m3. El clculo terico de la energia necesaria para calentar el secadero no es de fcil desarrollo, por lo que ser obviado. Con respecto al segundo de los sumandos, el correspondiente al calentamiento y humidificacin del aire entrante, SKAAR

(1977) lo evalu de forma emprica en un 16% de la energa total necesaria (Intrnseca+Extrnseca) para el secado. Dado locomplicado del clculo de los volmenes de aire de renovacin que entran en el secadero junto con sus condicioneshigrotrmicas, nos basaremos en la experiencia de Skaar para efectuar el balance energtico final del proceso de secado.

Con respecto al tercer de los sumandos, el correspondiente a la compensacin de las fugas trmicas en el secadero, es

necesario indicar que estas fugas pueden producirse:

Por conveccin: Las que se producen al regular la humedad relativa interior mediante la expulsin de aire hmedo ycaliente y la introduccin de aire fro y seco. Estas prdidas quedan fuertemente reducidas si se trabaja a circuitocerrado, lo que solo ocurre cuando se emplean sistemas por bomba de calor en circuito cerrado. Las prdidas semaximizan con la falta de estanqueidad de los secaderos (fugas) o con maniobras inadecuadas. Una adecuadaconstruccin de las clulas y una minuciosa regulacin pueden hacer que se minimicen las prdidas por este motivo.

Por conduccin: Las que se producen por conduccin a travs de las paredes, suelo y techo del secadero. Estasprdidas dependen fuertemente del aislamiento trmico del recinto, de la duracin del proceso (son mayores para lafrondosas duras que para las blandas) y del gradiente de temperatura interior-exterior. Respecto de esta variable, hayautores como CULPEPPER (2000) que basndose en datos empricos llegan a la conclusin de que la influencia deeste factor en el consumo energtico global del proceso alcanza un valor medio del 0,48% en climas templados,llegando hasta el 5-6% en climas muy extremos.

Este tercer sumando, cuya anulacin es imposible en la prctica y que est tan fuertemente condicionado por las prdidas

por conveccin, poda llegar a representar en los secaderos antiguos hasta el 40% (SHOTTAFER y SHULER, 1974; SKAAR,1977) del total de energa necesaria para el secado (es decir, que la energa perdida de esta forma casi igualaba a la energaintrnseca para el secado). Con los modernos secaderos esta cifra se ha visto muy fuertemente rebajada, hasta valores en elentorno del 30%, valor que usaremos en nuestros clculos.

De acuerdo con lo hasta aqu mencionado, el clculo energtico en nuestro ejemplo con madera de roble sera como sigue: ET= EI+EE= 296.739 kcal/m3+ (14.774 kcal/m3+ 0.16ET+0.3ET) Lo que despejando da ET=576.922 kcal/m3, que referido al kg de agua evaporada, en nuestro ejemplo, dara 1.125

kcal/kg 1,31 kwh/kg de agua evaporada. Es importante tomar en consideracin el hecho de que a esta cifra habr que aadirle la energa imputable al proceso de

calentamiento del secadero. Otro aspecto a considerar es que esta cifra corresponde a un dato de consumo de energa EN ELSECADERO, no en la caldera.

En la tabla 1 figuran los clculos pormenorizados para cuatro especies de habitual empleo en la industria espaola. Es, sin

embargo, necesario destacar que aunque para el clculo de las prdidas por calentamiento y humidificacin del aire entrante y porconveccin se dan valores empricos medios del 16% y del 30% de la Energa Total, respectivamente, estos datos varan con lasdistintas maderas. Esto se debe al hecho de que an para el mismo espesor y an considerando la necesidad de evaporarcantidades similares de agua, el secado de las maderas duras es ms lento que el de las blandas, de ah que las prdidas por fugasy radiacin sean, en valor absoluto y relativo, mayores en el primer caso que en el segundo. Lgicamente conforme ms aislado ymejor regulado est un secadero estas diferencias sern menores, aunque siempre existirn mientras exista la diferencia enduracin del secado.

Otro aspecto interesante a tomar en consideracin es que los datos de la tabla 1 no sirven para dimensionar correctamentetanto el sistema de calefaccin del propio secadero como la potencia de la caldera ser necesario ya que para ello ser necesarioconocer con exactitud cul es la curva de secado o ritmo de prdida de agua y/o humedad por hora. An cuando a igualdad delitros de agua evaporados la energa total sea, aproximadamente, la reflejada en la tabla 1, la demanda energtica depender de latasa de evaporacin, expresada en litros/h. BIBLIOGRAFA CULPEPPER, L.; 2000. Softwood drying. Enhancing kiln operations. Miller Freeman Books. ISBN 0-87930-581-9, 340 pp. ECKELMAN, C.A.; BAKER, J.L.; 1976. Heat and air requirements in the kiln drying of wood. Research Bulletin n 933, Purdue

Univ. Agricultural Experiment Station. FERNNDEZ-GOLFN SECO, J.I.; LVAREZ NOVES, A.; 1998. Manual de secado de madera. Editorial AITIM. ISBN 84-

87381-15-4, 169pp. JOLY, P.; MORE-CHEVALIER,F.; 1980. Thorie, practique &conomie du schage des bois. Editions H. Vial, 91410 Dourdan,

204 pp. SKAAR, C. 1972. Water in wood. Syracuse Univ. Press. Syracuse, NY. 218 pp. SKAAR, C. 1977. Energy requirements for drying lumber. SHOTAFFER, J.E.; SHULER, C.E.; 1974. Estimating heat consumption in kiln drying lumber. Tech. Bul. 73. Life Sci. and

Agric. Expt. State Univ. Maine, Orono, ME, 25 pg.VILLIRE, A.; 1966. Le schage des bois. Edit. Dunod.

Tabla 1.

Especie Clculo de EI Clculo de EE Clculo de ETHi

(%) Hf (%)

Densb (kg/m3)

MV1 (kg)

EI1 (kcal/m3)

MV2 (kg)

EI2 (kcal/m3)

EIT(kcal/m3)

MVT(kg)

Densv(kg/m3)

Ti(C)

Tf(C)

QM(kcal)

EI+EE1(kcal)

EE2 (kcal)

ET (kcal)

ET/kg(kcal/kg)

ET/kg(kwh/kg)

P.radiata 100 10 410 287 167895 82 49854 217749 369 820 20 80 15941 233690 199104 432794 1173 1,36P.silvestre 100 10 430 301 129430 86 52286 181716 387 860 20 60 11146 192862 164318 357180 923 1,07Roble 100 10 570 399 227430 114 69309 296739 513 1140 20 60 14774 311513 265409 576922 1125 1,31Eucalipto 100 10 600 420 252000 120 72957 324957 540 1200 20 40 7776 332733 283488 616221 1141 1,33

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