“mejoramiento de la gestión de conducción del secado industrial
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Profesor Tutor : Rubén A. Ananias Ingeniero Supervisor : Carlos Fuentes L.
“Mejoramiento de la Gestión de Conducción del Secado Industrial de Madera”
Habilitación Profesional presentada en conformidad a los requisitos para obtener el titulo de Ingeniero Civil en Industrias de la Madera
Marcelo F. Mena Labraña
CONCEPCION, Agosto de 2009
Universidad del Bío – Bío Facultad de Ingeniería
Departamento de Maderas
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer primero a mis padres, por el sacrificio, entrega y apoyo
brindado en todos estos años de estudio.
Al profesor Rubén Ananías por compartir sus conocimientos conmigo para
alcanzar el objetivo de este trabajo.
A todos mis compañeros y amigos que encontré en ellos y que de una u otra
forma me han apoyado desde el principio.
Al Sr. Rodrigo Gutiérrez, quien fue mi supervisor en el Aserradero Los Canelos,
a la Srta. Isabel Henríquez y Sr. Carlos Fuentes, Ingenieros de Aserraderos Arauco
S. A. por confiar en mí y darme la oportunidad de trabajar junto a ellos.
A todo el personal del área de secado por el apoyo brindado y que cimentaron
las bases poder realizar este trabajo.
A todos Muchas Gracias…
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ÍNDICE
RESUMEN 6
1 OBJETIVOS…………………………………………………………………..….... 7
2 INTRODUCCION………………………………………………………................ 8
3 ANTECEDENTES TEORICOS……………………………….…………………. 10
3.1 Sistemas de Medición de Contenido de Humedad……………………….. 10
3.2 Higrómetros Resistivos…………………………………………….…........... 11
3.3 Higrómetros Capacitivos…………………………………………….………. 13
3.4 Sistema de Adquisición de Datos del Higrómetro Resistivo…………….. 15
4 DESCRIPCION DEL SISTEMA…………………...…………………………….. 17
4.1 Funcionamiento del sistema resistivo…………………….…………….. 17
4.2 Instalación de las Sondas de Humedad …………...……………………… 18
5 ENSAYOS EN CAMARAS INDUSTRIALES…….……………………............. 19
5.1 Diseño Experimental………………………………………………………… 19
5.2 Preparación y Extracción de las muestras………………………............. 20
5.3 Determinación de Contenido de Humedad……………….………………. 20
5.4 Ciclos de Secado utilizados…………………………………...……………. 21
6 RESULTADOS DE ENSAYOS EN CAMARAS INDUSTRIALES…………… 22
6.1 Resultados de los Ensayos 1 y 2………………………………………….. 22
6.2 Gradiente de Humedad de los Ensayos 1 y 2……………….…...……….. 26
6.3 Contenido Humedad Final 33
7 DETERMINACION DE AJUSTE OPTIMO………….….………………………. 35
7.1 Descripción de Ajuste del Sistema………………………………………… 35
5
7.2 Diferencia entre Sistemas de medición Resistivo y Capacitivo……….... 35
7.3 Prueba con distintos valores de Ajustes………………………………….. 36
8 REGISTRO DE CONTROLES INTERMEDIOS……………………………….. 37
9 DISCUSION………………….………….……….…………..……………………. 39
10 CONCLUSIONES…………………….………….……….………………………. 41
11 BIBLIOGRAFIA…..……………………………………………………………….. 42
ANEXOS
Anexo 1………………………………………………………………………. 44
Anexo 2………………………………………………………………………. 45
Anexo 3………………………………………………………………………. 52
Anexo 4………………………………………………………………………. 63
6
RESUMEN
En este trabajo se estudia la medición de la humedad de la madera en
hornos industriales de secado de pino radiata. Se ajustan las mediciones de
humedad en un sistema resistivo en línea en base al método gravimétrico y se
comparan tales mediciones con las obtenidas con un aparato capacitivo manual.
Los experimentos son realizados en una planta de secado industrial de pino
radiata localizada en la Octava Región de Chile. Para los ensayos es utilizada
madera de 38mm de espesor y las mediciones de humedad son realizadas
mediante un sistema resistivo en línea y un aparato manual capacitivo. El sistema
resistivo en línea es ajustado de acuerdo a las indicaciones del proveedor en base
al método gravimétrico, en base de las normas ASTM-D4442 y NCH-2827.
Los resultados muestran que el sistema resistivo en línea debidamente
ajustado permite medir satisfactoriamente la humedad final y automatizar la
detención de un ciclo de secado, favoreciendo la gestión de la conducción del
secado en la planta industrial.
7
Objetivo general
Mejorar la gestión de conducción del secado industrial de madera de pino
radiata en base a la implementación de un sistema de control de humedad
lineal de tipo resistivo.
Objetivos específicos
Determinar la variación de la humedad en la madera mediante el método
gravimétrico durante el secado industrial del pino radiata.
Comparar las mediciones de humedad del método gravimétrico con un
sistema resistivo y un sistema capacitivo.
Proponer un mejoramiento de la conducción de secado de pino radiata en
hornos industriales
8
2 INTRODUCCION
La finalización de un ciclo de secado de pino radiata en hornos industriales
esta normalmente basada en el tiempo de secado y en la medición de la humedad
final a través de dispositivos capacitivos. El sistema de medición de humedad
capacitivo ha sido hasta ahora más práctico de utilizar en los aserraderos que
secan pino radiata, debido a las facilidades para ejecutar las mediciones, sin
necesidad de instalación-desinstalación y la rapidez de sus lecturas, no obstante
se requiere una detención del ciclo de secado y enfriar el horno industrial para
hacer un ingreso a éste y tomar la medición de humedad de la madera.
El presente trabajo fue realizado en un aserradero de la VIII Región que
adquirió la tecnología de medición de humedad en línea mediante un método
resistivo. Esto permitiría automatizar el proceso de secado y determinar la
humedad final de la madera sin la necesidad de detener el proceso y continuar
con la siguiente etapa del ciclo de secado. El uso de los sistemas de control de
humedad en línea, puede tener importantes consecuencias en la gestión de la
conducción del secado de maderas en hornos industriales, por ejemplo una
reducción de consumo de energía térmica y eléctrica, puesto que actualmente se
debe detener un ciclo de secado y enfriar el horno, antes de ejecutar las
mediciones de humedad, lo que significa que al poner en marcha nuevamente el
proceso de secado, se deban retomar las condiciones de temperaturas en el
interior del horno y en el tiempo requerido para esto, de esta forma se producen
consumos de vapor saturado y de energía eléctrica a una tasa de secado baja. Se
puede favorecer además, la productividad del área de secado al reducir la
variabilidad de la humedad al final del secado.
Durante el año 2007, se implementó en el aserradero un sistema resistivo
de medición de humedad en línea. Este sistema ha sido desarrollado por un
proveedor nacional de hornos y equipos de secado y se caracteriza por tener un
diseño que permite una instalación de sencilla y práctica de los electrodos que se
9
insertan en la madera para medir la humedad. El sistema resistivo de medición de
humedad en línea, tenía un buen funcionamiento en todas sus funciones, a
excepción de una adecuada lectura de la humedad registrada (Figura 1).
Figura 1: Sistema resistivo de medición de humedad en línea
(Fuente: Planta industrial)
Es por esto que a través del siguiente estudio se buscaron los mejores
valores de humedad para ajustar el sistema en todas las cámaras de secado del
aserradero para maderas de 38mm de espesor y de esta forma entregar una
herramienta práctica para ajustar los demás productos procesados en el
aserradero que poseen diferentes espesores. Por lo que el objetivo de este trabajo
fue realizar las correcciones y calibraciones que permitieran el uso adecuado del
sistema resistivo de medición de humedad en línea.
10
3 ANTECEDENTES TEORICOS
3.1 Sistemas de Medición de Contenido de Humedad
Los sistemas de medición de contenido de humedad en madera existentes
han sido desarrollados pensando en eliminar un control de contenido de humedad
de una carga de madera a través de un método destructivo como el método
gravimétrico el que además precisa de una toma de muestras, lo que reduce
ostensiblemente la productividad del proceso de secado. Los métodos más
utilizados en la industria del secado de madera de pino radiata, son los resistivos y
capacitivos. En particular las mediciones de humedad en línea se ven favorecidas
cuando los aparatos están debidamente calibrados (Breiner et al. 1987, Quarles y
Breiner 1989, Milota y Quarles 1990, Milota 1994, Simpson y Haslett 2001,
Simpson 2005).
Al final del secado industrial de pino radiata, las mediciones con los
medidores capacitivos son más cercanas al valor real de la humedad (Tabla 1)
Tabla 1: Mediciones de humedad final con medidores de humedad resistivos y
capacitivos para diferentes programas de secado industrial de pino radiata
(Fuente: Pincheira 2007)
Ensayo Programa de secado Espesor CHR CHC
(ºC/ºC) (mm) (%) (%)1 120/70 16 2.5 9.42 120/70 24 5.2 8.93 90/60 37 5.1 9.1
Las propiedades eléctricas y dieléctricas de la madera, varían junto con el
contenido de humedad (Skaar 1988, James 1988, Forsen y Tarvainen 2000).
Estas propiedades son la resistencia al flujo de corriente eléctrica y las
propiedades dieléctricas, es decir sensores de tipo resistivo y capacitivo (Figura 2)
11
que efectúan mediciones bajo el punto de saturación de las fibras (PSF) 30% en
base al peso seco.
Figura 2: A) dispositivo de tipo resistivo que posee dos electrodos que se insertan
en la madera. B) sistema capacitivo (Fuente: La Guía Metas 2004).
3.2 Higrómetros Resistivos
Los medidores de tipo resistivo (conductivo) establecen la humedad de la
madera según la resistencia o la baja conductividad medida. En maderas la
resistencia al flujo de corriente varía considerablemente con la humedad, mientras
menos sea la humedad, mayor es la resistencia al flujo de corriente. El alcance de
medición está en el rango del 8 a 25% de humedad, con una precisión del orden
de ± 2. Para medir esta resistencia son insertados en la madera dos electrodos
los que tienen como función hacer circular un campo eléctrico y de acuerdo a la
humedad que exista en la madera se determinan los valores de resistencia, en el
caso de que la madera se encuentre a 9% de humedad a los 20°C, “la resistencia
eléctrica es aproximadamente de 1.000 millones de ohm, en cambio a 30% de
humedad la resistencia eléctrica es de 200 mil ohm” (Ananias, 1994).
Electrodos
Madera
Señal de resistencia
Madera
Sensores Planos
A B
12
Figura 3: Relación entre la resistencia eléctrica y el contenido de humedad en
madera para diferentes temperaturas de la madera de pino
(Fuente: Forsen y Tarvainen 2000).
Figura 4: Relación entre el voltaje y el contenido de humedad de la madera
(Fuente: Pavez 2006)
ENSAYOS 4 Y 5
Contenido de humedad gravimétrico (%)
13
Para eliminar los efectos de polarización eléctrica en la madera, que
incrementan la resistencia de contacto para bajos contenidos de humedad, es
necesaria la utilización de corriente alterna. Por otra parte, la tensión utilizada es
del orden de los 10 (V) puesto que para valores superiores la resistencia es
independiente de la tensión (Figura 4).
Los factores más significativos a considerar para calibrar este tipo de
higrómetro son la temperatura y la forma de los electrodos, es por esta razón que
se recomienda mantener el tipo de electrodo proporcionado por el proveedor ya
que tal factor afecta las medidas de resistencia lo que puede generar diferencias
hasta de un 3% especialmente en altos valores de humedad (Forsen y Tarveinen,
2000).
3.3 Higrómetros Capacitivos
Estos medidores de tipo capacitivo utilizan las propiedades dieléctricas de
la madera alterando la capacidad eléctrica con la humedad existente en el
material, para ello son presionados sensores planos que no penetran físicamente
la madera sino que aplican una tensión de alta frecuencia (RF de 1 a 10 MHz) y la
cantidad de energía absorbida depende del contenido de humedad de la madera
la que es convertida a lecturas de contenido de humedad. Al poner el material en
las placas del Higrómetro, la tensión disminuye como consecuencia de la
polarización en el interior de la madera, en donde las moléculas de agua
contenidas en el interior de la madera constituyen dipolos que se orientan según
el sentido que tenga el campo eléctrico.
Como la constante dieléctrica para el aire es 1 y el de la madera seca entre
2 a 7, la constante dieléctrica se encuentra en forma proporcional entre el aire y la
cantidad de materia, por lo que ésta se encuentra en función de la densidad de la
madera y la especie, análogamente la constante dieléctrica del agua es 80, por lo
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que para una madera determinada su constante dependerá de la cantidad de agua
que esta posea. La constante dieléctrica varía a razón inversa de la frecuencia y
esta variación es mayor a medida que la densidad aumenta. El dispositivo
capacitivo solo requieren de una configuración que depende de la densidad
especifica y el alcance de medición de estos higrómetros es de 5 a 30% EMC
(Figura 5).
Figura 5: Relación entre la constante dieléctrica y el contenido de humedad para
diferentes niveles de densidad de la madera (Fuente: Skaar 1988)
15
3.4 Sistema de Adquisición de datos del Higrómetro Resistivo
Para el procesamiento de la información necesaria para determinar el
contenido de humedad en la madera a lo largo de un ciclo de secado se realiza
mediante una “red de comunicación que tiene como objetivo permitir el
intercambio de información entre 2 o más elementos, llamados nodos de una
planta” (Creus, 2006) y se encuentran unidos físicamente a través de cables y
conectores transformando señales analógicas a digitales. El modelo general de un
sistema de medición y monitoreo consiste en la transformación de una variable
física a controlar mediante un transductor, este dispositivo absorbe energía
transformándola a otra, para luego cederla a un sistema de acondicionador.
Todos los sistemas de medición y monitoreo constan de un modelo general
partiendo por una variable física a controlar mediante señales electrónicas
analógicas medidas por alguna fuente capturadora de estas señales para luego
ser cuantificada por un dispositivo cuantificador que determina el valor (Figura 6).
Figura 6: Conversor Analógico / Digital (Fuente: Creus 2006)
El proceso de conversión analógico a digital para el caso del sistema
resistivo estudiado comienza en cada par de sondas de humedad instaladas en
las cámara de secado en las que circula en forma continua una corriente y que por
efectos de las propiedades de resistencia eléctrica en la madera al variar la
cantidad de agua en esta, el voltaje medido en cada par de sondas varía y de esta
forma el contenido de humedad de cada uno de los doce puntos censados por las
sondas de humedad. El PLC que gobierna a cada cámara de secado se encuentra
conectado con un Multiplexor base de 8 canales de entrada y otro que sirve de
Señal Analógica Señal en tiempo Discreto
Señal Cuantificada
Señal Digital
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extensión, también de 8 canales de entrada para completar la comunicación de
los electrodos de los 12 pares de sondas de humedad. Para realizar la etapa de
muestreo de voltaje se utiliza el sistema multiplexor, este selecciona los canales
de entrada, es decir envía las 12 fuentes de información en forma ordenada a
través de un solo canal de información, facilitando el análisis y reduciendo las
conexiones. Para esto es el PLC quien se encarga de indicarle al mutiplexor a qué
par de sonda debe medir el voltaje, el proceso toma 30 segundos para censar el
total de pares de sondas en cada cámara de secado. Como los valores medidos
por el sistema multiplexor son muy bajos, este ejecuta la acción de amplificar la
señal medida para luego enviarlas al PLC, es por esto que entrega una señal de
salida con voltajes entre 0 y 10 (V). Una vez amplificada la señal es enviada al
PLC quien mediante un circuito integrado a éste, se encarga de convertir los
valores analógicos de voltaje en un código binario equivalente a un valor de
contenido de humedad de la madera.
Finalmente para que este valor sea digitalizado y pueda ser visualizado
como un valor numérico de humedad a través de la pantalla del computador
utilizado como interfase en la sala de control del área de secado, un circuito
complementario del PLC realiza la acción de decodificar el código binario,
formando así los valores correspondientes desplegados en la pantalla (Figura 7).
Figura 7: Sistema resistivo en línea (Fuente: Elaboración propia)
PLC
Multiplexor
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4 DESCRIPCION DEL SISTEMA
4.1 Funcionamiento del Sistema Resistivo
El sistema de control de secado utilizado en el aserradero fue elaborado por
un proveedor de cámaras de secado industrial Chileno. Este sistema permite
definir todos los parámetros de control para cada programa de secado,
visualizando las variables y manteniendo un registro histórico de los ciclos de
secado en cada cámara, además el sistema implementa un control en línea de la
humedad (higrómetro resistivo), bajo el concepto de control total y está constituido
por 12 pares de sondas de humedad distribuidas a lo largo cada una de las
cámaras de secado y que cuentan con electrodos que se insertan en la madera
con un largo de 13mm aproximadamente.
Tal como lo reporta la Figura 1, el sistema entrega los valores de humedad
de las 12 sondas y el promedio de humedad de la carga que depende de tales
valores, a su vez el sistema muestra la evolución de la humedad a lo largo del
ciclo de secado en un grafico, junto a las temperaturas de bulbo seco (TBS) y
temperatura de bulbo húmedo (TBH). La primera parte de la curva de humedad
corresponde a una curva teórica establecida en función de la evolución del ciclo de
secado y la integración de la diferencia de las temperaturas TBH y TBS. Luego
una vez que los valores de las sondas de humedad se encuentran bajo el 30% la
curva de humedad comienza a describir los valores que realmente se están
midiendo.
La curva de humedad referencial integrada al sistema de control está
confeccionada con valores de voltaje y cuando la humedad establecida discrepa
de la determinada por el sistema de control manual capacitivo, la curva de
humedad requiere de un ajuste que permita asociar sus valores de voltaje a
nuevos valores de contenido de humedad, que se acerquen mas a la verdadera
humedad de la madera.
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Figura 8: Datos de control del sistema resistivo (Fuente: Planta industrial)
Para que la calibración del sistema resistivo de control de contenido de
humedad sea ajustada, el sistema de control de secado está diseñado para
ingresar los valores que representan la diferencia entre el sistema capacitivo y el
resistivo, por lo que es necesario ingresar los valores que son indicados tanto por
el sistema como del dispositivo manual capacitivo de control de humedad en la
pantalla datos de control (Figura 8), debido a que el sistema capacitivo es en
definitiva el patrón de referencia para el ajuste.
4.2 Instalación de las sondas de humedad
Cada par de sondas fue instalada en toda la carga de madera, la que
estaba constituida por seis torres. La separación de cada par de sondas se definió
de acuerdo a la separación entre dos palillos contiguos. Además, para evitar
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accidentes al interior de las cámaras, la instalación se efectuó a una altura que
superara la cabeza del operador que la instalaba (Figura 9).
Figura 9: Instalación de par de sondas de humedad (Fuente: Elaboración propia)
5 ENSAYOS EN CAMARAS INDUSTRIALES
5.1 Diseño Experimental
Mediante el uso de muestras se determinó el contenido de humedad de la
madera lateral para obtener el producto Shop en un espesor de 38mm, a
través del método gravimétrico.
Se midió la humedad mediante los sistemas capacitivo y resistivo,
existentes en la planta industrial.
Se compararon los resultados de contenido de humedad de los sistemas
capacitivo y resistivo, con el método gravimétrico de medición de humedad.
El diseño experimental tuvo como única variable el horno de secado (4) y
en uno de éstos se realizaron 2 repeticiones.
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5.2 Preparación y Extracción de las Muestras
En cada carga se prepararon 10 muestras de 60 cm de largo, las que
provinieron de piezas seleccionadas al azar. Estas muestras fueron selladas en
los extremos con un sellador de puntas (emulsión de cera “Anchorseal”) y papel de
aluminio, para evitar pérdidas de humedad por los extremos y que el secado sea
lo mas homogéneo posible.
Para favorecer la entrada y salida a la cámara de secado para la extracción
de las muestras, éstas se ubicaron en el primer carro de la carga de madera,
distribuyéndose en las 2 primeras lingas de la torre, para la posterior
determinación de contenido de humedad mediante método gravimétrico y registro
de valores de humedad con xilohigrómetro capacitivo. Las extracciones de las
muestras se efectuaron dependiendo de los valores que fueron indicados por el
sistema resistivo en la sala de control del área de secado.
Para determinar el contenido de humedad real de las muestras se utilizó el
método gravimétrico en la zona central de la pieza, eliminando los extremos en el
punto de inserción hecho por los electrodos tipo cuchillo de las sondas de
humedad y adicionalmente se obtuvo una pieza de 2 pulgadas de ancho para
determinar el gradiente de humedad de cada muestra. Además el sistema
capacitivo y el resistivo estaban debidamente calibrados y en buenas condiciones
de operación. Las mediciones con el xilohigrómetro capacitivo fueron realizadas
siempre con el mismo aparato (Wagner L712).
5.3 Determinación de Contenido de Humedad
Para la determinación del contenido de humedad se utilizó el método
gravimétrico sobre base seca, por ser éste el método más preciso, basado en las
normas ASTM-D4442 (ASTM 2007) y NCH 2727 (INN 2003). Esto consistió en
medir la masa inicial de la madera una vez extraída de la cámara de secado en
21
balanza de precisión 0.1g, luego la madera fue secada en horno a 103 ºC ±2 ºC y
posteriormente se realizaron los pesajes de cada muestra en intervalos de 6
horas hasta alcanzar la estabilización de su peso. Finalmente se registro el último
pesaje para establecer el peso final. El contenido de humedad gravimétrico se
calculó como sigue:
100*F
FI
MMMCH
MI: Masa de madera inicial (g)
MF: Masa de madera anhidra (g)
5.4 Ciclos de Secado Utilizados
Para el producto Shop 5/4 el área de secado del Aserradero utiliza un ciclo
de secado determinado, el cual fue modificado inicialmente en el número de horas
y las temperaturas TBH y TBS de cada etapa, dependiendo del tiempo
transcurrido desde el procesamiento de la madera en aserradero hasta el ingreso
en cámaras de secado. Luego las modificaciones de cada programa dependieron
de la evolución de la carga de madera en cámaras. A continuación se presentan
los ciclos de secados utilizados en 2 ensayos y que fueron modificados a lo largo
del proceso, en la duración de sus etapas de secado (Tablas 2 y 3).
Tabla 2: Ciclo de Secado del ensayo 1
Etapa Horas TBS TBHCalentamiento 1 1 90Calentamiento 2 2 90Secado 1 12 90 65Secado 2 12 95 62Secado 3 12 100 70Enfriado 1 1Acondicionado 6,8 90Enfriado 2 1Total 47,8
22
Tabla 3: Ciclo de Secado del ensayo 2
Etapa Horas TBS TBHCalentamiento 2 90Secado 1 12 80 60Secado 2 12 90 60Secado 3 14 95 62Enfriado 1 1Acondicionado 6,9 90Enfriado 2 0,8Total 48,7
El promedio de duración del ciclo de secado para el producto Shop 5/4 es
de 41h aproximadamente, sin embargo el promedio para los ciclos anteriores fue
superior a las 48h, esto se produjo por el aumento de las detenciones.
6 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS EN CAMARAS INDUSTRIALES 6.1 Resultado de los Ensayos 1 y 2
Para los ensayos 1 y 2 se realizó un seguimiento en todo el ciclo de secado
mediante la determinación de contenido de humedad de las muestras (Figuras 10
y 11), así mismo se realizaron las mediciones con los dispositivos capacitivo
(Wagner) y resistivo para caracterizar el comportamiento de éstos (Figuras 12 y
13). En todos los ensayos las muestras fueron retiradas en la etapa de secado a
excepción de estos 2 ensayos en los que se utilizaron las 2 últimas muestras para
observar la madera una vez terminada la etapa de acondicionado (Tablas 4 y 5).
23
Tabla 4: Contenido de humedad determinado en las muestras y valor medido por
los sistemas resistivo y capacitivo para el ensayo 1.
Tpo. de secado (h) Gravimetrico Resistivo Capacitivo0 143,4 58 29,19 139,2 58 29,1
18,5 54,8 26,9 29,125,5 24,7 16,5 29,131 12 9,7 9,637 8,3 6,8 8,744 7 5,8 7,2
51,5 9,6 7,5 9,452 9,2 7,4 9,7
Contenido de Humedad [%]
Tabla 5: Contenido de humedad determinado en las muestras y valor medido por
los sistemas resistivo y capacitivo para el ensayo 2.
Tpo. de secado (h) Gravimetrico Resistivo Capacitivo0 141,3 77 29,1
7,5 129,1 77 29,121 40,6 22,6 29,125 30,1 12,2 28,8737 9,9 5,8 9,1
41,5 11,1 9,945 8,7 6,9 8,9
45,5 9,9 6,7 8,152,5 9,5 7,5 9,853 10,4 9 10,4
Contenido de Humedad [%]
Para el primer ensayo se utilizaron 8 muestras y 9 en el segundo ensayo,
producto del atrapamiento de algunas muestras en la carga de madera. En ambas
tablas aparece en tiempo igual a cero el contenido de humedad en estado verde,
correspondiente al promedio de tres piezas obtenidas de la misma madera que
provinieron todas las muestras y luego se asumieron los mismos valores de
medición de humedad indicados posteriormente para las primeras muestras por
tratarse de madera saturada.
24
En el ensayo 2 en la muestra obtenida a las 41,5h se omitió el valor de
humedad del sistema resistivo puesto que este no consideró tal sonda de
humedad. Esto sucede cuando el valor de voltaje leído no es confiable para
determinar un valor de contenido de humedad exacto, producto de que la
humedad de la madera está sobre el punto de saturación de las fibras o cuando
los electrodos de las sondas no están instalados apropiadamente, “en este caso
pudo deberse a que las sondas de humedad hayan sido pasadas a llevar en un
control intermedio previo a la extracción de la muestra”.
Curva de Secado
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo [hr]
Figura 10: Curva de secado del Ensayo 1
Tiempo [h]
25
Curva de Secado
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60
Tiempo [hr]
Figura 11: Curva de secado del Ensayo 2
Figura 12: Medición de Humedad de los sistemas capacitivo y resistivo en
Ensayo 1
Tiempo [h]
26
Figura 13: Medición de Humedad de los sistemas capacitivo y resistivo en
Ensayo 2
En las Figuras 12 y 13 se comprueba lo mencionado en los antecedentes
teóricos acerca del alcance de medición de ambos sistemas, donde el sistema
capacitivo solamente mide humedad en la madera cuando los valores son
inferiores al 30% de humedad, en este caso cuando la calibración utilizada es de
0.54, mientras que el sistema resistivo demuestra que la confiabilidad de la
medición de voltaje solo se alcanza en valores cercanos al 25% de humedad. Lo
cual confirmo la necesidad de establecer la extracción de las muestras en base a
los valores indicados por el sistema resistivo, inferiores al 20% de humedad”.
6.2 Gradientes de Humedad de los Ensayos 1 y 2
Además de la determinación de humedad de la pieza central de cada una
de las muestras de madera y las mediciones de contenido de humedad mediante
los dispositivos capacitivo y resistivo, se obtuvo una segunda pieza de 2 pulgadas
27
de ancho para establecer el gradiente de humedad de las respectivas muestras, al
realizar 4 cortes para obtener 5 lonjas de igual tamaño en su espesor (Figura 14).
Figura 14: Obtención de lonjas de la pieza para gradiente de humedad
Los resultados de los gradientes de humedad para los ensayos 1 y 2 son
presentados en las tablas 6 y 7 y en las figuras 15 y 16.
28
Tabla 6: Gradiente de humedad para el Ensayo1
Muestra Hrs a b c d e1 9 83,72 124,20 145,70 105,99 96,482 18,5 47,67 54,80 57,67 53,25 48,703 25,5 22,46 26,64 27,11 25,83 18,994 31 7,88 12,54 16,26 12,69 7,725 37 5,46 7,32 8,36 7,64 5,426 44 5,98 8,86 10,03 8,97 5,647 51,5 9,70 9,88 9,23 9,40 9,068 52 9,91 9,30 9,21 9,21 9,47
Distribución de Humedad en Piezas [%]
Tabla 7: Gradiente de humedad para el Ensayo 2
Muestra Hrs a b c d e1 7,5 97,89 113,22 118,35 122,57 110,862 21 30,85 40,64 41,78 41,76 35,803 25 25,32 31,67 31,01 27,73 17,674 37 6,59 10,73 12,44 11,90 7,625 41,5 7,04 11,65 14,14 12,96 7,426 45 6,02 9,23 10,45 8,37 6,057 45,5 7,41 10,48 12,32 10,44 6,678 52,5 8,99 9,95 9,68 9,26 9,559 53 10,20 11,17 10,38 10,91 10,05
Distribución de Humedad en Piezas [%]
CH [%] CH [%]
De las Figuras 17 y 18, tal como se esperaba, la humedad en el centro de
las piezas es menor que en el exterior, mientras que en los gráficos 15 y 16 que
describen la evolución del secado de los ensayos 1 y 2, muestran que a medida
que aumentan las horas de secado en las piezas, el movimiento de la humedad
desde el interior a la superficie se ve reducido, es decir, el gradiente de humedad
disminuye progresivamente a medida que avanza el ciclo de secado. Esta
característica es de gran importancia puesto que como los electrodos del sistema
resistivo alcanzan una determinada profundidad, estos miden en un punto fijo en el
interior de las piezas de madera, de modo que, el contenido de humedad esta
limitado a ser determinado siempre a la misma profundidad para cualquier espesor
de madera, por lo cual, la lectura no es representativa en relación a la humedad
real. Por ende, la variación existente entre la humedad medida y la humedad real
de la madera, será siempre distinta mientras exista un gradiente de humedad en la
pieza de madera.
Por lo tanto, para determinar el ajuste apropiado del sistema resistivo que
permita entregar una lectura certera respecto a la humedad real de la madera, es
necesario que este ajuste se enfoque en hacer tal corrección en el valor de
humedad apto para finalizar la etapa de secado e iniciar la etapa de acondicionado
y no otro.
33
6.3 Contenido de Humedad Final
Una vez realizados los 5 ensayos definidos para el estudio se recopilo toda
la información relacionada con los valores de contenido de humedad final de las
muestras y de las mediciones realizadas por los dispositivos capacitivos y
resistivos (Tabla 8 y Figura 20).
Tabla 8: Valores de contenido de humedad de las muestras según método
gravimétrico e higrómetros resistivo y capacitivo.
rdfwser
La información omitida en la columna de los valores del sistema resistivo se
debe que no estaban bien posicionadas las sondas de humedad debido a que
pudieron ser pasadas a llevar en un control intermedio. En el caso de los valores
del sistema capacitivo, se debe a que en estas piezas las mediciones tuvieron una
alta desviación, efecto producido porque las piezas de madera sufrieron altos
niveles de acanaladura por no contaron con la influencia de contrapesos que lo
Gravimétrico Resistivo Capacitivo12 9,5 10,4
13,9 9,8 12,914,7 12,510,1 7,8 8,99,2 7,8 8,911,1 7,1 9,810,3 7,4 1014,3 13,615,4 13,510,9 8,6 1210,7 7,8 9,48,6 88 7,5 7,7
10,1 6,8 10,610,5 7,7 10,45,3 6,3
Gravimétrico Resistivo Capacitivo6,9 7,38,7 6,9 8,99,9 6,7 8,19,5 7,5 9,810,4 9 10,412 9,7 9,68,3 6,8 8,77 5,8 7,2
9,6 7,5 9,49,2 7,4 9,712,6 8,4 11,95,8 5,2 5,75,2 5 5,915,2 10,813 10 12,3
34
evitaran. Esto impidió que los electrodos planos pudiesen tener un contacto total
con la madera para efectuar una buena medición.
Figura 20: Contenidos de humedad gravimétrico y de higrómetros resistivo y
capacitivo
La ecuación que describe el comportamiento del contenido de humedad del
sistema capacitivo en función de la humedad gravimétrica tuvo un R-cuadrado
igual a 0.8936, mientras que el R-cuadrado para el sistema resistivo fue de
0.8113:
Capacitivo = 0.7591* CH Gravimétrico+2.0062
Resistivo = 0.5594* CH Gravimétrico+2.1556
Al establecer las líneas de tendencia de los higrómetros resistivo y
capacitivo con las ecuaciones pertinentes es dable obtener el valor que cada uno
de estos dispositivos medirían según el valor de contenido de humedad que la
madera posea, de esta forma se puede establecer la diferencia existente entre
ambos en cualquier punto.
35
7 DETERMINACION DEL AJUSTE ÓPTIMO
7.1 Descripción del Ajuste del Sistema
Una de las principales observaciones alcanzadas en la investigación del
funcionamiento del sistema resistivo, es que la diferencia entre la curva de
referencia y un ajuste, no es proporcional en los distintos valores de humedad
medidos, sino que la nueva curva difiere a la original por efecto de una nueva
pendiente.
Cada ajuste está asociado al valor promedio de las 12 sondas, entregado
por el propio sistema y a su vez por un factor de corrección obtenido de la razón
entre los valores de ingreso del sistema capacitivo y el sistema resistivo (Figura
8), estas dos condiciones determinan la pendiente del ajuste. Es por ello que es de
vital importancia para ajustar apropiadamente las sondas de humedad, eliminar el
tamaño de la diferencia entre los sistemas de medición resistivo y capacitivo con
ajuste, específicamente en el valor de detención de la última etapa de secado del
ciclo.
7.2 Diferencia entre Sistemas de Medición Resistivo y Capacitivo
Debido a que en los sistemas de medición de humedad estudiados existe
un error en relación al verdadero contenido de humedad obtenido del método
gravimétrico tal como se muestra en la Figura 20, se creó la Tabla 9, en donde se
registran valores de humedad que entregarían ambos sistemas de medición en
base a las ecuaciones obtenidas de sus líneas de tendencia, utilizando el
contenido de humedad óptimo para finalizar la última etapa de secado de 8,7% y
también las humedades límites utilizadas de 8,5 y 9%, para luego determinar la
diferencia entre ambos sistemas de control en tales contenidos de humedades.
36
Tabla 9: Diferencias entre los higrómetros de medición de humedad para valores
aptos para finalizar la última etapa de secado de un ciclo.
CH Gravimétrico Resistivo Capacitivo Diferencia9% 7,19% 8,84% 1,65
8,7% 7,02% 8,61% 1,598,5% 6,91% 8,46% 1,55
7.3 Prueba con Distintos Valores de Ajuste
Tal como se mencionó anteriormente cada ajuste tiene una pendiente
distinta a la curva patrón (curva 10/10) del sistema resistivo, es por ello que se
identificaron los cambios generados entre la curva patrón de factor igual a uno,
para la cual el sistema está calibrado y distintos ajustes mediante el ingreso de
diferentes combinaciones de valores al sistema que representan ajustes
alternativos de esta forma se describió el comportamiento de cada uno de ellos a
través de la obtención de la ecuación de sus respectivas líneas de tendencia, con
el fin de establecer la diferencia existente entre cada ajuste ingresado y la curva
patrón, en los 3 contenidos de humedad indicados en la Tabla 9 (Tabla 10).
Tabla 10: Ajustes que más se asemejan a las diferencias entre las líneas de
tendencia de los dispositivos capacitivo y resistivo en los puntos: 9, 8.7 y 8.5.
Ajustes11 / 12,222 12 / 13,333 7 / 8,235 8 / 9,412 8,5 / 10
9% / ( 1,65 ) 1,437 1,588 1,488 1,686 1,8428,7% / ( 1,59 ) 1,422 1,57 1,475 1,666 1,8288,5% /( 1,55 ) 1,411 1,558 1,464 1,651 1,819
37
De la Tabla 10 y tomando en consideración la Tabla 9, se deduce que el
ajuste que se podría adaptar mejor a la diferencia entre las líneas de tendencia de
los sistemas resistivo y capacitivo en la última etapa de secado cuando la
humedad de la madera esté en un contenido de humedad aproximado de 8,7% es
el ajuste: 12/13,333”.
8 REGISTRO DE CONTROLES INTERMEDIOS
Una vez determinado el valor de ajuste óptimo se realizó un total de ocho
pruebas que consistieron en comparar el valor de humedad entregado por el
sistema resistivo al utilizar el ajuste 12/13,333 y el promedio de humedad del
control intermedio efectuado por los operadores del área de secado para el
producto Shop 5/4 (Tabla 11).
Tabla 11: Sistema resistivo v/s Control Intermedio
Cámara 9 3 2 9 1 9 9 5Carga 1634 1937 2085 1637 2198 1640 1643 1821
S1 8,5 9 6,6 8,4 7,6 7,9 8,1 7,4S2 7,7 7,3 7,8 7,6 8 8,2 8,2 7,7S3 8,5 8,2 8,1 7,7 9 8,2 8,6 8S4 8,6 8,5 8,3 8,1 9,6 8,6 8,6 8,2S5 8,9 8,9 8,5 8,3 7,4 8,8 8,8 8,4S6 8,9 9,1 8,9 8,6 10,1 8,9 8,8 8,7S7 9,2 9,2 9,8 8,7 7,7 9 8,9 9,1S8 9,5 9,8 10 8,7 8 9,4 9 9,4S9 9,8 10 10,5 8,9 9,4 9,5 9,4 9,5
S10 10,3 10,5 11,1 8,9 8 9,6 9,6 10S11 10,7 10,9 11,1 9 10,2 9,9 9,7 10,7S12 11,2 12,7 12,8 9,9 8,7 13 9,8 12,9
Resistivo 9,2 9,3 9,2 8,5 8,5 9,1 8,9 9Capacitivo 9 9,5 9 8,9 8,6 8,9 8,4 9,2Diferencia 0,2 0,2 0,2 0,4 0,1 0,2 0,5 0,2
0,25Promedio
38
Cada uno de los controles intermedios determinó una humedad apropiada
para el paso de la carga de madera a la etapa de enfriamiento, excepto en el
control de la cámara 3 a la cual se le dio una hora más de secado debido a que se
consideró demasiado alto el contenido de humedad del control realizado .
Del registro final se puede apreciar que los valores de humedad del sistema
resistivo una vez ajustado con los valores 12/13.333 y los resultados de los
controles con el higrómetro capacitivo fueron muy parecidos. En cada control la
diferencia puede atribuirse a que mediante el sistema capacitivo se pueden tomar
una mayor cantidad de mediciones y además a la forma de controlar de cada
operador, la que puede variar respecto a los sectores que él estima convenientes
medir por considerarlos más representativos de la humedad total de la carga de
madera.
39
9 DISCUSION
Los valores de contenido de humedad de la madera para el producto Shop
5/4 medidos por el sistema resistivos siempre fueron inferiores a los obtenidos por
el sistema capacitivo, lo cual se debe a que este puede hacer un barrido con un
alcance superior, puesto que puede penetrar hacia el interior de la madera hasta
una pulgada. Mientras que el sistema resistivo está limitado a medir a una
profundidad inferior, producto de que sus electrodos alcanzan una profundidad
máxima de 13mm y es en el centro de la madera donde se encuentra la mayor
humedad. Los valores de humedad final medidos en línea por el sistema resistivo
ajustado fueron más cercanos al valor real de humedad, lo cual es consistente con
lo observado por Simpson y Haslett (2001).
De acuerdo a los resultados de la Tabla 9 la variación entre las mediciones
del higrómetro capacitivo y el método gravimétrico fue baja. Esto hace del sistema
capacitivo una herramienta relativamente confiable para considerar sus valores de
humedad como el referente para ajustar el sistema resistivo. Particularmente
cuando el sistema capacitivo se encuentra adecuadamente calibrado (Quarles y
Breiner 1992, Wengert y Bois 1997, Wilson 1999, Simpson 2005).
En la Figura 20 se muestra que a medida que la humedad de la madera
disminuye, la diferencia de los valores de contenido de humedad registrados por
los dos sistemas de medición también disminuye pero en forma leve, esto puede
deberse al efecto de las diferentes temperaturas aplicadas a cada etapa de
secado en las cámaras y la temperatura interna que con ellas alcanza la madera,
puesto que este factor es de gran influencia en la variación de la resistencia
propia del material del sistema resistivo (Forsen y Tarveinen 2000). Lo que
demuestra la importancia de registrar la información entregada por el sistema de
control de humedad una vez que se alcanzan temperaturas cercanas a lo 90oC
dado que el sistema fue calibrado en ésta, debido a que las temperaturas que se
alcanzan en las últimas etapas de secado suelen ser de 90oC en casi todos los
40
programas de secado y que según el proveedor del sistema de control de secado,
la calibración para el sistema resistivo acepta una tolerancia cercana a los 10 oC.
Una vez obtenida la diferencia de medición que existe en ambos
dispositivos de control de humedad cuando el valor real de la madera es 8.7%, se
demostró que el ajuste 12/13,333 es el más apropiado para la madera de 38mm
de espesor. En tal sentido las mediciones de humedad en línea mediante el
sistema resistivo debidamente ajustado permiten detener la marcha del secado de
esta madera sin necesidad de detener el funcionamiento del horno ni el ingreso de
los operadores a éste. Lo anterior favorece la gestión de la conducción del secado
industrial de pino radiata de 38 mm de espesor.
A partir de las ecuaciones que caracterizan diferentes ajustes para el
sistema de control resistivo de humedad, se construyó una planilla que permite
determinar cual es el ajuste óptimo para maderas de diferentes espesores. Este
protocolo fue propuesto al aserradero para ajustar nuevos productos. La planilla
consiste en determinar el contenido de humedad de cada ajuste, en relación a la
humedad realmente medida por el sistema resistivo de acuerdo a su curva patrón.
Posteriormente la planilla por si sola indica cual de los ajustes se asemeja más al
control efectuado manualmente con el sistema capacitivo. La efectividad de esta
planilla quedo demostrada una vez que se compararon los resultados de los
controles intermedios de la Tabla 11, puesto que indicó nuevamente al ajuste
12/13,333 como el de mayor semejanza al sistema capacitivo.
41
10 CONCLUSIONES
La gestión de la conducción del secado en hornos industrial de pino radiata,
puede ser mejorada mediante la determinación en línea de la humedad final de la
madera, usando un aparato resistivo. Se automatiza el término de la etapa de
secado en base a las mediciones de humedad en línea. Se reducen los costos de
secado al disminuir los consumos de energía eléctrica (Anexo II) y térmica.
Además se reduce el tiempo de secado al eliminar las detenciones que generan
tiempos muertos, aumentando así la productividad (Anexo III) y la cantidad de
productos de mayor valor. Se reduce el shock térmico en la madera al abrir
ventilas y puertas de las cámaras de secado, eliminando los riesgos de grietas
superficiales. Al eliminar el control intermedio para permitir el ingreso a los
operadores se reduce el riesgo de accidentes y enfermedades profesionales para
los operadores.
El método gravimétrico, permite medir satisfactoriamente el contenido de
humedad de una carga de madera, pero en el caso del secado industrial del pino
radiata, en que los programas de secado están basado en el tiempo, los métodos
capacitivos y resistivos optimizan la medición de la humedad para decidir el
termino de un ciclo de secado.
Comparativamente los métodos resistivos y capacitivos permiten determinar
el contenido de humedad al final del secado de la madera, no obstante el método
resistivo bien ajustado favorece la automatización de las mediciones de humedad.
Para la determinación del ajuste que necesitan los productos de diferentes
espesores, se propuso en el aserradero el uso de la planilla que contiene distintos
valores de ajuste y que indica cual de todos ellos es el mejor, para lo cual se
confecciono un procedimiento simple, para que sea llevado a cabo por parte de los
operadores del área de secado.
42
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44
ANEXO 1: PAR DE SONDAS DE HUMEDAD
Las sondas de humedad utilizadas en este estudio, están constituidas por
una barra de acero inoxidable que en su extremo posee un electrodo tipo cuchillo
que penetra la madera y en su otro extremo se conecta con un cable del mismo
material que conduce la corriente que circula entre el par de electrodos. Además,
la estructura de las sondas posee una protección que consiste en una tapa
metálica y una varilla hueca aislada de la barra (Figura 21). Como el principio de
funcionamiento de los electrodos es medir contenidos de humedad en función de
los cambios de la resistencia eléctrica cuando la cantidad de agua en la madera
decrece a lo largo del proceso de secado, la función de la protección es eliminar la
influencia de la temperatura interna de la cámara de secado sobre la sonda de
humedad y la influencia de la velocidad del aire, de manera que la única
temperatura que influya en la sonda de humedad sea la temperatura interna de la
madera sobre el electrodo.
Debido a que la variación de la temperatura en un conductor influye
directamente en la resistividad eléctrica de este, en la calibración del sistema
resistivo de medición de contenido de humedad, se considero la variación de la
resistividad del material de la sonda de humedad por efectos de la temperatura
interna de la madera, para programas de secado con temperaturas de 90 ºC.
Figura 21: Diseño de Sonda de Humedad (Fuente: Elaboración propia)
Barra metálica Electrodo tipo Cuchillo
Tapa de Protección
45
ANEXO 2: VALOR PROMEDIO DE LA DISTRIBUCION DEL
GRADIENTE DE HUMEDAD
Para determinar el valor promedio de humedad de las piezas de madera de
2 pulgadas provenientes de las muestras de cada ensayo y que dieron origen a
los gradientes de humedad de las tablas 6 y 7 del Informe, se pueden promediar
directamente los valores de la distribución de humedad de las 5 lonjas de madera
obtenidas en el laboratorio de secado, sin embargo, probablemente este método
no sea el más preciso, puesto que, para formarlas se realizaron 4 cortes en los
que se perdió material que también contenía humedad por efectos del Kerf
producido por la sierra huincha utilizada.
Es por esto que para determinar la humedad de las piezas originales antes
de ser cortadas, se utilizó primero la teoría de la Suma de Riemann,
estableciendo la función que representa el comportamiento de la distribución de
humedad de cada pieza (Figura 22). Se calculó el área bajo la curva entre 0 y 38
para luego dividir el área por 38, valor correspondiente al ancho de la pieza en que
se distribuye la humedad, para así establecer el valor medio de la posición que
adquiere la humedad en la curva. Una vez determinado el valor medio de esta
forma se contrastó este resultado con el entregado por el promedio directo de la
distribución de humedad.
Figura 22: Curva de tendencia
Y [ % ]
Posición X
46
Como 38AY , se tiene:
38
0
)( dxxfA
381*)(
38
0
dxxfY
VALOR MEDIO PARA EL GRADIENTE DE HUMEDAD
Establecimiento del contenido de humedad medio para la pieza 1 de ensayo 1
Una vez asignada la posición de cada valor de humedad de las cinco piezas
en un eje X, de acuerdo al punto medio del espesor de cada lonja, más la
distancia que representa la pérdida de material igual al ancho del kerf. Se realizó
una regresión polinomial mediante el programa Statgraphics Centurión para
determinar la ecuación que mejor se adaptó a la pieza obtenida de la muestra 1
del ensayo 1 (Tabla 12).
Tabla 12: Gradiente de humedad según posiciones para la muestra 1 del
ensayo 1
X 2,6 10,8 19 27,2 35,4Y 83,72% 124,20% 145,70% 105,99% 96,48%
Si bien en un ciclo de secado se espera que el secado en una pieza de
madera la distribución de humedad tenga un comportamiento homogéneo, esto no
sucede así tal como se aprecia en la tabla 12, en donde existe una variación
considerable en los valores extremos de humedad, esto sumado a que tan solo se
cuenta con cinco puntos de humedad para construir una curva de tendencia
implica que la expresión obtenida de esta información no sea significativa y que la
forma de la curva difiera notablemente de los puntos utilizados. Al realizar una
47
regresión polinomial de orden 4 el R-cuadrado fue 1 y con una regresión
polinomial de orden 3 el R-cuadrado es igual a 0,8918. Pero a pesar de ser
significativos ambos modelos, la forma de sus respectivas curvas no son
representativas para el objetivo de establecer la humedad media (Figura 23). Lo
mismo sucedió con la regresión polinomial de orden 2, con un R-cuadrado igual a
0,7892.
Figura 23: Modelos Ajustados mediante Regresiones Polinomiales
Normalización de la Distribución de Humedad
Para evitar este problema se optó por normalizar los valores de humedad
de los extremos promediándolos, mientras que el valor central se mantuvo igual,
de esta forma el modelo ajustado adoptó una forma uniforme, tal como en la
Figura 22 (Tabla 13).
Tabla 13: Humedades Normalizadas para la muestra 1 del ensayo 1
X 2,6 10,8 19 27,2 35,4Y 90,10% 115,09% 145,70% 115,09% 90,10%
Orden 2 Orden 3 Orden 4
48
Una vez rectificados los valores de humedad se procedió a establecer un
modelo apropiado, escogiéndose una regresión polinomial de orden 2 por tener
una forma más representativa del comportamiento de la humedad, de esta forma
el estadístico R-cuadrado indicó que el modelo obtenido explica el 87,9056% de la
variabilidad para la expresión: f (x) = 0,724339 + 0,0650645 *X - 0,00171222 *X^2
Determinación de Valor Medio de Humedad para la pieza 1 de ensayo 1
Mediante la ecuación f (x) obtenida anteriormente es posible determinar el
valor medio de humedad a través del procedimiento propuesto inicialmente,
entonces se tiene:
dXXXdXxf ]*00171222,0*0650645,0724339,0[)( 2
1838,43]*00057074,0*03253225,0*724339,0[ 38
032 XXXA
Luego:
%64,1131364,1381838,43
38AY
Valor Medio de Humedad para los Ensayos 1 y 2
Aplicando el mismo procedimiento para las demás piezas del ensayo 1 y 2,
se determinó el valor de humedad medio de éstas (Tablas 14 y 15).
Tabla 14: Contenidos de humedad determinados para las piezas del Ensayo 1
Muestra Horas Orden Polinomial r2 area CH medio1 9 2 0,879 43,184 113,64%2 18,5 2 0,9784 20,094 52,87%3 25,5 3 0,9884 9,334 24,56%4 31 2 0,959 4,491 11,82%5 37 2 0,9969 2,656 6,99%6 44 2 0,9997 3,084 8,12%
49
Tabla 15: Contenidos de humedad determinados para las piezas del Ensayo 2
Muestra Horas Orden Polinomial r2 area CH medio1 7,5 4 1 43,134 113,51%2 21 4 1 14,710 38,70%3 25 4 1 10,355 27,25%4 37 2 0,9997 4,182 11,00%5 41,5 4 1 3,124 8,22%6 45 2 0,9879 3,695 9,72%7 45,5 4 1 3,613 9,51%
COMPARACION DEL RESULTADO DEL VALOR MEDIO Y DEL PROMEDIO
DIRECTO DEL GRADIENTE DE HUMEDAD
A continuación se presentan las humedades determinadas de la pieza
pequeña de 2 pulgadas mediante la Suma de Riemann y al promediar los cinco
valores de la distribución de humedad de madera. Adicionalmente se agregó el
resultado del contenido de humedad de las piezas centrales utilizadas para el
estudio que caracterizó a los sistemas resistivo y capacitivo, también obtenidas de
las muestras de los ensayos 1 y 2 (Tablas 16 y 17).
Tabla 16: Humedades de las muestras del estudio, más el valor medio obtenido
mediante la Suma de Riemann y el valor promedio de las piezas de 2” para el
Ensayo 1.
Horas Muestra CH Medio CH promedio9 139,20% 113,64% 111,22%
18,5 54,80% 52,87% 52,42%25,5 24,70% 24,56% 24,21%31 12,00% 11,82% 11,42%37 8,30% 6,99% 6,84%44 7,00% 8,12% 7,90%
Piezas de 2 pulgadas
50
Tabla 17: Humedades de las muestras del estudio, más el valor medio obtenido
mediante la Suma de Riemann y el valor promedio de las piezas de 2” para el
Ensayo 2.
Horas Muestra CH Medio CH promedio7,5 129,10% 113,51% 113,00%21 40,60% 38,70% 38,17%25 30,10% 27,25% 26,68%37 9,90% 11,00% 9,86%
41,5 11,10% 8,22% 10,64%45 8,70% 9,72% 8,02%
45,5 9,90% 9,51% 9,46%
Piezas de 2 pulgadas
Tal como se indicó en la Tabla 13 los valores del gradiente de humedad no
son homogéneos, existiendo diferencias en la humedad de los segmentos de los
extremos, lo cual se debe a que el secado industrial es un proceso dinámico en el
que influyen muchos factores, tales como la circulación del aire que puede ser
afectada por la calidad del mantenimiento de motores y ángulo de aspas, calidad
de empalillado y la variación de humedad inicial de la carga de madera, entre
otros.
Después de haber establecido la humedad promedio de los cinco
segmentos en el gradiente de humedad de las piezas, más la humedad media a
través del cálculo del área bajo la curva de tendencia con las mismas humedades
y compararlas con la humedad obtenida en las muestras de donde provinieron
tales piezas. Se aprecia claramente en las Tablas 16 y 17 que la humedad de las
muestras y de las piezas pequeñas no son comparables por existir una diferencia
significativa entre ellas, lo que puede explicarse a la variabilidad de humedad que
existe en una misma pieza.
51
Sumado a lo anterior se debe considerar también que los métodos para
establecer la humedad de las piezas originales no hayan sido lo suficientemente
certeros, ya que la pérdida de material pudo ser importante por tratarse de una
probeta pequeña. Sin embargo, mediante el método de la integración del área
bajo la curva de tendencia en piezas de mayor tamaño que entreguen más de 5
valores de humedad, tal vez pueda ser establecida una ecuación de la distribución
de humedad mejor de tal pieza y así obtener un valor más aproximado al real.
52
ANEXO 3: CONSUMOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA EL
PRODUCTO SHOP 5/4
En todas las áreas de secado de aserraderos, los consumos de energía
eléctrica más significativos, corresponden a los consumos de la totalidad de los
ciclos de secado utilizados mensualmente. Los consumos provienen del
funcionamiento de los motores de los ventiladores. Estos están instalados en las
cámaras de secado (Figura 24) y a lo largo de un ciclo de secado varían su
velocidad, puesto que los requerimientos de velocidad de circulación de aire
necesaria en cada una de las etapas de secado son distintos. Como una forma de
evaluar los ahorros de energía eléctrica asociados a la eliminación de los controles
intermedios en cada ciclo de secado, a través del uso de los valores de ajuste
encontrados para el producto Shop 5/4 se estimaron los kW/h consumidos en los
ciclos de secado de las tres tecnologías de cámaras existentes en la planta
industrial a lo largo de los 3 primeros trimestres del año 2008 y los consumos
asociados al funcionamiento de los ventiladores cuando las cámaras de secado
cuando son enviadas a pausa, lo que significa que los ventiladores deben
funcionar por 5 min hasta reducir la temperatura para que los operadores puedan
ingresar al interior de las cámaras en forma segura.
Figura 24: Cámara de Secado Industrial
Motor IP55 Clase F
380V
50Hz
3 Fases
53
Consumos de Energía Eléctrica en función de las Etapas de
Secado Determinación de la Duración de las Etapas de los Ciclos de Secado La duración de cada etapa de secado se estableció promediando el total de
horas de cada una de las etapas de los ciclos de secado para el producto Shop
5/4 en los tres primeros trimestres del año en las cámaras ACT (convencionales),
Hibridas y UHT (alta temperatura). Información obtenida de la planilla “Tiempos de
Ciclo 2008” en la planta industrial (Tablas 18 a 20).
Tabla 18: Promedio de etapas del ciclo de secado en Cámaras Hibridas
Trimestre Nro Ciclos Total1 44 2,13 29,39 1,01 7,02 0,98 40,542 32 2,15 27,90 1,02 6,75 0,97 38,793 24 2,13 30,75 0,86 6,05 0,96 40,75
Etapas [h]
Tabla 19: Promedio de etapas del ciclo de secado en Cámaras ACT
Trimestre Nro Ciclos Total1 37 2,18 30,25 0,98 6,97 0,94 41,322 42 2,08 30,51 0,99 6,66 1,00 41,243 51 2,10 31,53 0,92 6,97 0,97 42,48
Etapas [h]
Tabla 20: Promedio de etapas del ciclo de secado en Cámara UHT
Trimestre Nro Ciclos Total1 7 2,10 29,71 0,93 6,86 0,93 40,522 0 0 0 0 0 0 03 9 2,06 27,91 1,00 6,00 1,00 37,96
Etapas [h]
54
Los programas de secado para el producto Shop 5/4 de las distintas
tecnologías son equivalentes en el número de horas de sus etapas, pero estas
pueden ser modificadas por los operadores, dependiendo de varios factores que
influyen en el proceso, tales como el tiempo que la madera tenga desde que fue
empalillada hasta su ingreso a las cámaras de secado, de su evolución de secado
y el control intermedio realizado por el propio operador.
Velocidad de Motores en Programas de Secado Shop 5/4
Las RPM de los motores en programas de secado para las cámaras
Híbridas y UHT también son equivalentes, sin embargo, en las cámaras ACT
funcionan siempre al 100% en todas las etapas debido a que no cuentan con
variadores de frecuencia (Tabla 21).
Tabla 21: Duración de las etapas de los ciclos de secado del primer trimestre de
Cámaras Híbridas y sus respectivas Velocidades.
ETAPA Tiempo RPM[h] [%]
CALENTAMIENTO 1 2,13 70SECADO 1 12,00 90SECADO 2 12,00 80SECADO 3 5,39 70ENFRIADO 1 1,01 60ACONDICIONADO 1 7,02 40ENFRIADO 2 0,98 60Total Ciclo 39,55
55
Determinación del Factor de Carga en Motores
Como se aprecia una variación de las revoluciones de los motores de los
ventiladores es necesario determinar el Factor de Carga de cada ciclo de secado,
que relaciona la demanda promedio en un intervalo dado y la demanda máxima en
el mismo intervalo. Para ello se utilizaron las propiedades de los motores mediante
la expresión (Espinoza 1990):
*_
DmsDm
DmsDmFc
Donde:
Fc : Factor de Carga
Dm : Demanda Promedio o energía consumida
Dms : Demanda Máxima
: Número de horas del Periodo
Para obtener las demandas promedio y máxima se efectuaron mediciones
de corriente y voltaje en los motores de una cámara híbrida en los valores de RPM
de la Tabla 21 con una cargada de madera Shop 5/4 dentro (Tabla 22).
Tabla 22: Potencia de cada etapa de secado en Cámaras Híbridas
56
Luego se tiene:
85,095,39
1*21,180.1355,766.443
DmsDmFc
Tabla 23: Características de los Ventiladores de Cámaras de Secado
P. Nom. / Motor kW 30Nº Motores gral 10P. Nom. Total kW 300Factor Carga 0,85
Características Ventiladores
Las características corresponden a las cámaras Híbridas y UHT, lo que
significa que el valor eléctrico de sus conexiones es equivalente, sin embargo,
como la Potencia Total de un ciclo depende de la duración de las etapas de
secado, el Factor de Carga se ve afectado. En las cámaras ACT la potencia
nominal de sus motores es de 15 kW, por lo que la potencia nominal total es de
150 kW.
Energía Eléctrica Total del Ciclo Promedio del primer trimestre en Cámaras
Híbridas
Primero al establecer la Energía Eléctrica de la etapa de Calentamiento de
la madera se tiene que:
P Nominal = RPM Calent.*P. Nom Ventiladores
= 0,7 * 300 kW
= 210 kW
Potencia = P nominal * F.C.
=210 kW * 0,85
57
= 178,77 kW
E. Eléctrica = Potencia * Tiempo
= 178,77 kw * 2,13h
= 380,79 kw-h
Luego efectuando el mismo procedimiento para las demás etapas del ciclo
se puede obtener la Energía Total del Ciclo del Secado (Tabla 24).
Tabla 24: Energía Eléctrica Total del primer trimestre consumida en Cámaras
Híbridas
P. Nominal Potencia EEkW kW kW - h210 178,77 380,79270 229,85 2758,23240 204,31 2451,76210 178,77 963,59180 153,24 154,77120 102,16 717,14180 153,24 150,17
Total: 1200,34 7576,46
De la misma forma utilizando el promedio de la duración de los programas
de secados de los demás trimestres, se puede obtener el consumo de Energía
Eléctrica en las tres tecnologías de cámaras de secado (Tabla 25).
Tabla 25: Energía Eléctrica Total del promedio de las etapas, en cada trimestre y
en las distintas cámaras de secado
Potencia EE Potencia EE Potencia EETrimestre kW kW - h kW kW - h kW kW - h
1 1200,34 7576,46 1050,0 6198,0 1200,21 7591,222 1207,39 7328,84 1050,0 6186,0 0 03 1205,75 7729,10 1050,0 6373,5 1216,33 7292,57
Hibridas ACT UHT
58
Consumos de Energía Eléctrica en función de las Detenciones de
los Ciclos de secado
Como en el procedimiento tradicional de control de humedad de tipo
manual, se requiere de una pausa en los ciclos de secado para controlar el
contenido de humedad de la madera con el dispositivo capacitivo, el sistema
control de secado está programado para que al iniciar la pausa, las cámaras de
secado abran sus ventilas y sus ventiladores giren por 5 minutos y de esta forma
reducir la temperatura interna para así hacer posible el ingreso de los operadores
en forma segura para controlar la humedad de la madera en las cámaras.
Los cálculos de estimación de consumos de energía eléctrica realizados
anteriormente no consideraron el tiempo que toma la cámara de secado en
reducir las condiciones de temperatura de 5min, ni el tiempo en que los
ventiladores funcionan una vez que la cámara vuelve al funcionamiento, cerrando
ventilas y abriendo las válvulas para recuperar las condiciones de temperatura
TBS y TBH por ser parte del tiempo muerto, es decir, que el tiempo de operación
de los ciclos de secados sólo se considera cuando las condiciones internas de la
cámara son alcanzadas. Es por esto que a continuación se determinarán estos
consumos utilizando el procedimiento de la parte anterior, tomando en cuenta que
son 2 controles en promedio para un ciclo de secado.
Velocidad de Motores en Tiempo Muerto
La configuración del sistema resistivo en línea, está definida para que en los
5 minutos que siguen funcionando los motores al pasar a la pausa y hasta
alcanzar las condiciones de temperatura de los programas de secado, la velocidad
sea la misma que en la etapa de secado que fue intervenida, es decir, que para
las cámaras Híbridas y UHT para programas Shop 5/4, las RPM en que funcionan
los motores son de 70% y en las cámaras ACT en 100%.
59
Funcionamiento de motores en Tiempo Muerto
Como se desea que las condiciones de temperatura en cada programa de
secado posterior a cada detención se alcancen en el menor tiempo posible para
eliminar el delta de temperatura que se genera y que según las termocuplas de las
cámaras éste puede ser de hasta 400C, es modificada la velocidad en que
aumenta la temperatura en el programa de secado con rampas de hasta 5000C/h,
es decir, que el aumento en grados por minutos puede ser de 8,330C/min, sin
embargo, esto no suele ser posible debido a que existe la limitante de capacidad
de energía térmica disponible. Esto significa que como existen otras cámaras de
secado en operación, éstas se encuentran ocupando el vapor necesario para
eliminar el delta de temperatura con la rampa de temperatura mencionada, por lo
que se optó por considerar un tiempo promedio estimado por los operadores del
área de 20min, por lo tanto, el tiempo de funcionamiento de motores en el tiempo
muerto generado por 2 pausas en cada ciclo de secado en la planta industrial será
de 50min.
Entonces, para establecer la Energía Eléctrica consumida en el tiempo
muerto de una cámara Híbrida se tiene:
P Nominal = RPM Secado3 * P. Nom Ventiladores
= 0,7 * 300 kW
= 210 kW
Potencia = P nominal * F.C.
= 210 kW * 1
= 210 kW
E. Eléctrica = Potencia * Tiempo
= 210 kW * 0,833 h
= 175 kW-h
60
Consumos de Energía Eléctrica Total de los 3 primeros trimestres
del año 2008
Para determinar el consumo de energía eléctrica total de los tres primeros
trimestres del año 2008 se utilizó el número de ciclos de cada trimestre para las
cámaras Híbridas, ACT y UHT en los resultados de la Tabla 25, al igual que el
consumo de energía eléctrica de los motores en el tiempo muerto (Tablas 26 y
27).
Tabla 26: Energía Eléctrica Total de cada trimestre en las tres tecnologías de
cámaras de secado
Potencia EE Potencia EE Potencia EETrim. kW kW - h kW kW - h kW kW - h
1 52.815,04 333.364,05 38.850 229.326 8.401,49 53.138,562 38.636,41 234.523,00 44.100 259.812 0,00 0,003 28.937,94 185.498,35 53.550 325.049 10.947,01 65.633,17
Total 120.389,39 753.385,40 136.500 814.187 19.348,51 118.771,72
ACT UHTHibridas
Tabla 27: Energía Eléctrica Total de cada trimestre en las tres tecnologías de
cámaras de secado consumido en el tiempo muerto
Potencia EE Potencia EE Potencia EETrim. kW kW - h kW kW - h kW kW - h
1 9.240 7.700 5.550 4.625 1.470 1.2252 6.720 5.600 6.300 5.250 0 03 5.040 4.200 7.650 6.375 1.890 1.575
Total 21.000 17.500 19.500 16.250 3.360 2.800
UHTACTHíbridas
61
Figuras resultantes de Consumos de Energía Eléctrica Totales de cámarasHíbridas, ACT y UHT
2,27%
97,73%
Tiempo de ProcesoTiempo Muerto
Figura 25: Consumos de Energía Eléctrica en Cámaras Híbridas
1,96%
98,04%
Tiempo de ProcesoTiempo Muerto
Figura 26: Consumos de Energía Eléctrica en Cámaras ACT
97,70%
2,30%
Tiempo de ProcesoTiempo Muerto
Figura 27: Consumos de Energía Eléctrica en Cámaras UHT
62
Figura 28: Consumos de Energía Eléctrica total en Cámaras de los tres primeros
trimestres del año 2008
Los consumos de energía eléctrica de las cámaras de secado para
procesar el producto Shop 5/4 entre los meses de enero y septiembre del 2008,
son de 1.686.334 kW-h y 36.550 kW-h, para el ciclo de secado y los tiempos
muertos respectivamente. En total se consumen 1.722.894 kW-h. Ahora, si se
considera que el precio promedio sin IVA establecido por la compañía general de
electricidad en el mismo periodo fue igual a $95,3 kW-h, se estima que el ahorro
pudo ascender a los $3.483.215, utilizando el sistema resistivo de medición de
humedad en línea, entre los meses de enero y septiembre del 2008.
63
Anexo 4: Aumento de Volumen de Madera Secada por efectos del
uso del Sistema Resistivo de Control de Humedad
Una vez instalado el sistema resistivo de control para las cámaras de
secado para la planta industrial, se determinó que las escuadrías en las que se
utilizarían el sistema de control de humedad lineal tipo resistivo sería para los
productos de espesores entre 23 y 49 mm. Es por esto que para estimar el
aumento de volumen de madera seca debido al uso del sistema de control de
humedad lineal se utilizará la información relacionada con los productos que
cuentan con la condición mencionada. Se tomaron en consideración la totalidad de
los ciclos de secado realizados en los tres primeros semestres del año 2008,
estimando un volumen promedio de madera seca de 95 m3 en cada ciclo de
secado. Además los volúmenes de madera procesada para cada producto
también es variable mes a mes, puesto que dependen de la demanda requerida
por los clientes.
Duración Promedio de los Ciclos de Secado considerando el uso del sistema resistivo y los tiempos muertos
Para determinar la Duración Promedio de los ciclos de secado entre los
meses de enero y septiembre en todos los productos de espesores entre 23 y 49
mm, se consideró un total de 47.150 horas de operación correspondiente al
secado de 1555 ciclos en este periodo y de 38.652 horas de operación
correspondiente a los ciclos que se encuentran en el rango de espesores
mencionado. Además los tiempos muertos que representan las detenciones se
consideraron de 50 minutos en cada ciclo y de 30 minutos por los cambios de
carga.
64
Tabla 28: Número de ciclos de secado y de horas totales entre los meses de
Enero y Septiembre
Nro. Ciclos Nro HorasCon Sondas 1.153 38.652Sin Sondas 402 8.498Total 1.555 47.150
Prom. Actual de Ciclos: ]/[65,311555
)5,0833,0(*1555150.47 cicloh
Prom. de ciclos con sondas : ]/[02,341153
)5,0(*115338652 cicloh
Prom. de ciclos sin sondas: ]/[47,22402
)5,0833,0(*4028498 cicloh
Prom. Ponderado de Ciclo: ]/[03,311555
402*639,221153*023,34 cicloh
Tal como se esperaba, el Promedio Ponderado de duración de todos los ciclos
de secado es más bajo que el promedio actual de los ciclos sin el uso del sistema
resistivo de medición de humedad en línea. Sin embargo, esta diferencia es
relativamente baja debido a que los ciclos de secado para espesores menores a
23mm son más numerosos que en espesores superiores a 49mm, puesto que
cubican una menor cantidad en las cámaras de secado y la duración de ellos
también es menor.
65
Número de ciclos de secado disponibles mensualmente al implementar el sistema de control de humedad lineal
Horas disponibles mensualmente: ]/[76,1069
833,0*153.1 mesh
Ciclos disponibles mensualmente: ]/[44,3]/[03,31]/[76,106 mesciclos
ciclohmesh
Estimación del aumento del volumen de madera secada en los meses de
Enero y Septiembre al implementar el sistema de control de humedad lineal
Primero se estableció el volumen de madera secada entre los meses de
Enero y Septiembre sin el uso de las sondas de humedad y considerando que el
promedio aproximado de volumen de madera de todos los ciclos de secado en el
área es de 95[m3/mes]:
Volumen secado sin Sondas: ][725.147][95*1555 33 mm
Luego:
Aumento del volumen mensual: ][95*]/[44,3 3mmesciclos
]/[85,326 3 mesm
Aumento de madera seca con sondas: ]3[65,941.29*]/3[85,326 mmesm
Por lo tanto, si el sistema resistivo de medición de humedad en línea
hubiera estado en operación en el área de secado de la planta industrial, entre los
meses de enero y septiembre, habrían aumentado en 3,44 los ciclos de secado
mensualmente lo que representa un aumento de aproximadamente un 1,95% en
producción de madera seca, esto es, una producción total de 150.666,65[m3].
66