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El secado de la madera (también conocido como curado de la madera ) reduce el contenido de humedad de la madera antes de su uso. Cuando el secado se realiza en un horno , el producto se conoce como madera secada al horno , mientras que el secado al aire es el método más tradicional.
Hay dos razones principales para secar la madera:
Para algunos usos, la madera no se seca en absoluto y se utiliza verde . A menudo, la madera debe estar en equilibrio con el aire exterior, como en el caso de la madera de construcción, o con el aire interior, como en el caso de los muebles de madera.
La madera se seca al aire o en un horno construido especialmente para ello . Normalmente, la madera se corta antes de secarla, pero a veces se seca el tronco entero.
El endurecimiento superficial describe la madera aserrada o de construcción que se ha secado demasiado rápido. La madera se seca inicialmente desde la cáscara (superficie), encogiendo la cáscara y poniendo el núcleo bajo compresión. Cuando esta cáscara tiene un bajo contenido de humedad se "endurece" y resiste la contracción. El núcleo de la madera todavía tiene un mayor contenido de humedad. Este núcleo comenzará entonces a secarse y encogerse. Sin embargo, cualquier contracción es resistida por la cáscara ya "endurecida". Esto conduce a tensiones inversas; tensiones de compresión en la cáscara y tensiones de tensión en el núcleo. Esto da como resultado una tensión no aliviada llamada endurecimiento superficial. La [madera] endurecida superficialmente puede deformarse considerablemente y de manera peligrosa cuando la tensión se libera al serrar .
La madera se divide, según su origen botánico, en dos tipos: las maderas blandas, procedentes de las coníferas, y las maderas duras, procedentes de los árboles de hoja ancha. Las maderas blandas son más ligeras y, por lo general, de estructura simple, mientras que las maderas duras son más duras y complejas. Sin embargo, en Australia, las maderas blandas suelen describir los árboles de la selva tropical, mientras que las maderas duras describen las especies esclerófilas ( Eucalyptus spp ).
Las maderas blandas , como el pino, suelen ser mucho más ligeras y fáciles de procesar que las maderas duras , como la madera de los árboles frutales. La densidad de las maderas blandas varía entre350 kg/ m3 a700 kg/m 3 , mientras que las maderas duras son450 kg/ m3 a1250 kg/m 3 . Una vez secas, ambas contienen aproximadamente un 12% de humedad ( Desch y Dinwoodie, 1996 ). Debido a la estructura más densa y compleja de la madera dura, su permeabilidad es mucho menor que la de la madera blanda, lo que hace que sea más difícil de secar. Aunque hay alrededor de cien veces más especies de árboles de madera dura que de árboles de madera blanda, la capacidad de secarse y procesarse más rápido y más fácilmente hace que la madera blanda sea el principal suministro de madera comercial en la actualidad.
La madera de los árboles vivos y de los troncos frescos contiene una gran cantidad de agua, que a menudo constituye más del 50% del peso de la madera. El agua tiene una influencia significativa en la madera. La madera intercambia continuamente humedad o agua con su entorno, aunque la tasa de intercambio se ve fuertemente afectada por el grado de sellado de la madera.
La madera contiene agua en tres formas:
El contenido de humedad de la madera se calcula como el cambio de masa en proporción a la masa seca, mediante la fórmula (Siau, 1984):
Aquí, la masa verde de la madera, es su masa seca en horno (la consecución de una masa constante generalmente después del secado en un horno a temperatura ambiente).103 ± 2 °C (218 ± 4 °F ) durante 24 horas, como lo menciona Walker et al. , 1993). La ecuación también se puede expresar como una fracción de la masa del agua y la masa de la madera secada al horno en lugar de un porcentaje. Por ejemplo,0,59 kg/kg (base seca al horno) expresa el mismo contenido de humedad que 59% (base seca al horno).
Cuando la madera verde se seca, el agua libre de la luz celular, retenida únicamente por las fuerzas capilares, es la primera en desaparecer. Las propiedades físicas, como la resistencia y la contracción, generalmente no se ven afectadas por la eliminación del agua libre. El punto de saturación de la fibra (PSF) se define como el contenido de humedad en el que el agua libre debería desaparecer por completo, mientras que las paredes celulares están saturadas con agua ligada. En la mayoría de los tipos de madera, el punto de saturación de la fibra se encuentra en un contenido de humedad del 25 al 30%. Siau (1984) informó que el punto de saturación de la fibra (kg/kg) depende de la temperatura T (°C) de acuerdo con la siguiente ecuación:
Keey et al. (2000) utilizan una definición diferente del punto de saturación de la fibra (contenido de humedad de equilibrio de la madera en un entorno de 99% de humedad relativa).
Muchas propiedades de la madera muestran cambios considerables a medida que la madera se seca por debajo del punto de saturación de la fibra, entre ellas:
La madera es una sustancia higroscópica . Tiene la capacidad de absorber o desprender humedad en forma de vapor. El agua contenida en la madera ejerce su propia presión de vapor, que está determinada por el tamaño máximo de los capilares llenos de agua en cualquier momento. Si la presión de vapor de agua en el espacio ambiente es menor que la presión de vapor dentro de la madera, se produce la desorción. Los capilares de mayor tamaño, que están llenos de agua en ese momento, se vacían primero. La presión de vapor dentro de la madera disminuye a medida que el agua se va conteniendo sucesivamente en capilares más pequeños. Finalmente, se llega a una etapa en la que la presión de vapor dentro de la madera es igual a la presión de vapor en el espacio ambiente por encima de la madera y cesa la desorción. La cantidad de humedad que permanece en la madera en esta etapa está en equilibrio con la presión de vapor de agua en el espacio ambiente y se denomina contenido de humedad de equilibrio o CME (Siau, 1984). Debido a su higroscopicidad, la madera tiende a alcanzar un contenido de humedad que está en equilibrio con la humedad relativa y la temperatura del aire circundante.
La EMC de la madera varía significativamente con la humedad relativa ambiental (una función de la temperatura), y en menor grado con la temperatura. Siau (1984) informó que la EMC también varía muy levemente con la especie, el estrés mecánico, el historial de secado de la madera, la densidad, el contenido de extractivos y la dirección de sorción en la que se produce el cambio de humedad (es decir, adsorción o desorción).
La madera conserva sus características higroscópicas después de su uso. A continuación, se ve sometida a fluctuaciones de humedad, factor determinante de su compatibilidad electromagnética. Estas fluctuaciones pueden ser más o menos cíclicas, como los cambios diurnos o los cambios estacionales anuales.
Para minimizar los cambios en el contenido de humedad de la madera o el movimiento de los objetos de madera durante el servicio, la madera suele secarse hasta alcanzar un contenido de humedad cercano a las condiciones de compatibilidad electromagnética promedio a las que estará expuesta. Estas condiciones varían para usos interiores en comparación con usos exteriores en una ubicación geográfica determinada. Por ejemplo, según la Norma australiana para la calidad del secado de la madera (AS/NZS 4787, 2001), se recomienda que la compatibilidad electromagnética sea del 10 al 12 % para la mayoría de los estados australianos, aunque los casos extremos son de hasta el 15 al 18 % para algunos lugares de Queensland, el Territorio del Norte, Australia Occidental y Tasmania. Sin embargo, la compatibilidad electromagnética es tan baja como del 6 al 7 % en casas y oficinas secas con calefacción central o en edificios con aire acondicionado permanente.
La contracción y el hinchamiento pueden ocurrir en la madera cuando se modifica el contenido de humedad (Stamm, 1964). [2] [3] La contracción ocurre cuando el contenido de humedad disminuye, mientras que el hinchamiento ocurre cuando aumenta. El cambio de volumen no es igual en todas las direcciones. El mayor cambio dimensional ocurre en una dirección tangencial a los anillos de crecimiento. La contracción desde la médula hacia afuera, o radialmente, suele ser considerablemente menor que la contracción tangencial, mientras que la contracción longitudinal (a lo largo de la fibra) es tan leve que generalmente se la descuida. La contracción longitudinal es del 0,1% al 0,3%, en contraste con las contracciones transversales, que son del 2% al 10%. La contracción tangencial suele ser aproximadamente el doble de grande que en la dirección radial, aunque en algunas especies es hasta cinco veces mayor. La contracción es de aproximadamente el 5% al 10% en la dirección tangencial y de aproximadamente el 2% al 6% en la dirección radial (Walker et al. , 1993).
La contracción transversal diferencial de la madera está relacionada con:
El secado de la madera puede describirse como el arte de garantizar que los cambios dimensionales brutos por contracción se limiten al proceso de secado. Lo ideal es que la madera se seque hasta alcanzar el contenido de humedad de equilibrio que alcanzará más adelante (en servicio). De este modo, se reducirán al mínimo los cambios dimensionales posteriores.
Es probable que sea imposible eliminar por completo el cambio dimensional de la madera, pero la eliminación del cambio de tamaño puede lograrse mediante una modificación química. Por ejemplo, la madera puede tratarse con productos químicos para reemplazar los grupos hidroxilo con otros grupos funcionales hidrófobos de los agentes modificadores (Stamm, 1964). Entre todos los procesos existentes, la modificación de la madera con anhídrido acético se ha destacado por la alta eficiencia anti-encogimiento o anti-hinchamiento (ASE) alcanzable sin dañar la madera. Sin embargo, la acetilación de la madera ha tardado en comercializarse debido al costo, la corrosión y el atrapamiento del ácido acético en la madera. Existe una gran cantidad de literatura relacionada con la modificación química de la madera (Rowell, 1983, 1991; Kumar, 1994; Haque, 1997).
El secado de la madera es un método para agregar valor a los productos aserrados de las industrias de procesamiento primario de la madera. Según la Corporación Australiana de Investigación y Desarrollo de Productos Forestales y de Madera (FWPRDC), la madera dura verde aserrada, que se vende a unos 350 dólares por metro cúbico o menos, aumenta su valor a 2.000 dólares por metro cúbico o más con el secado y el procesamiento. Sin embargo, los procesos de secado convencionales que se utilizan actualmente a menudo dan lugar a importantes problemas de calidad debido a grietas, tanto externas como internas, que reducen el valor del producto. Por ejemplo, en Queensland (Anon, 1997), suponiendo que el 10% de la madera blanda seca se devalúa en 200 dólares por metro cúbico debido a defectos de secado, los aserraderos están perdiendo alrededor de 5 millones de dólares al año. En Australia, la pérdida podría ser de 40 millones de dólares al año para la madera blanda y una cantidad igual o superior para la madera dura. Por lo tanto, el secado adecuado en condiciones controladas antes del uso es de gran importancia para el uso de la madera, en países donde las condiciones climáticas varían considerablemente en diferentes épocas del año. [ cita requerida ]
El secado, si se realiza inmediatamente después de la tala de los árboles, también protege la madera contra la descomposición primaria, las manchas de hongos y el ataque de ciertos tipos de insectos. Los organismos que causan la descomposición y las manchas generalmente no pueden prosperar en madera con un contenido de humedad inferior al 20 %. Varias plagas de insectos, aunque no todas, pueden vivir solo en madera verde.
Además de las ventajas mencionadas anteriormente del secado de la madera, también son importantes los siguientes puntos (Walker et al. , 1993; Desch y Dinwoodie, 1996):
El secado rápido de la madera inmediatamente después de la tala mejora y añade valor a la madera en bruto. El secado permite un ahorro sustancial a largo plazo al racionalizar el uso de los recursos madereros. El secado de la madera es, por tanto, un área de investigación y desarrollo que preocupa a muchos investigadores y empresas madereras de todo el mundo.
El agua de la madera normalmente se desplaza desde zonas con mayor contenido de humedad a zonas con menor contenido de humedad (Walker et al. , 1993). El secado comienza desde el exterior de la madera y avanza hacia el centro, y el secado en el exterior también es necesario para expulsar la humedad de las zonas internas de la madera. Posteriormente, la madera alcanza el equilibrio con el aire circundante en cuanto a contenido de humedad.
La fuerza impulsora del movimiento de la humedad es el potencial químico. Sin embargo, no siempre es fácil relacionar el potencial químico de la madera con variables comúnmente observables, como la temperatura y el contenido de humedad (Keey et al. , 2000). La humedad de la madera se mueve dentro de la madera como líquido o vapor a través de varios tipos de pasajes, según la naturaleza de la fuerza impulsora (por ejemplo, la presión o el gradiente de humedad) y las variaciones en la estructura de la madera (Langrish y Walker, 1993), como se explica en la siguiente sección sobre las fuerzas impulsoras del movimiento de la humedad. Estas vías consisten en cavidades de los vasos, fibras, células radiales, cámaras de punteaduras y sus aberturas de membrana de punteadura, espacios intercelulares y pasajes transitorios de la pared celular.
El movimiento del agua se produce en estos pasajes en cualquier dirección, longitudinalmente en las células, así como lateralmente de célula a célula hasta que alcanza las superficies laterales de secado de la madera. La mayor permeabilidad longitudinal de la albura de las maderas duras se debe generalmente a la presencia de vasos. La permeabilidad lateral y el flujo transversal son a menudo muy bajos en las maderas duras. Los vasos de las maderas duras a veces están bloqueados por la presencia de tílides y/o por la secreción de gomas y resinas en algunas otras especies, como se mencionó anteriormente. La presencia de vetas de goma, cuya formación es a menudo el resultado de la respuesta protectora natural de los árboles a las lesiones, se observa comúnmente en la superficie de las tablas aserradas de la mayoría de los eucaliptos. A pesar de la fracción de volumen generalmente más alta de rayos en las maderas duras (normalmente el 15% del volumen de la madera), los rayos no son particularmente eficaces en el flujo radial, ni tampoco lo son las picaduras en las superficies radiales de las fibras en el flujo tangencial (Langrish y Walker, 1993).
El espacio disponible para el aire y la humedad en la madera depende de la densidad y la porosidad de la madera. La porosidad es la fracción de volumen del espacio vacío en un sólido. Se informa que la porosidad es del 1,2 al 4,6% del volumen seco de la pared celular de la madera (Siau, 1984). Por otro lado, la permeabilidad es una medida de la facilidad con la que los fluidos se transportan a través de un sólido poroso bajo la influencia de algunas fuerzas impulsoras, por ejemplo, gradiente de presión capilar o gradiente de humedad. Está claro que los sólidos deben ser porosos para ser permeables, pero no necesariamente se sigue que todos los cuerpos porosos sean permeables. La permeabilidad solo puede existir si los espacios vacíos están interconectados por aberturas. Por ejemplo, una madera dura puede ser permeable porque hay picaduras intervasculares con aberturas en las membranas (Keey et al. , 2000). Si estas membranas están ocluidas o incrustadas, o si las picaduras son aspiradas, la madera asume una estructura de celda cerrada y puede ser virtualmente impermeable. La densidad también es importante para las maderas duras impermeables porque se atraviesa más material de la pared celular por unidad de distancia, lo que ofrece una mayor resistencia a la difusión (Keey et al. , 2000). Por lo tanto, las maderas más ligeras, en general, se secan más rápidamente que las más pesadas. El transporte de fluidos es a menudo un flujo masivo (transferencia de momento) para las maderas blandas permeables a alta temperatura, mientras que la difusión ocurre para las maderas duras impermeables (Siau, 1984). Estos mecanismos se analizan a continuación.
Las tres fuerzas impulsoras principales que se utilizan en las diferentes versiones de los modelos de difusión son el contenido de humedad, la presión parcial del vapor de agua y el potencial químico del agua (Skaar, 1988; Keey et al. , 2000). Estas se analizan aquí, incluida la acción capilar, que es un mecanismo para el transporte libre de agua en maderas blandas permeables. La diferencia de presión total es la fuerza impulsora durante el secado al vacío de la madera.
Las fuerzas capilares determinan los movimientos (o la ausencia de movimiento) del agua libre. Se deben tanto a la adhesión como a la cohesión. La adhesión es la atracción entre el agua y otras sustancias y la cohesión es la atracción de las moléculas del agua entre sí.
A medida que la madera se seca, la evaporación del agua de la superficie genera fuerzas capilares que ejercen una atracción sobre el agua libre en las zonas de madera debajo de la superficie. Cuando ya no hay agua libre en la madera, las fuerzas capilares ya no tienen importancia.
El potencial químico se explica aquí ya que es la verdadera fuerza impulsora para el transporte de agua tanto en fase líquida como de vapor en la madera (Siau, 1984). La energía libre de Gibbs por mol de sustancia se expresa generalmente como el potencial químico de esa sustancia (Skaar, 1933). El potencial químico del agua en aire no saturado o madera por debajo del punto de saturación de la fibra influye en el secado de la madera. El equilibrio se producirá en el contenido de humedad de equilibrio (como se definió anteriormente) de la madera cuando el potencial químico del agua en la madera se vuelve igual al del aire circundante. El potencial químico del agua absorbida es una función del contenido de humedad de la madera. Por lo tanto, un gradiente de contenido de humedad de la madera (entre la superficie y el centro), o más específicamente de actividad del agua , va acompañado de un gradiente de potencial químico en condiciones isotérmicas. La humedad se redistribuirá por toda la madera hasta que su potencial químico sea uniforme en toda ella, lo que da como resultado un gradiente de potencial cero en el equilibrio (Skaar, 1988). Se supone que el flujo de humedad que intenta alcanzar el estado de equilibrio es proporcional a la diferencia en su potencial químico e inversamente proporcional a la longitud del camino sobre el cual actúa la diferencia de potencial (Keey et al. , 2000).
El gradiente del potencial químico está relacionado con el gradiente del contenido de humedad, como se explica en las ecuaciones anteriores (Keey et al. , 2000). El modelo de difusión que utiliza el gradiente del contenido de humedad como fuerza impulsora fue aplicado con éxito por Wu (1989) y Doe et al. (1994). Aunque la concordancia entre los perfiles de contenido de humedad predichos por el modelo de difusión basado en gradientes de contenido de humedad es mejor en contenidos de humedad más bajos que en los más altos, no hay evidencia que sugiera que existan mecanismos de transporte de humedad significativamente diferentes que operen en contenidos de humedad más altos para esta madera. Sus observaciones son consistentes con un proceso de transporte que es impulsado por la concentración total de agua. El modelo de difusión se utiliza aquí con base en esta evidencia empírica de que el gradiente del contenido de humedad es una fuerza impulsora para el secado de este tipo de madera impermeable.
Las diferencias en el contenido de humedad entre la superficie y el centro (gradiente, la diferencia de potencial químico entre la interfaz y el volumen) mueven el agua ligada a través de los pequeños pasajes en la pared celular por difusión. En comparación con el movimiento capilar, la difusión es un proceso lento. La difusión es el mecanismo generalmente sugerido para el secado de maderas duras impermeables (Keey et al. , 2000). Además, la humedad migra lentamente debido al hecho de que los extractos taponan las pequeñas aberturas de la pared celular en el duramen. Esta es la razón por la que la albura generalmente se seca más rápido que el duramen en las mismas condiciones de secado.
Se ha informado de que la relación entre las tasas de difusión longitudinal y transversal (radial y tangencial) de la madera varía de aproximadamente 100 con un contenido de humedad del 5%, a 2-4 con un contenido de humedad del 25% (Langrish y Walker, 1993). La difusión radial es algo más rápida que la difusión tangencial. Aunque la difusión longitudinal es la más rápida, sólo tiene importancia práctica cuando se secan piezas cortas. Por lo general, las tablas de madera son mucho más largas que anchas o gruesas. Por ejemplo, un tamaño típico de una tabla verde utilizada para esta investigación fue de 6 m de largo, 250 mm de ancho y 43 mm de espesor. Si las tablas están cortadas en cuartos, entonces el ancho estará en la dirección radial mientras que el espesor estará en la dirección tangencial, y viceversa para las tablas cortadas en forma simple. La mayor parte de la humedad se elimina de la madera mediante el movimiento lateral durante el secado.
La principal dificultad que se presenta en el secado de la madera es la tendencia de sus capas externas a secarse más rápidamente que las internas. Si se permite que estas capas se sequen mucho por debajo del punto de saturación de la fibra mientras que el interior todavía está saturado, se generan tensiones (denominadas tensiones de secado) porque la contracción de las capas externas se ve restringida por el interior húmedo (Keey et al. , 2000). Se producen roturas en los tejidos de la madera y, en consecuencia, grietas y rajaduras si estas tensiones transversales a la fibra superan la resistencia transversal a la fibra (unión fibra con fibra).
El control exitoso de los defectos de secado en un proceso de secado consiste en mantener un equilibrio entre la velocidad de evaporación de la humedad de la superficie y la velocidad de movimiento de salida de la humedad desde el interior de la madera. A continuación se explicará la forma en que se puede controlar el secado. Una de las formas más exitosas de secar o curar la madera sería el secado en horno, donde la madera se coloca en un compartimento del horno en pilas y se seca al vapor, y se libera el vapor lentamente.
Las condiciones externas de secado (temperatura, humedad relativa y velocidad del aire) controlan las condiciones límite externas para el secado y, por lo tanto, la velocidad de secado, además de afectar la velocidad de movimiento de la humedad interna. La velocidad de secado se ve afectada por las condiciones externas de secado (Walker et al. , 1993; Keey et al. , 2000), como se describirá a continuación.
Las maderas se clasifican de la siguiente manera según su facilidad de secado y su tendencia a degradarse por secado:
La velocidad a la que se seca la madera depende de varios factores, de los cuales los más importantes son la temperatura, las dimensiones de la madera y la humedad relativa. Simpson y Tschernitz [4] han desarrollado un modelo simple de secado de la madera en función de estas tres variables. Aunque el análisis se realizó para el roble rojo, el procedimiento se puede aplicar a cualquier especie de madera ajustando los parámetros constantes del modelo.
En pocas palabras, el modelo supone que la tasa de cambio del contenido de humedad M con respecto al tiempo t es proporcional a qué tan lejos está la muestra de madera de su contenido de humedad de equilibrio , que es una función de la temperatura T y la humedad relativa h :
donde es una función de la temperatura T y una dimensión típica de la madera L y tiene unidades de tiempo. La dimensión típica de la madera es aproximadamente el valor más pequeño de ( ) que son las dimensiones radial, tangencial y longitudinal respectivamente, en pulgadas, con la dimensión longitudinal dividida por diez porque el agua se difunde aproximadamente 10 veces más rápido en la dirección longitudinal (a lo largo de la fibra) que en las dimensiones laterales. La solución a la ecuación anterior es:
¿Dónde está el contenido de humedad inicial? Se descubrió que, para la madera de roble rojo, la "constante de tiempo" se expresaba correctamente como:
donde a , b y n son constantes y es la presión de vapor de saturación del agua a la temperatura T. Para el tiempo medido en días, la longitud en pulgadas y medida en mmHg, se encontraron los siguientes valores de las constantes para la madera de roble rojo.
Resolviendo el tiempo de secado obtenemos:
Por ejemplo, a 150 °F, utilizando la ecuación de Arden Buck , se encuentra que la presión de vapor de saturación del agua es de aproximadamente 192 mmHg (25,6 kPa). La constante de tiempo para secar una tabla de roble rojo de 1 pulgada de espesor (25 mm) a 150 °F es entonces días, que es el tiempo requerido para reducir el contenido de humedad a 1/e = 37% de su desviación inicial del equilibrio. Si la humedad relativa es 0,50, entonces utilizando la ecuación de Hailwood-Horrobin el contenido de humedad de la madera en equilibrio es de aproximadamente 7,4%. El tiempo para reducir la madera del 85% al 25% de contenido de humedad es entonces de aproximadamente 4,5 días. Las temperaturas más altas producirán tiempos de secado más rápidos, pero también crearán mayores tensiones en la madera debido a que el gradiente de humedad será mayor. Para la leña, esto no es un problema, pero para fines de carpintería, las altas tensiones harán que la madera se agriete y quede inutilizable. Los tiempos normales de secado para obtener grietas mínimas en el curado en madera de roble rojo de 25 mm (1 pulgada o 4/4) varían de 22 a 30 días, y en 8/4 (50 mm o 2 pulgadas) variarán de 65 a 90 días.
En términos generales, existen dos métodos mediante los cuales se puede secar la madera:
El secado al aire es el secado de la madera mediante su exposición al aire. La técnica del secado al aire consiste principalmente en apilar la madera aserrada (con las capas de tablas separadas por listones) sobre cimientos elevados, en un lugar limpio, fresco, seco y sombreado. La velocidad de secado depende en gran medida de las condiciones climáticas y del movimiento del aire (exposición al viento). Para que el secado al aire tenga éxito, es necesario disponer un flujo de aire continuo y uniforme a lo largo de la pila de madera (Desch y Dinwoodie, 1996).
La velocidad de pérdida de humedad se puede controlar recubriendo las tablas con cualquier sustancia que sea relativamente impermeable a la humedad; el aceite mineral común suele ser bastante eficaz. Recubrir los extremos de los troncos con aceite o pintura espesa mejora su calidad al secarse. Envolver las tablas o los troncos con materiales que permitan cierto movimiento de la humedad suele funcionar muy bien, siempre que la madera se trate primero contra las infecciones por hongos cubriéndola con gasolina o aceite. El aceite mineral generalmente no se absorbe más de 1 o 2 mm por debajo de la superficie y se elimina fácilmente cepillando cuando la madera está adecuadamente seca.
El proceso de secado artificial o en horno consiste básicamente en introducir calor, que puede conseguirse directamente, mediante gas natural y/o electricidad, o indirectamente, mediante intercambiadores de calor calentados con vapor. También es posible utilizar energía solar. En el proceso, el control deliberado de la temperatura, la humedad relativa y la circulación del aire crea condiciones variables para conseguir perfiles de secado específicos. Para ello, la madera se apila en cámaras dotadas de equipos para controlar la temperatura atmosférica, la humedad relativa y la velocidad de circulación (Walker et al., 1993; Desch y Dinwoodie, 1996).
El secado en cámara ofrece un medio para superar las limitaciones impuestas por las condiciones climáticas erráticas. En el caso del secado en horno, al igual que en el del secado al aire, se utiliza aire no saturado como medio de secado. Casi todas las maderas comerciales del mundo se secan en hornos industriales. A continuación se ofrece una comparación entre el secado al aire, el secado en horno convencional y el secado solar:
Entre las ventajas más importantes del secado en horno convencional se incluyen un mayor rendimiento y un mejor control del contenido de humedad final. Tanto los hornos convencionales como el secado solar permiten secar la madera hasta alcanzar cualquier contenido de humedad, independientemente de las condiciones climáticas. Para la mayoría de las operaciones de secado a gran escala, el secado solar y el secado en horno convencional son más eficientes que el secado al aire.
Los hornos de compartimentos son los más utilizados en las empresas madereras. Un horno de compartimentos se llena con un lote estático de madera a través del cual circula aire. En este tipo de hornos, la madera permanece estacionaria. Las condiciones de secado varían sucesivamente según el tipo de madera que se esté secando. Este método de secado se adapta bien a las necesidades de las empresas madereras, que tienen que secar maderas de diversas especies y espesores, incluidas las maderas duras refractarias que son más propensas que otras especies a agrietarse y rajarse.
Los elementos principales del secado en cámara son:
Durante todo el proceso, es necesario mantener un control estricto del contenido de humedad mediante un sistema de medidor de humedad para reducir el secado excesivo y permitir que los operadores sepan cuándo retirar la carga. Preferentemente, este medidor de humedad en el horno tendrá una función de apagado automático.
Generalmente, un secado satisfactorio en horno se puede lograr regulando la temperatura y la humedad del aire circulante para controlar el contenido de humedad de la madera en un momento dado. Esta condición se logra aplicando programas de secado en horno. El objetivo deseado de un programa apropiado es asegurar el secado de la madera a la velocidad más rápida posible sin causar una degradación inaceptable. Los siguientes factores tienen una influencia considerable en los programas.
Si se tienen en cuenta todos los factores, no existe un programa de secado que sea necesariamente el adecuado, ni siquiera para cargas similares de la misma especie. Por eso, hay tanta investigación sobre el secado de la madera centrada en el desarrollo de programas de secado eficaces.
Una cámara de deshumidificación puede ser un sistema sin ventilación (circuito cerrado) o un sistema parcialmente ventilado que utiliza una bomba de calor para condensar la humedad del aire utilizando el lado frío del proceso de refrigeración (evaporador). El calor así recogido se envía al lado caliente del proceso de refrigeración (condensador) para recalentar el aire y devuelve este aire más seco y cálido al interior del horno. Los ventiladores soplan el aire a través de las pilas como en un horno normal. Estos hornos tradicionalmente funcionan entre 100 °F y 160 °F y utilizan aproximadamente la mitad de la energía de un horno convencional. [5]
Estos hornos pueden ser los más rápidos en secar y los más eficientes en el uso de energía. En el vacío, el agua hierve a una temperatura más baja. Además de una mayor velocidad, un horno de vacío también puede producir una mejor calidad en la madera.
La baja presión ambiental reduce el punto de ebullición del agua, pero la cantidad de energía necesaria para convertir el líquido en vapor es la misma. Los ahorros se deben a que no es necesario calentar un edificio enorme ni ventilar el calor mientras se reduce la humedad.
Dado que toda el agua libre se puede eliminar a temperaturas inferiores a 115 °F, se mejora la calidad.
Mientras que el secado convencional utiliza aire caliente y seco para eliminar el agua de la superficie, los hornos de vacío pueden hervir el agua del interior de la madera. Esto permite que un buen horno de vacío seque madera muy gruesa muy rápidamente. Es posible secar roble rojo 12/4 recién salido de la sierra al 7 % en 11 días.
Como la madera se seca con un gradiente de vapor (presión de vapor a presión ambiental), la humedad se puede mantener muy alta. Por eso, un buen horno de vacío puede secar roble blanco de 4,5" de espesor recién sacado de la sierra al 8 % en menos de un mes, una hazaña que antes se creía imposible.
Un horno solar es una combinación entre el secado en horno y el secado al aire. Estos hornos suelen ser un invernadero con un ventilador de alta temperatura y respiraderos o un sistema de condensación. Los hornos solares son más lentos y variables debido al clima, pero son de bajo costo. [5]
La inmersión en agua corriente elimina rápidamente la savia y luego la madera se seca al aire. "... reduce la elasticidad y durabilidad de la madera y también la vuelve quebradiza". [6] Pero hay perspectivas en competencia, por ejemplo, "Duhamel, quien hizo muchos experimentos sobre este importante tema, afirma que la madera para uso de carpintero se pone mejor en agua durante algún tiempo y luego se seca; ya que hace que la madera sea menos propensa a deformarse y agrietarse al secarse; pero, agrega, 'donde se requiere resistencia no debe ponerse en agua'". [7]
La inmersión en agua hirviendo o la aplicación de vapor aceleran el secado de la madera. Se dice que este método provoca menos encogimiento "... pero es costoso de utilizar y reduce la resistencia y elasticidad de la madera". [8]
El curado con sal consiste en sumergir la madera en una solución de urea y nitrato de sodio, que actúan como agentes deshidratantes. Luego, la madera se seca al aire. [9]
El secado eléctrico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por la madera, lo que genera calor y la seca. Este método es caro, pero rápido y de calidad uniforme. [9]
La liofilización se logra reduciendo la presión en una cámara que contiene la madera a unos pocos milibares, mientras que la temperatura de la cámara se reduce por debajo del punto eutéctico del material. El calor se agrega típicamente lentamente al material para permitir que el agua contenida en la madera se sublime directamente en vapor y se deposite en los lados de la cámara de vacío o en la trampa de frío a través de la cual se evacúa la cámara. La liofilización por sublimación generalmente requiere aproximadamente diez veces la energía que se requiere a través de la evaporación del agua por calor. En la práctica, la liofilización de la madera se puede lograr colocando madera a temperatura ambiente en una cámara de vacío que se puede enfriar a -30 grados C o menos, evacuando la cámara a unos pocos milibares y al mismo tiempo enfriando la cámara a una temperatura de congelación. El calor latente del hielo en la madera saldrá a través del vapor de agua, que se condensará como hielo en el interior de la cámara. Después de unas horas en condiciones de vacío y congelación, la cámara vuelve a la presión normal, se retira la madera y se envasa en plástico para evitar que se condense agua sobre ella, y se deja que vuelva a la temperatura ambiente durante unas horas o un día. A continuación, se repite el ciclo, cada vez que se elimina el calor latente de la madera a través del contenido de agua en la madera que se sublima y/o se evapora y se condensa en los lados del contenedor y en la trampa de frío. Los ciclos se repiten hasta que el contenido de humedad de la madera alcanza un nivel aceptable predeterminado. En lugar de hacer un ciclo de la madera en la cámara, se puede añadir calor a la madera a una velocidad que coincida con la velocidad de sublimación del hielo en la madera a vapor de agua, que se deposita en el interior de la cámara o en la trampa de frío. Una ventaja de la liofilización de la madera es que se mantiene la forma de la madera y no suele producirse encogimiento. El encogimiento se producirá con el tiempo después de que la madera se liofilice, pero esto normalmente no provocará defectos en la madera.
Los defectos de secado son la forma más común de degradación de la madera, junto con problemas naturales como los nudos (Desch y Dinwoodie, 1996). Existen dos tipos de defectos de secado, aunque algunos defectos implican ambas causas:
Las organizaciones de normalización de Australia y Nueva Zelanda (AS/NZS 4787, 2001) han desarrollado una norma para la calidad de la madera. Las cinco medidas de la calidad del secado incluyen:
Hoy en día existen diversas tecnologías de hornos de secado de madera: convencional, deshumidificación, solar, de vacío y de radiofrecuencia.
Los hornos de secado de madera convencionales (Rasmussen, 1988) son de construcción de tipo paquete (cargador lateral) o de tipo oruga (tranvía). La mayoría de los hornos de madera dura son hornos de carga lateral en los que se utilizan carretillas elevadoras para cargar los paquetes de madera en el horno. La mayoría de los hornos de madera blanda son de tipo oruga en los que los paquetes de madera se cargan en vagones de horno/oruga para cargar el horno.
Los hornos convencionales modernos de alta temperatura y alta velocidad del aire pueden secar madera verde de 25 mm de espesor en 10 horas hasta alcanzar un contenido de humedad del 18 %. Sin embargo, el roble rojo verde de 25 mm de espesor requiere aproximadamente 28 días para secarse hasta alcanzar un contenido de humedad del 8 %.
El calor se introduce normalmente a través de vapor que pasa por intercambiadores de calor de aletas/tubos controlados por válvulas neumáticas de encendido/apagado. Menos comunes son las válvulas neumáticas proporcionales o incluso varios actuadores eléctricos. La humedad se elimina a través de un sistema de respiraderos, cuya disposición específica suele ser particular de un fabricante determinado. En general, el aire seco y frío se introduce en un extremo del horno mientras que el aire húmedo y cálido se expulsa en el otro. Los hornos convencionales de madera dura también requieren la introducción de humedad a través de sistemas de pulverización de vapor o de nebulización de agua fría para evitar que la humedad relativa dentro del horno baje demasiado durante el ciclo de secado. Las direcciones de los ventiladores normalmente se invierten periódicamente para garantizar un secado uniforme de cargas de horno más grandes.
La mayoría de los hornos para madera blanda funcionan a temperaturas inferiores a 115 °C (239 °F). Los programas de secado en hornos para madera dura suelen mantener la temperatura del bulbo seco por debajo de los 80 °C (176 °F). Las especies difíciles de secar no pueden superar los 60 °C (140 °F).
Los hornos de deshumidificación son muy similares a los hornos convencionales en cuanto a su construcción básica. Los tiempos de secado suelen ser comparables. El calor se suministra principalmente mediante una unidad de deshumidificación integrada que también sirve para eliminar la humedad. A menudo se proporciona calor auxiliar al principio del programa cuando el calor necesario puede superar el calor generado por la unidad de deshumidificación.
Los hornos solares son hornos convencionales, generalmente construidos por aficionados para mantener bajos los costos de inversión inicial. El calor se genera a través de la radiación solar, mientras que la circulación de aire interna suele ser pasiva.
En 1949, una empresa de Chicago introdujo un horno de secado de madera que utilizaba lámparas infrarrojas que, según afirmaban, reducían el tiempo de secado estándar de 14 días a 45 minutos. [10]
Las tecnologías más nuevas de secado de madera han incluido el uso de presión atmosférica reducida para intentar acelerar el proceso de secado. Existe una variedad de tecnologías de vacío, que varían principalmente en el método por el cual se introduce calor en la carga de madera. Los hornos de vacío con placas de agua caliente utilizan placas de calentamiento de aluminio con agua circulando en su interior como fuente de calor y, por lo general, funcionan a una presión absoluta significativamente reducida. Los hornos discontinuos y SSV (vapor sobrecalentado) utilizan la atmósfera para introducir calor en la carga del horno. La tecnología discontinua permite que toda la carga del horno alcance la presión atmosférica completa, luego se calienta el aire en la cámara y, finalmente, se hace el vacío. Los SSV funcionan a atmósferas parciales (generalmente alrededor de 1/3 de la presión atmosférica completa) en un híbrido de tecnología de vacío y horno convencional (los hornos SSV son significativamente más populares en Europa, donde la madera cosechada localmente es más fácil de secar que las especies que se encuentran en América del Norte). Los hornos RF/V (radiofrecuencia + vacío) utilizan radiación de microondas para calentar la carga del horno y normalmente tienen el costo operativo más alto debido a que el calor de vaporización lo proporciona la electricidad en lugar de fuentes locales de combustibles fósiles o desechos de madera.
Los estudios económicos válidos de las diferentes tecnologías de secado de la madera se basan en los costos totales de energía, capital, seguros/riesgos, impactos ambientales, mano de obra, mantenimiento y degradación del producto para la tarea de eliminar el agua de la fibra de madera. Estos costos (que pueden ser una parte significativa de los costos totales de la planta) involucran el impacto diferencial de la presencia de equipos de secado en una planta específica. Un ejemplo de esto es que cada pieza de equipo (en una planta de fabricación de madera) desde la desmalezadora en verde hasta el sistema de alimentación en el aserradero de cepillado es el "sistema de secado". Dado que existen miles de tipos diferentes de plantas de fabricación de productos de madera en todo el mundo, y pueden estar integradas (madera, madera contrachapada, papel, etc.) o ser independientes (solo madera), los costos reales del sistema de secado solo se pueden determinar al comparar los costos totales de la planta y los riesgos con y sin secado.
Las emisiones totales (nocivas) al aire que producen los hornos de leña, incluida su fuente de calor, pueden ser significativas. Por lo general, cuanto más alta sea la temperatura a la que funciona el horno, mayor será la cantidad de emisiones que se producen (por libra de agua extraída). Esto es especialmente cierto en el secado de chapas finas y el secado a alta temperatura de maderas blandas.
1910.265(f)(3)(i)(a): Las puertas principales del horno deberán estar provistas de un método para mantenerlas abiertas mientras se carga el horno.
1910.265(f)(3)(i)(b): Los contrapesos en las puertas de elevación verticales deberán estar encajonados o protegidos de alguna otra manera.
1910.265(f)(3)(i)(c): Se deberán proporcionar medios adecuados para asegurar firmemente las puertas principales, cuando estén desenganchadas de los soportes y colgadores, para evitar que se caigan.
1910.265(f)(3)(ii)(a): Si los procedimientos operativos requieren acceso a los hornos, los hornos deberán estar provistos de puertas de escape que funcionen fácilmente desde el interior, giren en la dirección de salida y estén ubicadas en la puerta principal o cerca de ella al final del pasillo.
1910.265(f)(3)(ii)(b): Las puertas de escape deberán tener la altura y el ancho adecuados para acomodar a un hombre de tamaño promedio.
1910.265(f)(4): Pozos . Los pozos deberán estar bien ventilados, drenados e iluminados, y deberán ser lo suficientemente grandes como para acomodar de manera segura al operador del horno junto con los dispositivos operativos, tales como válvulas, compuertas, varillas de compuertas y trampas. [11]
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