horno solar de secado de madera.pdf

7/21/2019 Horno solar de secado de madera.pdf

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UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

ELCTRICA

DISENO TRMICO PARA UN HORNOSOLAR DE SECADO DE MADERA

TESIS

Que para obtener el ttulo de:INGENIERO MECNICO ELECTRICISTA

Presenta:IZAAS POZOS SUREZ

Director de tesis:DR. JORGE ARTURO DEL NGEL RAMOS

Xalapa-Eqz., Ver. Septiembre, 2010.


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iii

Dedicatoria

A mis padres

Por su cario, paciencia, sus sacrificios, su amor y por todo el apoyo que me

han brindado para que yo terminara mis estudios.

A mis hermanos

Por el apoyo que me han brindado.

A mi novia

Por su gran amor, cario y comprensin, por los nimos que me daba para

que siguiera adelante.


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iv

Agradecimientos

Con profundo respeto al Dr. Jorge Arturo Del ngel director de tesis por

haberme dado la oportunidad de realizar mi trabajo recepcional bajo su tutela.

A mis jurados el doctor Juan Jos Marn Hernndez y el ingeniero Francisco

Ricao H.

A Letty, Gildardo, Ricardo, Vctor, Enrique, Selene, Juan Carlos, Alejandro deJess Silvano, Reynaldo, Jess, Erick, Max, Rogelio Castellanos, Rogelio

(cuacua), Jairo, Mateo, Oros, y dems compaeros de la carrera.

Al ingeniero Miguel A. Vlez, los catedrticos de la Facultad de Ingeniera

mecnica, a las secretarias ngeles y Vicky.


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DISEO TRMICO PARA UN HORNO SOLAR DE SECADO DE MADERA

CONTENIDO

INTRODUCCIN1

JUSTIFICACIN....2

HIPTESIS..2

OBJETIVOS....3

CAPTULO 1 .- ANTECEDENTES DE LOS HORNOS SOLARES PARASECADO DE MADERA.

1.1. Antecedentes de los hornos solares.....5

1.2. Tipos de hornos ...9

1.2.1. Clasificacin de acuerdo a tcnica operacional.9

1.2.2. Clasificacin de acuerdo a su temperatura..10

1.2.3. Clasificacin respecto a ubicacin de ventiladores.....................11

1.2.4. Clasificacin respecto a la fuente energtica...............................12

1.3. Hornos en el mundo...14

1.4. Secado solar en Mxico....18

CAPTULO 2 .- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.

2.1 Energa solar..22

2.2 Efecto invernadero....22

2.3 Tipos de radiacin................................................................................23

2.4 Formas de calentamiento.....................................................................24

2.5 Caractersticas de la madera......27

2.5.1 Propiedades de la madera...........................................................27

2.5.2 La madera y el agua....292.5.3 Densidad o peso especfico.......33

2.5.4 Resistencia mecnica ....33

2.5.5 Dureza.........................34

2.5.6 Otras caractersticas....................................................................34


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CAPTULO 3 .- FUNDAMENTOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

La Transferencia de calor..37

3.1 Conduccin...38

3.1.1 Sistemas aislantes...38

3.1.2 Conduccin de calor en una pared plana....39

3.1.3 Distribucin de la temperatura...39

3.1.4 Resistencia trmica..40

3.1.5 Pared compuesta.....40

3.1.6 Factor de forma............................................................................40

3.2 Conveccin..42

3.2.1 Conveccin natural......42

3.2.2 Conveccin forzada.42

3.2.3 Coeficientes de transferencia de calor por conveccin.....45

3.3 Radiacin.....49

CAPTULO 4 .- DISEO DEL HORNO.

4.1 Especificaciones del usuario...55

4.2 Caractersticas atmosfricas y dimensiones del local.52

4.3 Calculo del volumen..56

4.4 Apilado de madera....58

4.5 Volumen de madera..60

4.6 Volumen de aire dentro del horno......61

4.7 Determinacin del aislante adecuado para el horno.......58

4.8 Diseo de la puerta...70

4.9 Anlisis de la transferencia de calor del horno.72

4.10 Calculo de los requerimientos trmicos de la cmara734.10.1 Fase de calentamiento....74

4.10.2 Fase de operacin79

Conclusiones.82

Recomendaciones83

Referencias Bibliogrficas........................84

Anexos


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DISEO TERMICO PARA UN HORNO SOLAR DE SECADO DE MADERA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA 1

INTRODUCCION

Veracruz es un estado donde se tiene gran parte de los recursos naturales con

los que cuenta el pas, entre estos recursos se encuentran grandes

extensiones de bosques ricos en diferentes variedades de especies.

Aprovechando sta riqueza especialmente en la industria maderera.

Unas de las actividades madereras ms sobresalientes es el secado de la madera,

debido a la gran importancia que tiene para aquellos que utilizan la madera como

materia prima en la fabricacin de productos ydonde los aserraderos toman una

mayor participacin en la actividad del comercio de la madera.

La mayora de la industria dedicada al secado de madera lo hace de una

manera tradicional, donde el secado lo llevan a cabo en planillas donde

acomodan la madera para que los rayos del sol la sequen y a temperatura

ambiente es decir que no se controla la temperatura de secado, retardando el

proceso.

El avance que se ha tenido en la industria de fabricacin de secadores halogrado mejores tcnicas y tecnologas que han optimizado el rendimiento

energtico y la eficiencia de las cmaras de secado. Actualmente el trabajar

en hornos de secado mejora la calidad de la madera adems de reducir el

tiempo.

El empleo de nuevas fuentes energticas en los procesos de secado como es

la utilizacin de la energa solar en el sistema de calentamiento y la utilizacinde nuevos materiales aislantes para disminuir las perdidas de energa, han

mejorado a un mas el rendimiento de las cmaras de secado.


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JUSTIFICACION:

La mayora de la industria y explotacin de la madera se hace de manera

tradicional en donde el secado lo llevan a cabo casi de forma artesanal puesto

que los mtodos utilizados son rsticos y poco eficientes

Actualmente se esta trabajando en hornos de secado donde las condiciones ya

no son tan rsticas, se han mejorado, sin embargo estas no son lo bastante

satisfactorias, puesto que se mantienen prdidas excesivas de calor por la

carencia de un buen aislamiento de las cmaras

Los procesos siguen teniendo defectos por la poca estabilidad del sistema

trmico. Debido a que no se tiene un control definido de las etapas de secado

y por la gran prdida de la temperatura dentro de la cmara lo cual provoca

que se tenga que recalentar el horno cada vez que se presenta.

Las innovaciones en la ciencia de los materiales han ayudado a desarrollar

nuevos materiales con propiedades trmicas que permiten mantener las

condiciones ambientales dentro de la cmara ayudando as al mejoramiento

de su eficiencia.

Disear un horno con las condiciones de aislamiento resistente y estable

solucionar y mejorar los procesos de secado, manteniendo un balance de

energa estable y durable con las menores prdidas posibles y as mejorar la

calidad de la madera.

Por lo cual se plantea la siguiente hiptesis

si se logra hacer un diseo adecuado de un horno solar, se reducirn al

mnimo las perdidas en transferencia de calor hacia el exterior, incrementando

su eficiencia trmica.


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Objetivos del proyecto.

Objetivo general.

-Disear un horno solar para el secado de madera, donde se reduzcan las

prdidas trmicas por las paredes y se mejore el rendimiento del sistema de

secado.

Objetivos especficos.

Realizar un estudio de los diferentes tipos de hornos mas

representativos que se han construido para el secado de madera a nivel

mundial y local, investigando cada uno de los aspectos que hacen la

diferencia entre si, en sus estructuras y construccin que pueden aportar

a nuestro diseo.

Definir las caractersticas fsicas de la madera y los principios de

funcionamiento de los hornos de secado. Investigando en la literatura

escrita as como la visita a institutos de investigacin forestal para que

me proporcione datos importantes que ayuden al diseo. Adems, de

identificar las caractersticas del funcionamiento de estos hornos.

Definir las caractersticas del comportamiento trmico de la cmara de

secado conduccin-conveccin mediante un balance de energa.

Consultado literatura acerca de la teora de la transferencia de calor y

analizando los principios bsicos que rigen dicha transferencia.

Finalmente se proceder a realizar los clculos trmicos del horno. Para

hacer el diseo del horno solar.


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CAPITULO IANTECEDENTES DE LOS HORNOS SOLARES


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ANTECEDENTES DE LOS HORNOS SOLARES

1.1 Antecedentes histricos en el uso de la energa solar.

Las primeras investigaciones para captar y explotar la energa solar se

remontan a la antigedad. Los egipcios descubrieron el efecto del vidrio, el

hecho de que un cuerpo expuesto al Sol en un recipiente de vidrio se calienta

ms que al aire libre.

Hacia el ao 100 D. C., Hern de Alejandra construyo un dispositivo para

bombear agua con ayuda de la radiacin solar. Arqumedes incendi una flota

en el siglo III con ayuda de pequeos espejos planos agrupados de manera de

formar grandes espejos cncavos.

En el siglo XIII Lavoisier realizo el primer horno solar concentrando la energa

con ayuda de una lente con lquido, obtuvo la temperatura de fusin del platino.

En 1615, Salomn de Gauss construy una bomba solar. En el siglo XVIII, el

Suizo Saussure construye varias mquinas solares que consistan de dos

vidrios planos sobre la faz orientada hacia el sol a fin de aumentar el efecto de

vidrio.

En el siglo XIX y a principios del XX importantes instalaciones fueron

construidas, con la finalidad de producir energa mecnica a partir de la energa

solar por intermedio del aire caliente o del vapor de agua.

Mouchot construy una mquina, produciendo vapor a 3.5 atmsferas y un

gran espejo cnico que sirvi para hacer funcionar la imprenta de la Exposicin

Universal de 1878. Por la misma poca Pifre construy una imprenta solar.

Se hicieron esfuerzos para construir dispositivos capaces de orientarseautomticamente hacia el Sol a fin de mejorar el rendimiento y de alargar el

perodo de utilizacin de las mquinas; pero los dispositivos eran pesados, muy

complicados y por consiguiente muy costosos.


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Aprovechamiento de la energa solar.

La radiacin solar se puede aprovechar de tres distintas maneras:

Directa. Una de las aplicaciones de la energa solar es directamente como luz

solar, por ejemplo, para la iluminacin de recintos. En este sentido, cualquier

ventana es un colector solar. Otra aplicacin directa, muy comn, es el secado

de ropa y algunos productos en procesos de produccin con tecnologa simple.

Trmica.

Se denomina "trmica" la energa solar cuyo aprovechamiento se logra por

medio del calentamiento de algn medio. La climatizacin de viviendas,

calefaccin, refrigeracin, secado, etc., son aplicaciones trmicas.

Fotovoltaica.

Se llama "fotovoltaica" la energa solar aprovechada por medio de celdas

fotoelctricas, capaces de convertir la luz en un potencial elctrico, sin pasar

por un efecto trmico.

Secado solar.

Muchos productos agrcolas requieren un secado post-cosecha para su

adecuada conservacin hasta que llegan a los centros de consumo. An en el

caso de los productos que se comercializan en forma fresca, el secado ofrece

una alternativa al agricultor cuando existen problemas de transporte o se

producen bajas de precio por sobreproduccin.

En las regiones industrializadas el bajo costo del combustible permiti hace

varias dcadas el desarrollo de procesos de secado artificial en gran escalabasados en el uso de combustibles. En los ltimos aos, la escasez y mayores

precios de los combustibles ha despertado un nuevo inters en el secado

basado en el uso de la energa solar, tratando de desarrollar diversas tcnicas

que permiten solucionar los problemas mencionados en relacin al secado al

aire libre.


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La energa solar en Mxico

En Mxico la fuente de energa primaria que tiene una mayor participacin en

la generacin de electricidad son los hidrocarburos. Las fuentes alternas son la

hidroelectricidad, el carbn, la nucleoelectricidad, la geotermia y la energa

elica. En 1996 se gener un total de 151,889 GWh, de los cuales el 58.6%

correspondi a los hidrocarburos, el 20.7% a hidroelectricidad, el 11.7% al

carbn, el 5.2% a nucleoelectricidad y el 3.8% a geotrmica y elica.

Con la diversificacin tecnolgica de las fuentes de generacin de electricidad,

se promueve la mejor utilizacin de los recursos energticos disponibles, lo que

adems, al promover el aprovechamiento de los recursos renovables como

aire, agua, sol y desperdicios slidos, entre otros, reduce los efectos directos

sobre el medio ambiente. El aprovechamiento de estos recursos est limitado

por la disponibilidad de las fuentes convencionales de generacin, las cuales

utilizan combustibles como el carbn, gas natural y diesel.

El potencial de aprovechamiento de energa solar en Mxico es uno de los

principales del mundo, ya que alrededor de 3/4 partes del territorio nacional son

zonas con una insolacin media del orden de los 5 Kwh. /m2al da1

La energa solar se ha utilizado, principalmente, en sistemas de iluminacin,

electrificacin, sealizacin, comunicacin, medios de recepcin para

educacin va satlite en comunidades alejadas, calentamiento, bombeo y

purificacin de agua.

Los costos de inversin en plantas que utilizan la energa solar siguen siendo

elevados, por lo que actualmente solo se justifican en aquellos casos en que,

por las grandes distancias entre las comunidades y la red elctrica

interconectada, se pueden instalar econmicamente pequeas estaciones con

celdas fotovoltaicas para el suministro local.


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Principios del secado de la madera

La tecnologa del secado, estudia el procedimiento de sacar el agua de la

madera, de forma de obtener un producto sin defectos ni alteraciones que

disminuyan su valor y que puedan seguir transformndose sin causar

problemas derivados del secado. Por tal motivo el hombre con el propsito de

mejorar las condiciones con las que la madera obtenga las caractersticas

apropiadas para su utilizacin y comercializacin, ha llevado a la tarea de

estudiar la manera de cmo acelerar su proceso de secado y el mejoramiento

de la madera

Con el paso del tiempo se ha avanzado en el estudio de diversas formas de

secado como es el sacado en hornos. Algunos de los problemas son: llegar a

una temperatura ptima de secado, que la temperatura se conservara durante

un periodo de tiempo prolongado. Pero una de las grandes problemticas fue,

que nos ayudara a conservar ese calor generado, para ello se han creado

cmaras de secado de diversos materiales que tienen la propiedad de no

permitir la fuga de calor, estos son los materiales aislantes trmicos, cuya

propiedad es la conductividad trmica y que de acuerdo a cada material cambia

como es el caso de los metales con una conductividad muy alta que en

comparacin de los materiales cermicos su conductividad es muy baja.

La tecnologa ha ayudado en la creacin y utilizacin de materiales aislantes

sintticos como el poliestireno con una conductividad trmica muy baja al igual

que el poliuretano y otros materiales sintticos.


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1.2 TIPOS DE HORNOS SOLARES

En la industria del secado de madera se ha llegado a la creacin de distintas

formas de secar la madera, para esto se han diseado distintos tipos de

secadores solares que tiene como funcin principal el mejorar las condiciones

de secado y reducir el tiempo de este proceso. Los distintos tipos de hornos se

clasifican de acuerdo a su tcnica operacional y a su temperatura.

1.2.1 Clasificacin de acuerdo a tcnica operacional.

Hornos continuos (progresivos)

Este tipo de hornos se usan en procesos continuos de grandes volmenes de

produccin. Consisten en un largo tnel por el que circulan los paquetes de

madera y se caracterizan porque entra por un extremo del horno en estado

verde y es movida a travs de el hasta salir por el otro extremo del horno, con

el contenido de humedad final requerido.

A medida que la madera avanza por el tnel, el clima dentro del horno es

controlado para proporcionar una atmsfera progresivamente ms caliente y

con menor humedad, de acuerdo con el programa de secado.

Hornos de compartimientos

Este tipo de hornos es el ms usado. Consiste en una capa hermtica en la

que se introduce la carga de madera encastillada de forma descrita para el

secado en horno. Al contrario de los hornos continuos la madera permanece

inmvil. Las condiciones ambientales son homogneas en la totalidad de la

cmara, son cambiadas y reguladas segn el programa establecido para el

procedimiento a medida que avanza el proceso.

El horno consta de un sistema de circulacin de aire por ventiladores quepermiten una velocidad de 2 m/s. tambin existen hornos de compartimiento de

circulacin natural pero son menos comunes.

La calefaccin de estos hornos es mediante una batera de radiadores

constituidas por tubos con aletas, recorridos por un fluido trmico. La humedad

relativa se controla por deshumificadores, adems por la apertura y cierre de

ventilas.


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Dentro de los hornos de compartimiento se pueden distinguir dos tipos, segn

el modo de cargado, los convencionales y los de paquete.

Hornos convencionales: este tipo de hornos consta de rieles sobre los

que se disponen las pilas de madera. Luego de ser puestas sobre ellos

son movidas hasta el interior de la cmara de secado. Terminado este la

madera es sacada de la cmara de igual forma.

Hornos de paquete: en este tipo de hornos, la madera es cargada

directamente dentro de l, ya sea por gras, montacargas u otro medio.

terminado el secado la madera es sacada de la cmara de igual forma.

1.2.2 Clasificacin de acuerdo a su temperatura

Hornos de baja temperatura

El secado en hornos a baja temperatura se realiza en cmaras cerradas, en las

que las condiciones ambientales son reguladas y permanecen constantes

durante toda la operacin. La madera se encastilla segn los procedimientos

descritos para el secado de madera en hornos. Este tipo de horno funciona a

un mximo de 45 C, siendo 25 y 30 C los valores de temperatura mas

usados, la energa que se requiere se puede obtener de fuentes naturales o

artificiales.

El sistema de calefaccin mas usado es el de tuberas de agua caliente o vapor

a baja presin. El aire es forzado a pasar por las pilas de madera con

ventiladores

Hornos de temperatura normal o tradicional

Estos hornos son ampliamente utilizados. Constan de un sistema deventilacin, calefaccin y humificacin para regular las condiciones dentro de

la cmara. El mtodo de secado consiste en impulsar el aire con los

ventiladores para que atraviesen el sistema de calefaccin y humificacin, para

que luego pase por las pilas de madera. A medida que el aire circula va

transmitiendo calor a stas y recogiendo humedad de la superficie de las

piezas. Por lo tanto, a la salida de las pilas el aire esta mas fro y hmedo que a

la entrada. Cuando el aire sale de las pilas de madera es absorbido por losventiladores para seguir el ciclo.


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Dentro del grupo de los secadores que funcionan con temperaturas normales

podemos encontrar a los secadores progresivos y los de compartimiento.

Hornos de altas temperaturas (mayor a los 100 C)

El secado a alta temperatura es un mtodo menos usado que el anteriormente

mencionado. Su caracterstica principal de estos hornos es el corto tiempo de

operacin que se logra.

El principio de funcionamiento de estos hornos consiste en precalentar la

madera con una temperatura de bulbo hmedo lo mas cerca posible a los

100 C; cuando toda la madera se ha nivelado en esta condicin, se

incrementa rpidamente la temperatura del bulbo seco, cuyo mximo

depender de las caractersticas de la madera que se este secando.

Debido a las severas condiciones que la estructura de la cmara debe soportar,

los materiales con los que se construyen deben ser resistentes a la corrosin,

deben tener un alto grado de aislamiento para no desperdiciar energa en

compensar las excesivas prdidas de calor. Los requerimientos de calor son

grandes, del orden de los 30,000 Kcal./hora por cada metro cbico de

capacidad til de la cmara.

1.2.3 Clasificacin respecto a ubicacin de ventiladores

En una cmara con ventilacin forzada, los ventiladores se pueden ubicar a los

lados de la carga o sobre un cielo falso, el que se ubica aproximadamente 20

cm. de la parte ms alta de la pila de madera.

De acuerdo a la disposicin de los ventiladores sobre este cielo falso existen

dos tipos, los hornos con ventiladores en eje longitudinal y los ventiladores enejes transversales.


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Hornos con ventiladores en eje longitudinal

En este modelo los ventiladores, se disponen a intervalos regulares en un eje

conductor que atraviesa la cmara de secado en forma longitudinal.

Hornos con ventiladores en ejes transversales

En este tipo de hornos los ventiladores van montados en ejes cortos alineados

y no es necesario desviar el aire.

1.2.4 Clasificacin respecto a la fuente energtica

El secado de la madera requiere de energa para ser realizado. sta se puede

obtener de diferentes fuentes, ya sean naturales o artificiales. Su eleccin se

realizar, principalmente de acuerdo a las necesidades del proceso y a los

recursos disponibles. Por lo general, se busca una fuente de energa que

resulte econmica, que entregue la cantidad de energa necesaria para realizar

el proceso de secado en el tiempo y en las condiciones ptimas determinadas

para cada caso en particular, que sea lo menos contaminante posible, que est

disponible y que no tenga dificultades de abastecimiento.

Energa por combustin (hornos de baja, media y alta temperatura).

El conseguir la energa necesaria para calentar la cmara de secado por medio

de la combustin de algn material, tiene como requisito usar la caldera. El

material combustible, que por lo general es madera, desechos de corteza,

despuntes, etc. El calor que se genera es el que se transmite a algn lquido

que puede ser agua, aceite o vapor de agua, que va a la cmara de secado, a

travs de tuberas para transmitir su calor al aire que pasa por los

intercambiadores de calor existentes.

Tambin existe la posibilidad de transmitir el calor en forma directa a la cmara

de secado, haciendo pasar directamente los humos resultantes de la

combustin a la cmara, calentando as la atmsfera del secador.

La energa por combustin es el mtodo ms ampliamente usado, ya que

permite usar los desechos de la industria como combustible, lo que significa un

importante ahorro.


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La capacidad de la caldera se deber determinar de acuerdo a los

requerimientos energticos, que son volumen de madera a secar, prdidas de

calor a travs de las ventilas, paredes, entre otros, la cantidad de agua que se

deba evaporar. Una caldera puede generar calor para ms de una cmara de

secado, con lo que se puede optimizar la utilizacin de la capacidad de esta

fuente energtica.

Energa solar

El utilizar la energa solar para secado de madera es un mtodo muy

econmico. El diseo de los hornos solares debe estar pensado con el fin de

poder captar la mayor cantidad de energa solar, por lo que generalmente se

disean con una inclinacin que permite que los rayos solares incidan en el

techo del horno en un ngulo de 90.

En el secado solar, la radiacin de onda corta penetra la cubierta transparente,

la que puede ser de vidrio o plstico, para llegar a la lmina absorbente, la que

aumenta su temperatura y transmite el calor a la atmsfera dentro del horno,

donde queda atrapado.

Existen prdidas de calor por la absorcin del vidrio y de las paredes del

secador, las que aumentan a medida que aumenta la velocidad del viento

dentro de la cmara. Se pueden aminorar las prdidas con la utilizacin de

vidrios dobles; tambin poniendo ventiladores dentro del horno y recuperando

el calor de los ductos de salida de aire. Adems, se debe considerar una buena

aislacin, la que se puede hacer con lana de fibra de vidrio, paredes slidas de

ladrillo con aislamiento por espacio de aire o con espuma, dentro de los

mtodos ms usados.

Energa elctrica (hornos de radio frecuencia)

En el secado tradicional, esta energa se utiliza, solo para alimentar el sistema

de ventilacin y en el secado por radio frecuencia lo hace para calefaccionar la

cmara. El principio de estos secadores consiste en poner la madera en un

campo elctrico formado por dos o ms electrodos de metal lo que causa una

rpida aceleracin de las molculas en la madera, elevando su temperatura.


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HORNOS EN EL MUNDO

TCNICAS APLICADAS2

La energa solar ha sido utilizada para el proceso de secado de madera,

principalmente por ser una fuente de energa gratuita y limpia; sin embargo,

presenta algunas desventajas: como las condiciones climatolgicas, que

restringen su operacin a solo 8 horas en promedio por da, sin embargo se

han llegado a alcanzar temperaturas de operacin mayores, lo cual ha reducido

los tiempos de secado. Algunos de los secadores solares para madera se

mencionan a continuacin:

Canad

En el 2005 la empresa Wood-Mizer desarrolla el secador SD3000 con una

capacidad de 3,000 pies tabla (Fig. 1-4), que ha sido diseado para ser

construido por el usuario, el cual incluye planos, instrucciones de ensamblaje,

ventiladores, piezas especiales, y una lista de materiales para su construccin.

Incorpora un colector solar pasivo, con tres paredes aisladas, piso de

concreto, un techo de plstico transparente con un declive en ngulo de 45, el

cual se ubica hacia el sur en el hemisferio norte, y hacia el norte en el

hemisferio sur.

Figura 1.1horno solar SD3003

La desventaja de este equipo de autoconstruccin es que slo es para

latitudes arriba de los 40 latitud norte.


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Australia

En Australia se ha propuesto el uso de secadores con estructura tipo

invernadero (Haque, 2006); es esencialmente un compartimiento

rectangular pintado de negro mate con hojas acanaladas de hierro el cual

usa como colector, una estructura tipo invernadero con una cubierta

plstica transparente (Fig. 1.2). Cuenta con un sistema de calefaccin

adicional durante das nublados. Adems realiza un monitoreo con

censores mediante un sistema de adquisicin de datos, para obtener los

valores del aire y temperatura en el secador y compararlas con las

condiciones ambientales.

Figura 1.2 Secador Solar Tipo Invernadero4

Argentina

En Resistencia, Argentina, Reuss M. (1997) desarroll un diseo basado en lamodelacin en un programa de elemento finito TRNSYS, el programa predice

las temperaturas y contenidos de humedad. Para su validacin, construy un

prototipo con capacidad de 12 m (Fig. 1-3), ste cuenta con un sistema de

adquisicin de datos, para monitorear el proceso de secado. La temperatura de

operacin fue de 40 C, y tuvo una eficiencia de 40 a 60 %, dependiendo de la

radiacin, la cual estuvo entre 150 y 750 W/m. El tiempo de secado del

producto vari de 30 a 51 das.

Figura 1.3 Planta piloto en resistencia, Argentina5


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Costa Rica

En Costa Rica, el Instituto Tecnolgico de Costa Rica, Escuela de Ingeniera

Forestal, Centro de Investigacin en Integracin Bosque Industria (CIIBI),

desarrollaron un prototipo el cual para su construccin de las paredes, puertas

y ventanas se utilizo madera como estructura principal. Como forro externo e

interno, se recomend hierro galvanizado nmero 26, como aislante trmico se

utilizo lana de vidrio que fue colocada entre los espacios de los forros interno y

externos, para el techo se colocaron laminas de vidrio, se utilizo lamina de

hierro de 3 a 4 mm de espesor pintado de negro mate como colector solar. Este

secador tiene la capacidad de secado 6.6 m3

Figura 1.4 Secadora solar instalada en el Instituto Tecnolgico de Costa Rica en

Cartago. Kur 6


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Australia

La empresa Solar Dryers Australia (2007), desarroll un secador hbrido

(solar-gas natural) construido con estructura de aluminio, acero inoxidable y

acero galvanizado (Fig. 1-8). Utiliza la energa de la combustin del gas natural

para calentar el agua que pasa por los radiadores dentro de la cmara y solo

utiliza la energa solar para calentar el agua por medio de colectores

colocados en la parte superior del secador. Tiene una capacidad de 10 m3,

requiere energa elctrica de 240 V para operar los ventiladores y tiene una

cmara de secado de forma rectangular, sin embargo, no presenta

informacin sobre el tiempo de secado, as como en el funcionamiento de los

dispositivos

Figura 1.8 horno de secado de madera hibrido solar-gas natural7


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SECADO SOLAR EN MXICO

Xalapa Veracruz

Para mostrar cmo se han desarrollado los secadores partamos del diseado

por Martnez y Cueto, quienes presentan el diseo de una estufa solar

tradicional para el secado de 1200 pies/tabla de capacidad, la cual se

construy en el rea del Departamento de Productos Forestales y

Conservacin de Bosques del Instituto de Ecologa A. C. Las partes que

integran este secador (Figura 1.5) son: colector solar para el calentamiento

de aire (1), ventiladores para mover el aire caliente (2), rea para colocar la

madera durante el proceso (3), ventilas para salida de aire (4), y puerta de

acceso para la madera.

En la experimentacin se obtuvo madera con un mnimo de defectos. En

comparacin con otros tipos de secadores con capacidades similares tiene las

siguientes ventajas: bajo consumo de energa elctrica, bajo costo de los

materiales y dispositivos propuestos para su fabricacin, por ello se considera

de autoconstruccin.

Figura 1.5 Secadora Solar para Maderas INECOL8


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Universidad Autnoma de Yucatn, Yucatn.

El diseo propuesto por Sols, es similar al propuesto por Martnez y Cueto

(1997), presenta diferencia en el colector que es de 15 m2dispuesto en cinco

cajones. La cmara de secado fue construida con bloques huecos de concreto

y se recubrieron interiormente con placas de poliestireno de 25.4 mm de

espesor, el piso fue de concreto y el techo se form a partir de cinco colectores

solares provistos de una placa de absorcin a base de lmina galvanizada

calibre 26 (0.6 mm) y de una cubierta de doble vidrio transparente de 6 mm de

espesor cada uno (Fig. 1.6).

Figura 1.6 Corte transversal del horno solar para maderas 9

El funcionamiento, se evalu con pruebas de secado de madera tropical

conocida como pich (Enterolobium cyclocarpum). Durante el desarrollo de

las pruebas se alcanzaron temperaturas de 55 C en el interior de la cmara de

secado, en las horas de mayor insolacin, condicin que permiti alcanzar uncontenido de humedad uniforme en la madera de 18 a 20% en un periodo de

35 das, muy por debajo del tiempo que normalmente se requiere para el

secado al aire libre.


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Universidad de Chapingo

En Mxico, M. Fuentes Salinas diseo y construy un secador solar de tipo

invernadero de bajo costo para 7.075 m de madera aserrada, destinado a

los pequeos y medianos productores forestales. Para su construccin

emple materiales disponibles en la regin. La evaluacin de su

funcionamiento, la realiz secando madera de pinus hartewegiide 2.54 cm. de

espesor, 2.50 m de largo y anchos variables, obteniendo un tiempo de

secado a un contenido de humedad del 12% de 17 das. La temperatura

mxima alcanzada dentro del secador fue de 49 C.

Figura 1.7 Horno solar para madera, Chapingo10

Existen referencia de otros secadores de madera, Chen y Helton (1989), Oliveira(1982), Chen (1981), Yang (1980), Solano (1979), Tschernitz y Simpson (1979),

Bois (1977), Troxell y Mueller (1968), Maldonado y Peck (1962). Los cuales son

muy similares en el material de construccin, as como en los tiempos de secado.


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CAPITULO 2

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO


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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

2.1 Energa solar

Las tecnologas de aprovechamiento de la energa solar, se desarrollaron en

gran medida durante la crisis del petrleo a mediados de la dcada de los 70,aunque los conceptos bsicos se conocan desde mucho antes.

Especficamente, lo que concierne al secado solar, tiene relacin con dos

interesantes fenmenos fsicos: el fenmeno del cuerpo negro y el efecto

invernadero. El primero consiste en que si sobre un cuerpo pintado de negro,

se hace incidir un haz luminoso, despus de que se corta la fuente de luz, el

cuerpo negro en forma espontnea, emite cierta energa (en forma de calor).

La constante solar

La intensidad de la radiacin solar en el borde exterior de la atmsfera, si se

considera que la Tierra est a su distancia promedio del Sol, se llama

constante solar, y su valor medio es 1.37 106 erg/s/cm2, o unas 2

cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser

que vara un 0,2% en un periodo de 30 aos. La intensidad de energa real

disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la

absorcin y a la dispersin de la radiacin que origina la interaccin de los

fotones con la atmsfera.

La intensidad de energa solar disponible en un punto determinado de la Tierra

depende, de forma complicada pero predecible, del da del ao, de la hora y de

la latitud. Adems, la cantidad de energa solar que puede recogerse depende

de la orientacin del dispositivo receptor.

2.2 El efecto invernadero

El efecto invernadero, tambin se conoce desde la antigedad, consiste en que

en una caseta de vidrio, la temperatura interior es mayor que la exterior. Esto

se explica por el fenmeno del cuerpo, puesto que la luz que pasa a travs del

vidrio, es absorbida por los cuerpos que estn dentro de la caseta, que a su

vez, liberan la energa en forma de calor. El efecto invernadero se completa,

porque los materiales transparentes, slo lo son a ciertas longitudes de onda,

mientras son trasparentes a la luz visible y UV, no lo son a la radiacininfrarroja, por lo tanto, la energa se va acumulando dentro de la caseta.


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Los secadores solares ms difundidos, consisten en una estructura de

invernadero, donde el aire se renueva en forma constante por la puerta, y se

aprovecha a la salida cuando ha adquirido mayor temperatura, para secar

hierbas y otros productos vegetales. Se han desarrollado mltiples modelos de

secador, aprovechando distintos materiales plsticos para producir el efecto

invernadero. Sin embargo, la mayor limitante que tienen estos diseos, es que

se necesita una gran superficie para calentar el aire, lo que se traduce en

espacio e infraestructura cara inutilizada.

2.3 Tipos de radiacin.

La radiacin solar sufre ciertas transformaciones al incidir sobre la atmsfera.

Existen tres tipos de radiacin:

I. Radiacin directa: la que se recibe directamente del Sol, sin sufrir

ninguna dispersin atmosfrica. La radiacin extraterrestre es, por

tanto, radiacin directa.

II. La radiacin difusa es la que se recibe del Sol, despus de ser

desviada por dispersin atmosfrica. Es radiacin difusa la que se

recibe a travs de las nubes, as como la que proviene del cielo

azul. De no haber radiacin difusa, el cielo se vera negro, aun de

da, como sucede por ejemplo en la Luna.

III. Radiacin terrestre la que proviene de objetos terrestres, por

ejemplo, la que refleja una pared blanca, un charco o un lago, etc.

Se le llama Radiacin total a la suma de las radiaciones directa, difusa y

terrestre que se reciben sobre una superficie.

Para expresar la potencia solar -y en general-, de cualquier radiacin- se utilizael trmino irradiancia. La irradiancia, (W /m2), es la rapidez de incidencia de

energa radiante sobre una superficie, por unidad de rea. Generalmente se

usa el smbolo G para la irradiancia, junto con los subndices adecuados: Go,

Gb, Gd, para la irradiancia extraterrestre, directa, difusa, etc. Ntese que la

irradiancia tiene la virtud de indicar muy claramente que la radiacin es un

fenmeno que transcurre en el tiempo, que no es esttico. Es energa que

incide instantneamente sobre una superficie.


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Cuando incide la radiacin sobre un plano, durante un tiempo determinado,

puede hablarse entonces de que incidi una cierta cantidad de energa. La

cantidad de energa, por unidad de rea, que incide durante un perodo de

tiempo dado, recibe el nombre de irradiacin.

La atmsfera ejerce un efecto de redistribucin de la radiacin que recibe del

Sol. Por ejemplo, en un da muy despejado, una parte relativamente pequea

se convierte en radiacin difusa, mientras que la mayor parte permanece como

directa. La radiacin difusa, en un da despejado, es la que proviene del cielo

azul. En cambio, en un da nublado, la redistribucin de la radiacin es mucho

ms notable. Las nubes densas tienen un albedo (fraccin de energa reflejada)

muy alto, lo cual hace que, en un da densamente nublado, una gran parte de

la radiacin solar se refleje al espacio exterior. Adems, la energa que logra

pasar a travs de las nubes, es nicamente radiacin difusa.

2.4 Forma de calentamiento solar.

Los dos elementos bsicos de un secador solar son: el colector, donde la

radiacin calienta el aire y la cmara de secado, donde el producto es

deshidratado por el aire que pasa. Estos elementos pueden disearse dediferentes formas para integrarse a diferentes equipos de secado solar:

I. Secador solar indirecto: Los dos elementos estn separados. El aire es

calentado en el colector y la radiacin no incide sobre el producto

colocado en la cmara de secado. La cmara de secado no permite la

entrada de la radiacin solar. Este secador es esencialmente un secador

convectivo convencional en que el sol acta de fuente energtica.

II. Secador solar directo: Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso

la cmara que contiene el producto tambin cumple la funcin de colector

recibiendo la radiacin solar.


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III. Secador solar mixto: Finalmente puede darse el caso en que la coleccin

de radiacin se realice tanto en un colector solar previo a la cmara como

en la misma cmara.

El Aislamiento Trmico

Es el mtodo con el cual se trata de aislar trmicamente una superficie

reduciendo la transferencia de calor hacia o desde el ambiente mediante el uso

de materiales aislantes o de baja conductividad trmica. Su principal objetivo es

mantener las condiciones trmicas de la cmara lo cual significara una mayor

estabilidad del sistema, esto es, cuanto menos se pierda calor por las paredes

la temperatura se mantendr constante o por lo menos tardara mas tiempo en

disiparse por las paredes, con lo cual se vera beneficiado el sistema porque

tendr un ahorro en al consumo se combustible para mantener sus condiciones

durante un periodo de tiempo mas prolongado.

Presin de vapor.

Se define como presin de vapor de un lquido en equilibrio con su vapor, a la

presin que ejercen las molculas que escapan de la fase lquida (en equilibrio

con las que retornan de la fase vapor). Dicha presin de vapor aumenta alelevarse la temperatura, llegndose a un lmite que es la presin crtica, en el

que la fase lquida desaparece.

Cuando la presin de vapor del lquido es igual a la presin externa que ejerce

el gas en contacto con el lquido, se observa la formacin de burbujas en el

seno del lquido y se dice que ste entra en ebullicin. As pues, el punto de

ebullicin de un lquido se define como la temperatura a la cul su presin devapor es igual a la presin externa. Si se produce una disminucin de la

presin externa, el punto de ebullicin disminuye, mientras que un aumento de

la presin externa provocar un aumento del punto de ebullicin.


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Calor latente de vaporizacin:

Para pasar de la fase lquida a la fase de vapor se necesita una absorcin de

energa por parte de las molculas lquidas, ya que la energa total de estas es

menor que la de las molculas gaseosas. En el caso contrario, en la

condensacin, se produce un desprendimiento energtico en forma de calor. El

calor absorbido por un lquido para pasar a vapor sin variar su temperatura se

denomina calor de vaporizacin. Se suele denominar calor latente de

vaporizacin cuando nos referimos a un mol.

El calor especficoes una magnitud fsica que se define como la cantidad de

calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema

termodinmico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado

Celsius). En general, el valor del calor especfico depende de dicha

temperatura inicial.

Cuanto mayor es el calor especfico de las sustancias, ms energa calorfica

se necesita para incrementar la temperatura.

El trmino "calor especfico" tiene su origen en el trabajo del fsico Joseph

Black, quien realiz variadas medidas calorimtricas y us la frase capacidadpara el calor.

El calor especfico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de

temperaturas se define en la forma:

... (2.1)

donde es la transferencia de energa en forma calorfica en el entre el

sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema y es el

incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor especfico( )

correspondiente a una temperatura dada se define como:

. (2.2)


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La cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema

desde la temperatura inicial Ti a la final Tf se calcula mediante la integral

siguiente:

.. (2.3)

En un intervalo donde la capacidad calorfica sea aproximadamente constante

la frmula anterior puede escribirse simplemente como:

(2.4)

2.5 Caractersticas de la madera

2.5.1 Propiedades de la madera

Anisotropa

La madera no es un material homogneo, sino un material muy diferente segn

el plano o la direccin que se considere. Como resultado de esa desigual

configuracin, presenta un desigual comportamiento.

Para tener una idea de cmo se comporta, la madera resiste entre 20 y 200

veces ms en el sentido del eje del rbol, que en el sentido transversal

Este comportamiento tan desigual de la madera, hace obligado denominar de

forma diferente, los planos y direcciones que se consideren.

Direccin axial: la del eje del rbol

Direccin radial: la direccin de las radios, perpendicular al eje del rbol.

Direccin tangencial: la direccin tangencial del rbol, perpendicular al

eje del rbol

Figura 2.1 Principales direcciones de la madera11


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Higroscopia

La propiedad que tienen los cuerpos de establecer un intercambio de humedad

con el ambiente se denomina higroscopicidad.

La madera es un material higroscpico. Tiene la capacidad de captar y ceder

humedad en su medio, proceso que depende de la temperatura y humedad

relativa del ambiente. Este comportamiento es el que determina y provoca

cambios dimensionales y deformaciones en la madera.

Se puede establecer que el agua puede estar contenida en la madera en las

siguientes formas (L. Garca, 1989):

Agua de desorcin: (la que esta retenida o impregnada en la madera)

es la que est retenida por fuerzas de tipo Van der Waal, consecuencia

de los grupos polares activos de la pared celular. Esta agua es la que

mas fuertemente queda retenida por la pared celular. La madera puede

llegar a contener un 8 % de peso de agua respecto del peso de la

madera seca, como consecuencia de esta fuerza.

Agua de absorcin: es el agua que queda retenida en la pared celular

como consecuencia de la fuerza de adhesin superficial. La madera

puede llegar a contener un 6 % a un 8 % de peso de agua respecto del

peso de la madera seca.

Agua de condensacin o capilar: es la retenida por fuerzas capilares,

provocadas por los espacios entre microfibrillas. La madera puede llegar

a contener entre un 14 % a un 16 % de peso de agua respecto del pesode la madera seca.

Agua libre: es la contenida en el lumen de las clulas

prosnquimatosas. Su fuerza de retencin es muy pequea, de forma

que no puede captar agua de la atmsfera, solo puede introducirse si se

produce una inmersin de la madera en agua.


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2.5.2 La madera y el agua

El porcentaje de humedad H % de una madera esta determinada por la

siguiente relacin:

100%

=O

OH

P

PPH ...(2.5)

El estudio tecnolgico de las relaciones entre el agua y la madera, es

seguramente, el ms importante, dado que, afecta a la mayora de los procesos

de transformacin de la madera. An es ms, las caractersticas de

comportamiento de la madera, estn muy influenciadas por el contenido de

humedad de la madera.

As, la humedad de la madera influye de forma determinante en la concepcin

de procesos tales como el aserrado, el desenrollo, el cepillado, el encolado, el

barnizado, etc. Respecto al comportamiento, la humedad es un factor

determinante en su durabilidad, en su resistencia, peso, y sobre todo en sus

dimensiones, es decir, que la madera varia en sus dimensiones con el

contenido de humedad, hinchndose cuando gana humedad y mermando

cuando la pierde.

La relacin entre el agua y la madera funciona de la siguiente forma:

Sea un rbol recin aserrado e introducido en un patio de oreado. En el primer

instante, la madera posee un alto contenido de humedad, dado que el agua

llena todos los huecos entre las fibras elementales, entre las microfibrillas,

entre las fibras, e incluso gran parte del lmen celular contiene agua. En esos

momentos el porcentaje de humedad de la madera oscila alrededor del 80 %,

siendo muy numerosos los casos, en el que el porcentaje de humedad essuperior al 100%.

El aire del patio oreado, como consecuencia de la fuerza desecante que tiene,

absorbe el agua de la superficie, dejando la primera capa de clulas sin casi

agua. Esta capa de clulas, al estar ms secas que la segunda capa, absorben

parte del agua que tienen, de forma a igualar su humedad, y as

sucesivamente hasta llegar al interior de la madera.


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El resultado es que el aire va quitando agua de los huecos de la madera,

primero del agua del lmen celular, despus el agua adherida superficialmente

por fuerzas capilares de la pared celular, el agua retenida por adhesin

superficial y el agua retenida en los grupos polares de la celulosa. Segn se va

secando la madera, va aumentando su fuerza desecante y disminuyendo la del

aire, con lo que llega un momento que ambas fuerzas se equilibran, con lo que

cesa el intercambio de agua. En ese momento se dice que la madera ha

alcanzado el punto denominado de Humedad de Equilibrio Higroscpico

HEH.

Se denomina humedad de Equilibrio Higroscpico HEH la humedad de la

madera a la que se equilibra la fuerza desecante de esta con la de la

atmsfera. Tambin se puede definir como el porcentaje de humedad que

alcanzara una madera a lo largo del tiempo, sometida a unas ciertas

condiciones de humedad y temperatura del medio ambiente.

Como el aire cambia de condiciones climticas constantemente, este punto de

equilibrio HEH tambin cambia constantemente, tomando agua de la madera

cuando disminuye la fuerza desecante del aire o cediendo agua la madera

cuando aumenta la fuerza desecante del aire.

Como los cambios climticos del aire se suceden continuamente del da a la

noche, segn las estaciones, hace que la humedad de la madera tambin

cambie continuamente, si bien en valores muy pequeos.

Kollmann, comprob que la HEH es casi constante para todas las maderas,

para determinar este valor elaboro la siguiente grafica.

La HEH mxima que puede tener una madera, cuando se le expone a un

ambiente saturado de humedad es del 30 %, esta es la humedad que satura

todos los huecos existentes entre las fibrillas elementales, entre microfibrillas y

entre las fibras que componen la pared celular. A este punto de humedad se le

denomina punto de saturacin de la fibra PSF.


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Para que la humedad adquiera mas humedad que la correspondiente al PSF,

es necesario sumergirla en agua, y llenar espacios existentes en el lmen

celular.

Figura 2.2 Curvas de humedad de equilibrio de la madera10

Figura 2.3 Comparacin entre tres sistemas de secado12


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La hinchazn y contraccin de la madera

La madera cambia de dimensiones, aumentado o disminuyendo cuando toma o

cede por debajo de su punto de saturacin de la pared celular (PSF).

Ello es debido a que el espacio existente entre las microfibrillas y sobre todo

interfibrillas elementales, disminuye cuando disminuye el contenido de agua o

aumenta cuando aumenta el contenido de agua de la madera. Al variar al

tamao de este espacio, tambin vara el tamao de la pared celular, y el de la

clula y con ello el de la madera.

Anisotropa

Como madera es istropa los cambios dimensionales se realizan de forma

diferente segn la direccin que se considere, denominndose:

Cv -contraccin volumtrica al total de lo que contrae una madera

desde donde est por encima del PSF hasta el 0% de humedad.

Ccv coeficiente de contraccin volumtrica a lo que contrae una

madera por perder un 1% de humedad cuando se esta por debajo del

PSF.

Clt contraccin lineal tangencial, Clr contraccin lineal radial, Cla

contraccin lineal axial. Como al total de lo que contrae en esa direccin

cuando mamadera se seca desde un punto superior al PSF hasta el 0%

de humedad.

Coeficiente de contraccin lineal tangencial Cct, radial Ccr o axial Ccl a lo que

contrae en esa direccin cuando la madera pierde un 1% de humedad y esta

por debajo del PSF.

De forma aproximada, se cumple la siguiente relacin:

clcrctcv CCCC ++= (2.6)


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2.5.3 Densidad o peso especfico

Es la relacin entre el peso P y el volumen V de una madera.

V

P= (2.7)

Como el peso y el volumen de una madera est afectado por el porcentaje de

humedad, al hablar de densidad se debe siempre significar la humedad a la

que est hecha la medida, es decir que se debe de hablar de densidad de la

madera a una determinada humedad como puede ser el 0% (densidad

anhidra), del 12% (densidad normal) o a otra humedad de la madera.

h

h

h

V

P= .(2.8)

2.5.4 Resistencia mecnica

La madera sometida a cargas tiene un comportamiento denominado visco-

elstico. Ante una cierta carga inferior al lmite elstico, se deforma, perdiendo

la deformacin cuando cesa la carga.

Figura 2.4 Diagramas de comparacin carga-deformacin y tiempo-

deformacin 10

El valor de la deformacin, en el estado plstico es muy elevado respecto de

cualquier otro material. Es decir, la madera es muy deformable.

Respecto a sus valores de resistencia, en direccin longitudinal es

relativamente muy resistente, mientras que transversalmente, su resistencia es

muy pequea que muchas veces no se considera.


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2.5.5 Dureza

Es una propiedad que indica la facilidad de penetracin de un material a otro.

La madera en relacin con otros materiales (acero y hormign), se puede

definir como blando, que en algunos aspectos se puede considerar un defecto

(facilidad de rayado y por lo tanto perdida de apariencia de superficie) tiene

como ventajas, su facilidad de procesado (corte, unin).

2.5.6 Otras caractersticas

Propiedades trmicas

Dilatacin trmica: la dilatacin trmica de la madera es prcticamente nula,

comparada con el acero u otros materiales metlicos.

Conductividad trmica: la madera es uno de los materiales ms aislantes que

tiene el hombre solo superado por el corcho, o ciertos materiales sintticos.

Kmadera= 0.1 a 0.15 kcal/mhC.

Propiedades elctricas

La madera seca es muy mala conductora de la electricidad, pero conforme

aumenta su porcentaje de humedad, la conductividad aumenta de forma muy

directa, hasta el punto, que esta propiedad se utiliza medir la humedad de

madera de forma rpida.

Propiedades acsticas

Aislamiento acstico frente ruidos areos externos

Aislamiento acstico frente ruidos areos internos: reverberacin

Aislamiento acstico frente a impactos Transmisin acstica


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Caractersticas del cedro (cederla odorata)

Nombre internacional: cedar, cedro, spanish cedar

Nombre cientfico: cedrela odorata l

Nombre comn: cedro

Familia: meliaceae

Descripcin de la madera

Color: Duramen de la madera recin cortada tiene coloracin rosado a pardo

rojizo, pero expuesto al aire se torna a rojo o pardo rojizo oscuro. La albura es

de color blancuzco a rosado claro.

Brillo: medio con tendencia a elevado

Grano: generalmente recto algunas veces entrecruzado

Textura: media

Veteado: arcos superpuestos y lneas verticales no muy bien pronunciadas

Olor: caracterstico y sabor amargo.

Propiedades fsicas

Densidad bsica: 0.42 gr/cm3

Contraccin volumtrica: 10.5 %

Relacin t/r: 2.3

Contraccin tangencial: 7.00 %

Contraccin radial: 3.10 %


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CAPITULO 3

FUNDAMENTOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR


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LA TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es la energa en transito debido a una diferencia de

temperatura. Siempre que exista una diferencia de temperatura en un cuerpo o

entre cuerpos, debe ocurrir una transferencia de calor.

Cuando existe una diferencia de temperatura en un medio estacionario, que

puede ser un slido o un fluido, se le lama conduccin cuando ocurre una

transferencia de color en este medio. Se utiliza el trmino conveccin cuando

existe una diferencia de temperatura entre un slido y un fluido en movimiento.

El termino radiacin es utilizado cuando dos superficies a diferentes

temperaturas finitas emiten energa en ausencia de un medio en forma de

ondas electromagnticas.

Los fenmenos de la transferencia de calor tienen un papel muy importante en

los procesos industriales, tanto en la produccin y conversin de energa como

es el caso de la generacin de energa elctrica mediante fisin nuclear,

donde intervienen procesos de conduccin radiacin y conveccin en sistemas

como calderas condensadores y turbinas. La transferencia de color tambin

influye fuertemente en el clima local y global, en la contaminacin del aire y del

agua.

Unidades y dimensiones

Las cantidades fsicas de para la transferencia de calor se especifican en

trminos de dimensiones las cuales son: longitud, masa, tiempo y temperatura.

DIMENSION UNIDAD

Longitud (L) Metro (m) Pie (ft)Masa (M) Kilogramo (Kg) Libra masa (lbm)

Tiempo (t) Segundo (s) Segundo (s)

Temperatura (T) Kelvin (K) Fahrenheit (F)

T(K) = T(C) + 273.15..(3.1)

Q: Taza de flujo calrico [KW]

q: Taza de flujo calrico por unidad de rea [KW/m]


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3.1 CONDUCCION

En 1822, el matemtico francs Joseph Fourier dio una expresin matemtica

precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conduccin del calor. Esta

ley afirma que la velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por

unidad de seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que

existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad trmica del material.

Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades trmicas

elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el

amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores;

conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniera resulta

necesario conocer la velocidad de conduccin del calor a travs de un slido en

el que existe una diferencia de temperatura conocida.

3.1.1 Sistemas aislantes

Un sistema aislante es la combinacin de materiales trmicos de baja

conductividad trmica en un arreglo apropiado para lograr un sistema de de

conductividad trmica aun mas baja.

En el anlisis de la transferencia de calor ser necesario utilizar algunas de las

propiedades de la materia que se denominan propiedades termofsicas y dentro

de estas las categoras: propiedades de transporte y las termodinmicas.

Las propiedades de transporte incluyen coeficientes de velocidad de difusin K

(conductividad trmica para transferencia de calor) y viscosidad cinemtica

(para transferencia de momento).

Las propiedades termodinmicas que se usan extensamente en el anlisis

termodinmico y que se relacionan con el estado de equilibrio de un sistema,

como, la densidad () y el calor especfico (Cp)

Tambin es til mencionar a la difusividad trmica que es la relacin de la

conductividad trmica entre la capacidad trmica, esta ltima es el producto de

la densidad y el calor especifico.

)(P

c

K

=

.. (3.2)


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La difusividad trmica mide la capacidad que tienen los materiales para

conducir la energa trmica en relacin con su capacidad para almacenarla y

cuyas unidades esta dada en m2/s.

3.1.2 Conduccin de calor en una pared plana

Para la conduccin unidimensional en una pared plana la transferencia de

calor ocurre solo en la direccin x, tomando en cuenta una distribucin de

temperatura descendente en el mismo sentido que el flujo de calor.

Figura 3.1 Pared plana13

3.1.3 Distribucin de temperatura

En la conduccin bidimensional de estado estable en una pared plana sin

generacin interna de calor el flujo de calor es una constante,

independientemente de x.En la conduccin bidimensional de estado estable en una pared plana sin

generacin interna de calor ni conductividad trmica constante, la temperatura

varia de forma lineal con x.


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3.1.4 Resistencia trmica

La rapidez de la transferencia de calor puede considerarse como un flujo, y la

combinacin de la conductividad trmica, el espesor del material y el rea,

como una resistencia a dicho flujo.

La resistencia trmica corresponde al espesor entre el producto de la

conductividad trmica y el rea de condicin.

)(.).( AreatermCond

Espesor

AK

XR

=

= .. (3.3)

3.1.5 Pared compuesta

Una pared compuesta es un circuito trmico, que incluyen resistencias trmicasen serie y paralelo debido a diferentes capas de materiales aislantes.

Figura 3.2 Circuito equivalente a resistencia elctrica

Para el caso de sistemas compuestos es conveniente trabajar con un

coeficiente global de transferencia (U), que se define con una expresin

anloga a la ley de enfriamiento de Newton

TAUqx

= ..(3.4)

Donde T es la diferencia de temperatura entre la superficie interior y la

superficie exterior.

El coeficiente global de transferencia esta relacionado a la resistencia trmica

del sistema.

RU

1= .. (3.5)

3.1.6 Factor de forma

La conduccin de calor de un sistema bidimensional es de gran utilidad el

empleo del factor de forma en el que solo hay involucradas dos temperaturas

limite: la temperatura interior y la exterior

globalTSKq =


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Figura 3.2 Ejemplo de factor de forma 11

En la figura 3.2 se muestra un ejemplo de una pared tridimensional como la de

un horno donde se utilizan por separado factores de forma para calcular el flujo

de calor a travs de las secciones de las aristas y las esquinas.


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3.2 CONVECIN

La conveccin es el trmino que se usa para describir la transferencia de calor

desde una superficie a un fluido en movimiento. En contraposicin con la

conduccin,

En la conveccin existen dos tipos de transferencia de calor estos son:

3.2.1 Conveccinnatural,

La fuerza motriz procede de la variacin de densidad en el fluido como

consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que

da lugar a fuerzas ascensoriales. El fluido prximo a la superficie adquiere una

velocidad debida nicamente a esta diferencia de densidades, sin ninguna

influencia de fuerza motriz exterior.

3.2.2 Conveccin forzada

Tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una

superficie que se encuentra a una temperatura mayor o menor que la del

fluido. Esa fuerza motriz exterior puede ser un ventilador, una bomba, el

viento, etc. Como la velocidad del fluido en la conveccin forzada es mayor

que en la conveccin natural, se transfiere, por lo tanto, una mayor cantidad de

calor para una determinada temperatura.

El flujo de calor transmitido por conveccin entre una superficie y un fluido que

est en contacto con ella, en direccin normal a la misma, para pequeas

diferencias de temperaturas, es proporcional a dicha diferencia de temperatura.

)(

= TThqs

.. (3.6)

En la que: h es el coeficiente de transmisin del calor por conveccin, en W /

m2K, qes el flujo de calor por unidad de rea superficial en contacto con el

fluido en W/m2, Tses la temperatura de la superficie y Tes la temperatura del

fluido no perturbado.


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La ecuacin anterior, independientemente que la conveccin sea natural o

forzada, sirve como definicin del coeficiente de conveccin h. Su valor

numrico se tiene que determinar analtica o experimentalmente.

Como las condiciones de flujo varan de punto a punto sobre la superficie, q y h

tambin varan a lo largo de la superficie. La transferencia de calor Q se

obtiene integrando el flujo local q sobre toda la superficie. Es decir,

sAs

dAqQ = (3.7)

O bien,

SAs

S dAhTTQ =

)( .. (3.8)

Definiendo un coeficiente de conveccin promedio h para toda la superficie, el

calor total transferido se expresa como:

............................(3.9)

El flujo local q o la transferencia total Q son de mxima importancia en

cualquier problema de conveccin, depende de las propiedades del fluido, de la

geometra de la superficie y de las condiciones de flujo.

La transferencia de calor por conveccin se compone de dos mecanismos. De

la transferencia de energa debida al movimiento molecular aleatorio

(conduccin), y la energa que se transfiere mediante el movimiento global o

macroscpico del fluido, esto es la transferencia de calor se debe entonces a

una superposicin de dos transportes de energa, uno por el movimiento

aleatorio de las molculas y el otro por el movimiento global del fluido. Seacostumbra a utilizar el trmino conveccin haciendo referencia a este

transporte acumulado.


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En la conveccin natural, si el fluido es un lquido, la velocidad crece al

principio con la distancia a la placa, debido a que la viscosidad disminuye ms

rpidamente que la densidad, que lo hace ms lentamente, fenmeno que se

invierte desde la zona de velocidad mxima hasta el resto del fluido; la fuerza

ascensional decrece a medida que la densidad del fluido se aproxima a la del

fluido de los alrededores, por lo que la velocidad alcanza, en primer lugar, un

mximo y, posteriormente, se aproxima a cero lejos de la superficie caliente.

Figura 3.3 Distribucin de la temperatura y la velocidad en conveccin natural sobre

una placa inclinada14

La distribucin de temperaturas en la conveccin natural y en la forzada tiene

una forma similar; en ambos casos, el mecanismo de la transmisin del calor

en la interfase (fluido/slido) corresponde a la conduccin.


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3.2.3 Coeficientes de transferencia de calor por conveccin

Es posible interpretar los fenmenos fsicos que determinan el comportamiento

de la capa lmite e ilustrar ms su importancia en el transporte por conveccin

mediante el desarrollo de las ecuaciones que gobiernan las condiciones de la

capa lmite.

Mediante diversas tcnicas es posible hallar los grupos adimensionales que

intervienen en la formulacin de la transferencia de calor por conveccin.

La expresin general que describe este fenmeno es una funcin del tipo.

f (Un, Pr, Gr ) = 0 conveccin natural

f (Nu, Pr, Re) = 0 conveccin forzada

El nmero adimensional que caracteriza la conveccin forzada es el nmero de

Reynolds, que es el cociente entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de

viscosidad, de la forma:

El coeficiente de transmisin de calor por conveccin forzada depende, en

general, de la densidad, de la viscosidad y de la velocidad del fluido, as como

de sus propiedades trmicas (conductividad trmica y calor especfico) y la

velocidad viene impuesta al sistema por una bomba, ventilador, etc, y se puede

medir directamente.

El nmero adimensional que caracteriza la conveccin natural es el nmero deGrashoff, que es el cociente entre las fuerzas de flotacin y las fuerzas de

viscosidad, de la forma:

... (3.10)


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En la conveccin natural, el coeficiente de transferencia de calor depende de:

La diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido

Del coeficiente de dilatacin trmica del fluido que determina el cambio

de densidad por unidad de diferencia de temperatura

Del campo de fuerzas exteriores que, en general, es la gravedad

Para la conveccin natural en rgimen laminar el nmero de Rayleigh vale:

Ra = Gr Pr 109

Los nmeros adimensionales recogen o agrupan magnitudes o propiedades

que son afines.

El nmero de Nusselt incorpora el coeficiente h que se desea hallar, pero

tambin puede verse como el cociente de las resistencias trmicas por

conduccin y conveccin

. (3.11)

El nmero de Reynolds agrupa variables que estn relacionadas con la

cinemtica de los fluidos viscosos. En el movimiento de los fluidos viscosos se

contraponen dos fuerzas, las de inercia y las viscosas. Segn predominen unas

u otras, el rgimen de movimiento es diferente. As si predominan las viscosas

el rgimen es laminar, pero si las inerciales se hacen muy grandes frente a las

viscosas el rgimen se vuelve turbulento.

.. (3.12)

El nmero de Prandtl contiene dos magnitudes que ataen a las propiedades

trmicas de los fluidos y la viscosidad, cuyo valor depende fuertemente de la

temperatura. En el caso de los gases, el nmero de Prandtl generalmente no

vara.

(3.13)


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Expresiones tiles para el clculo de h

Conveccin natural

Gases en contacto con paredes verticales

Flujo laminar Nu = 0.59 (Gr Pr )0.25 104< Pr Gr


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Figura 3.5 Casos de factor de forma11

Factor de forma

Se han obtenido numerosos factores de forma para sistemas bidimensionales

en algunas configuraciones comunes en cada caso se supone que la

conduccin bidimensional ocurre entre las fronteras que se mantienen a

temperaturas uniformes con T1-2 = T1-T2.


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3.3 RADIACIN

La transferencia de calor por conduccin y conveccin requiere la presencia de

un gradiente de temperatura en alguna forma de materia. Por el contrario, la

transferencia de calor mediante radiacin trmica no requiere de materia.

Es relevante para muchos procesos industriales de calentamiento, enfriamiento

y secado, as como tambin para mtodos de conversin que incluyen la

utilizacin de combustibles fsiles y la radiacin solar.

Todas las formas de materia emiten radiacin para gases y para slidos

semitransparentes, como vidrio y cristales de sal a temperaturas elevadas, la

emisin es un fenmeno volumtrico, es decir, la radiacin que emerge de un

volumen finito de materia es el efecto integrado de la emisin local de a travs

del volumen.

En la mayora de los slidos y lquidos, la radiacin emitida desde las

molculas interiores es fuertemente absorbida por las molculas contiguas.

Esta radiacin que se emite en un slido o liquido se originan de molculas que

estn a una distancia de aproximadamente 1 m de la superficie expuesta.

Una teora considera a la radiacin trmica como la propagacin de una

acumulacin de partculas denominadas fotones o cuantos. Alternativamente la

radiacin se puede ver como la propagacin de ondas electromagnticas.

Se le atribuye a la radiacin las propiedades caractersticas de las ondas,

frecuencia y longitud de ondapara radiacin que se propaga en un medio

particular, las dos propiedades se relacionan mediante:

. (3.14)

Donde ces la velocidad de la luz en el medio (2.998 x 108m/s para el vaco).

La unidad de la longitud de onda es la micra (m).

= c/


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Figura 3.6 Espectro de la radiacin electromagnetica11

La radiacin solar es esencial para toda la vida en la tierra. A travs del

proceso de fotosntesis, se satisface nuestra necesidad de comida, fibra y

combustible. Adems, a travs de procesos trmicos y fotovoltaicos se tiene el

potencial para satisfacer mucha de nuestra demanda de calentamiento espacialproceso de calor, y electricidad.

El sol es una fuente de radiacin casi esfrica que tiene 1.39 x 109 m de

dimetro y se localiza a 1.50 x 1011m de la tierra.

La radiacin solar es una forma particular de radiacin trmica con una

distribucin particular de longitudes de onda. Su intensidad dependefuertemente de las condiciones atmosfricas, poca del ao y del ngulo de

incidencia de los rayos del sol en la superficie de la tierra. En el lmite exterior

de la atmsfera, la irradiacin solar total cuando la tierra se encuentra a la

distancia media del sol es 1.395 W/m. Este nmero se denomina constante

solar y est sujeto a modificaciones segn se recojan datos experimentales

ms precisos.


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No toda la energa de la constante solar alcanza la superficie de la tierra,

debido a la fuerte absorcin que realizan el dixido de carbono y el vapor de

agua de la atmsfera. La radiacin solar que incide sobre la superficie de la

tierra depende tambin del contenido en polvo y otros contaminantes de la

atmsfera. La energa solar mxima alcanza la superficie de la tierra cuando

los rayos inciden normalmente a la tierra porque: 1) al flujo solar incidente se le

presenta un rea de vista ms grande y 2) los rayos solares viajan una

distancia ms pequea a travs de la atmsfera de modo que hay menos

absorcin que la que habra para un ngulo incidente inclinado respecto a la

normal.

En la Figura 3.11 indica los efectos de la absorcin atmosfrica en un lugar al

nivel del mar, en das claros, para una atmsfera con un moderado contenido

de polvo y de vapor de agua.

Figura 3.7 Distribucin espectral de la radiacin en funcin de las condiciones

atmosfricas y el ngulo de incidencia11


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Si todos los materiales se comportasen como cuerpos grises, el anlisis de la

radiacin solar no sera un problema particular; sin embargo, puesto que la

radiacin solar se concentra a longitudes de onda cortas, en oposicin a las

longitudes de onda mucho ms largas para la mayor parte de la radiacin

trmica terrestre, un material puede presentar propiedades como la

absortancia y la transmitancia, completamente diferentes para los dos tipos de

radiacin. El ejemplo clsico de este comportamiento es un invernadero. El

vidrio ordinario transmite muy bien la radiacin a longitudes de onda por debajo

de 2 m; por eso transmite gran parte de la radiacin solar que incide sobre l.

Sin embargo, el vidrio bsicamente es opaco a radiacin de longitudes de onda

por encima de 3 o 4 m.

Prcticamente toda la radiacin emitida a baja temperatura por los objetos del

invernadero es de este tipo de longitud de onda y permanece atrapada en el

invernadero. Por esto, el vidrio permite que entre mucha ms radiacin que la

que puede escapar, produciendo de ese modo el familiar efecto de

calentamiento. La radiacin solar absorbida por los objetos del invernadero

debe finalmente cederse a los alrededores por conveccin desde las paredes

exteriores del invernadero.

En el espectro de radiacin del sol, se ha sealado que la mayor parte de la

energa solar se concentra en la regin de longitudes de onda cortas. Como

consecuencia de este espectro, las superficies reales tienen propiedades de

absorcin considerablemente distintas para la radiacin solar y para la

radiacin (terrestre) de longitud de onda larga.


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La transferencia de calor por radiacin en el ambiente est gobernada por las

propiedades de la absorcin, dispersin y reflexin de la atmsfera y de las

superficies naturales. En la atmsfera tienen lugar dos tipos de fenmenos de

dispersin.

La dispersin molecular se produce como consecuencia de la

interaccin de la radiacin con molculas individuales. El color azul del

cielo resulta de la dispersin de las longitudes de onda violetas (cortas)

producida por las molculas del aire.

La dispersin de partculas en la atmsfera resulta de la interaccin de

la radiacin con los muchos tipos de partculas que pueden estar

suspendidos en el aire. El polvo, la niebla y las gotas de agua son todos

tipos importantes de centros de dispersin.

El proceso de dispersin est gobernado principalmente por el tamao de la

partcula en comparacin con la longitud de onda de la radiacin. La dispersin

mxima se produce cuando los tamaos de la longitud de onda y de las

partculas son iguales y disminuye progresivamente a mayores longitudes de

onda. Para longitudes de onda menores que el tamao de la partcula, la

radiacin tiende a reflejarse.


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CAPITULO 4

DISEO DEL HORNO


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DISEO DEL HORNO

En este capitulo se definirn las caractersticas tcnicas del proyecto para la

cmara de secado de madera. Estas caractersticas estn dadas por las

necesidades que se requieren, siendo los factores fundamentales para calcular

y seleccionar.

4.1 Especificaciones del usuario

Datos de la madera

Madera que pretende secar: cedro (cedrela odorata)

Contenido de humedad inicial: 82 %

Contenido de humedad final: 15 %

Datos de la madera:

Espesor:.....2 pulgadas.

Ancho:..........12 pulgadas.

Largo:..8 pies.

4.2 Caractersticas atmosfricas del lugar donde se instalara el

secador.15

Lugar: Coatzacoalcos, Veracruz, Mx.

Temperatura mnima:22 C

Temperatura mxima:39 C

Humedad relativa del ambiente: 83 %

Horas de insolacin anual: 2075 hrs.

Velocidad y direccin del viento: 8km/hr

Latitud:18 11 22

Dimensiones de la cmara de secado

Una de las especificaciones del usuario es que el secador tuviera las

siguientes dimensiones:

Largo: 9.5 metros

Ancho: 8 metros

Alto: 4.5 metros


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Con los

horno solar de secado de madera.pdf

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