proyecto de transfer

8/19/2019 Proyecto de Transfer

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

“OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UN HORNO PARA ELSECADO DE MADERA”

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICAPRESENTA:

ING. JOSÉ ALBERTO ROSAS TORRES

DIRECTOR DE TESIS:DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA

CODIRECTOR DE TESIS:

M. en C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA

México D.F. Octubre de 2006


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ÍNDICE

SECCIÓN Pág.

ÍNDICE…………………………………………………………………………………………………………………………. IRELACIÓN DE FIGURAS……………………………………………………………………………………………… V

RELACIÓN DE TABLAS……………………………………………………………………………………………….. VII

GLOSARIO…………………………………………………………………………………………………………………… VIII

SIMBOLOGÍA……………………………………………………………………………………………………………….. X

RESUMEN……………………………………………………………………………………………………………………… XII

ABSTRACT …………………………………………………………………………………………………………………… XIII

OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………….. XIV

JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………………………………………… XV

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………………….. XVI

CAPÍTULO I. GENERALIDADES

1.1 Fundamentos termodinámicos……………………………………………………………………………… 1

1.1.1 Transferencia de calor………………………………………………………………………………… 1

1.1.1.1 Conducción……………………………………………………………………………………. 2

1.1.1.2 Convección……………………………………………………………………………………. 31.1.1.3 Radiación………………………………………………………………………………………. 5

1.1.1.4 Calentamiento………………………………………………………………………………. 5

1.1.2 Flujos en tuberías……………………………………………………………………………………….. 6

1.1.2.1 Flujo laminar y turbulento……………………………………………………………. 8

1.1.2.2 Región de entrada y longitud de entrada……………………………………. 9

1.1.2.3 Cámaras de mezcla………………………………………………………………………. 10

1.2 Características físicas del tronco y cortes de la madera…………………………………….. 11

1.3 Principales propiedades que influyen en la relación madera – agua…………………. 13

1.3.1 Humedad de la madera………………………………………………………………………………. 13

1.3.2 Determinación de la humedad en la madera …………………………………………… 14

1.3.3 Movimiento del agua en la madera ………………………………………………………….. 15

Referencias………………………………………………………………………………………………………………….. 16

I


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CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO DEL SECADO

2.1 Factores que influyen en el secado……………………………………………………………. ……….. 17

2.1.1 La velocidad del aire……………………………………………………………………………………. 17

2.1.2 Humedad relativa del aire…………………………………………………………………. ……….. 17

2.1.3 La temperatura………………………………………………………………………………….. ……….. 17

2.2 Proceso del secado…………………………………………………………………………………….. ……….. 18

2.2.1 Secado natural al aire……………………………………………………………………….. ……….. 18

2.2.2 Secado artificial de la madera…………………………………………………………… ……….. 19

2.2.3 Clases de secado…………………………………………………………………………………………. 22

2.2.3.1 Secado a temperatura normal………………………………………………………. 22

2.2.3.2 Secado a baja temperatura…………………………………………………. ……….. 22

2.2.3.3 Secado a alta temperatura……………………………………………………………. 22

2.2.3.4 Secado por alta frecuencia………………………………………………….. ……….. 23

2.2.3.5 Secado por rayos infrarrojos………………………………………………. ……….. 23

2.2.3.6 Secado químico……………………………………………………………………. ……….. 23

2.3 Defectos del secado de la madera……………………………………………………………… ……….. 23

2.3.1 Agrietamientos o Rajaduras………………………………………………………………. ……….. 24

2.3.2 Cambios de color……………………………………………………………………………….. ……….. 25

2.3.3 Colapsos……………………………………………………………………………………………… ……….. 252.3.3.1 Causas del colapso en la madera………………………………………… ……….. 26

2.3.4 Deformaciones…………………………………………………………………………………… ……….. 27

2.3.4.1 Torceduras y Alabeos……………………………………………………………. ……….. 27

2.4 Defectos causados por otros factores………………………………………………………… ……….. 28

2.4.1. Defectos por infección de hongos e insectos…………………………………… ……….. 28

2.4.2 Manchas químicas………………………………………………………………………….... ……….. 29

Referencias………………………………………………………………………………………………………… ……….. 30

CAPÍTULO III. ANÁLISIS FUNCIONAL

3.1 Metodología del diseño conceptual …………………………………………………………… ……….. 31

3.1.1 Diseño conceptual……………………………………………………………………………… ……….. 32

3.1.2 Determinación de los requerimientos………………………………………………. ……….. 32

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3.1.3 Modelo funcional……………………………………………………………………………………… ……….. 33

3.1.4 Función global de servicio…………………………………………………………………. ……….. 33

3.1.5 Límites del producto………………………………………………………………………….. ……….. 343.2 Análisis funcional descendente…………………………………………………………………… ……….. 38

3.3 Generación de conceptos……………………………………………………………………………………… 41

3.3.1 Lluvia de ideas…………………………………………………………………………………………….. 41

3.4 Evaluación de conceptos………………………………………………………………………………………. 47

3.4.1 Matriz morfológica……………………………………………………………………………… ……….. 51

Referencias………………………………………………………………………………………………………………….. 53

CAPÍTULO IV. DISEÑO DETALLADO

4.1 Memoria de cálculo…………………………………………………………………………………….. ……….. 54

4.1.1 Normas de diseño……………………………………………………………………………… ……….. 54

4.1.2 Condiciones de diseño ……………………………………………………………………… ……….. 55

4.1.3 Proceso de diseño para optimización de un horno de secado

de madera…………………………………………………………………………………………. ……….. 56

4.2 Determinación de los coeficientes de transmisión de calor …………………….. ……….. 56

4.3 Cálculo de áreas...................................................................................... 584.3.1 Cantidades de aire.................................................................. ........ 59

4.4 Cálculo de pérdidas de calor ……………………………………………………………………… ……….. 60

4.4.1 Cálculo del calor necesario para el cambio de temperatura……….…………… 64

4.5 Cálculo de caída de presión....................................................................... 66

4.5.1 Ductulación ……………………………………………………………………………………………….. 71

4.5.2 Presión estática externa ……………………………………………………………………………. 71

4.6 Selección equipo…………………………………………………………………………………………………… 71

4.6.1 Ventiladores……………………………………………………………………………………………….. 72

4.6.2 Quemadores……………………………………………………………………………………………….. 72

4.6.3 Termostatos……………………………………………………………………………………………….. 73

4.7 Dibujo de conjunto ………………………………………………………………………………………………. 73

Referencias………………………………………………………………………………………………………………….. 76

III


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CAPÍTULO V. PRUEBAS EXPERIMENTALES

5.1 Pruebas preliminares en hornos convencionales………………………………………………… 77

5.2 Pruebas en prototipo……………………………………………………………………………………………. 78

5.3 Desarrollo del proceso de secado……………………………………………………………… ………. 85

5.3.1 Selección de la madera………………………………………………………………………………. 85

5.3.2 Apilado y cargado del horno……………………………………………………………………….. 85

5.3.3 Calentamiento del horno…………………………………………………………………………….. 87

5.3.4 Deshumidificación de la madera…………………………………………………………………. 87

5.3.5 Tratamiento de igualación o equilibrado…………………………………………………… 87

5.3.6 Tratamiento de Acondicionado……………………………………………………………………. 88

5.3.7 Descarga del horno………………………………………………………………………………………. 88

5.4 Corte de muestras para pruebas de secado………………………………………………………… 88

5.4.1 Pruebas de tensiones, contenido de humedad y su distribución

en la madera……………………………………………………………………………………………….. 89

Referencias………………………………………………………………………………………………………… ……….. 90

CAPÍTULO VI. RESULTADOS

6.1 Resultado de los cálculos matemáticos……………………………………………………………….. 91

6.2 Resultados de los diseños…………………………………………………………………………………….. 91

6.3 Resultados de los experimentos………………………………………………………………………….. 93

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………………….. 94

ANEXOS …………………………………………………………………………………………………………. 95

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RELACIÓN DE FIGURAS

Capítulo I Pág.Figura 1.1 Medios de transmisión del calor……………………………………………………………… 1

Figura 1.2 Coeficientes de conductividad térmica…………………………………………………… 3Figura 1.3 Convección natural y forzada…………………………………………………………………. 4Figura 1.4 Velocidad promedio………………………………………………………………………………… 7Figura 1.5 Regiones de entrada y desarrollo hidrodinámico………………………………….. 9Figura 1.6 Una tubería en T sirve como cámara para mezclar agua

caliente y fría…………………………………………………………………………………………… 10Figura 1.7 Diagrama esquemático de una cámara de mezcla………………………………… 11Figura 1.8 Partes principales del tronco………………………………………………………… ……….. 12Figura 1.9 Cortes de la madera……………………………………………………………………………….. 12Figura 1.10 Psicrómetros eléctricos. (Higrómetros)……………………………………….. ……….. 14Figura 1.11 Movimiento y contracción de la madera al secarse…………………….. ……….. 15

Capítulo IIFigura 2.1 Pila de madera en caja con tejadillo……………………………………………………… 19Figura 2.2 Instalación del secado en cámara…………………………………………………………. 21Figura 2.3 Instalación de secado por condensación………………………………………………. 21Figura 2.4 Grietas por secado…………………………………………………………………………………. 24Figura 2.5 Impermeabilizado de tablas………………………………………………………… ……….. 25Figura 2.6 Colapsos…………………………………………………………………………………………………. 26Figura 2.7 Deformaciones…………………………………………………………………………….. ……….. 27Figura 2.8 Torceduras y alabeos por secado……………………………………………….. ……….. 27

Capítulo IIIFigura 3.1 Metodología del diseño conceptual……………………………………………………….. 31Figura 3.2 Diagrama funcional de mayor nivel del sistema…………………………………… 34Figura 3.3 Entorno y límites del sistema………………………………………………………………… 35Figura 3.4 Relación de los elementos del medio para establecer las

funciones de servicio de un Horno para secado de madera…………………. 36Figura 3.5 Función global de servicio……………………………………………………………………… 37Figura 3.6 Descomposición de la subfunción A2……………………………………………………. 38Figura 3.7 Descomposición de la subfunción A9……………………………………………………. 39Figura 3.8 Funciones de servicio para un horno de secado de madera………………… 40

Capítulo IVFigura 4.1 Muro 1 exterior………………………………………………………………………………………. 56Figura 4.2 Muro Partición 1…………………………………………………………………………………….. 57Figura 4.3 Techo 1 Exterior…………………………………………………………………………………….. 57Figura 4.4 Ventilador centrífugo…………………………………………………………………........... 72Figura 4.5 Quemador de gas casero…………………………………………………………….......... 73Figura 4.6 Termostato para hornos…………………………………………………………............. 73Figura 4.7 Esquema del diseño de un horno para secado de madera…………………. 74Figura 4.8 Conjunto horno…………………………………………………………………………........... 75

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Capítulo VFigura 5.1 Horno eléctrico marca Sunbeam………………………………………………… ……….. 78Figura 5.2 Ventilador axial marca Duracraft…………………………………………………………. 79Figura 5.3 Báscula marca Camry………………………………………………………………………….. 79Figura 5.4 Configuración del prototipo vista lateral……………………………………………… 80Figura 5.5 Configuración del prototipo vista semi-frontal……………………………………. 80Figura 5.6 Configuración del prototipo vista superior………………………………………….. 80Figura 5.7 Perillas de selección de tiempo y temperatura……………………………………. 81Figura 5.8 Interior del horno eléctrico………………………………………………………………….. 81Figura 5.9 Humectación de las probetas……………………………………………………………….. 82Figura 5.10 Acomodo de probetas en horno……………………………………………………………. 83Figura 5 11 Secado en horno eléctrico……………………………………………………………………. 83Figura 5.12 Diseñador del sistema………………………………………………………………………….. 84Figura 5 13 Tipo y especies de madera…………………………………………………………………… 85Figura 5.14 Separadores para apilar madera………………………………………………… ……….. 85

Figura 5.15 Apilado inadecuado………………………………………………………………………………. 86Figura 5.16 Apilado correcto de la madera con contrapesos………………………… ……….. 86Figura 5.17 Forma de corte………………………………………………………………………………………. 88Figura 5.18 Evaluación de tensiones……………………………………………………………………….. 89

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RELACIÓN DE TABLAS

Capítulo I Pág.Figura 1.1 Contenido de humedad para productos terminados……………………………..13Figura 1.2 Márgenes de saturación de las fibras……………………………………………………. 15

Capítulo IIIFigura 3.1 Matriz morfológica de un horno para secado de madera…………………….. 52

Capítulo IVFigura 4.1 Cálculo de áreas-cámara de secado…………………………………………............ 58Figura 4.2 Cálculo de áreas-caja de mezcla………………………………………………............ 58Figura 4.3 Cálculo de áreas-cámara de calentamiento……………………………............. 58

Capítulo VFigura 5.1 Secado en horno de estufa casera………………………………………………………… 77Figura 5.2 Secado en horno de microondas…………………………………………………………… 77Figura 5.3 Determinación de la temperatura y tiempos idóneos de

secado…………………………………………………………………………………………………….. 82Figura 5.4 Secado de probetas en pila a 65° C……………………………………………………… 84

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Matriz morfológica: Sirve para identificar los conceptos con lo cual se puede hacercombinaciones y evaluarlos.

Número de Reynolds: Es la relación de fuerzas de inercia y las fuerzas de viscosidaddel fluido.

Poliuretano: Materia plástica empleada en la industria de pintura y barnices y en lafabricación de espumas y productos elásticos.

Presión absoluta: Presión medida en relación con un vacío perfecto.

Presión manométrica: Presión por encima de la presión atmosférica local.

Proceso adiabático: Proceso durante el que no entra ni sale energía en forma decalor a un sistema que sufre el cambio de estado especificado.

Psicrometría: El estudio de las mezclas de aire húmedo. Es la determinación de lacapacidad transportadora y concentración del vapor de una sustancia en un ambientedeterminado.

Solenoide: Circuito formado por un alambre arrollado en forma de hélice, que seemplea en ciertos aparatos eléctricos.

Temperatura: Es la medida de la actividad térmica en un cuerpo. Esta actividaddepende de la velocidad de las moléculas y demás partículas de las cuales se componetoda materia.

Temperatura de bulbo húmedo: La temperatura de equilibrio que registra untermómetro humedecido por medio de una mecha sumergida en una corriente de unamezcla de aire húmedo. Asimismo, la temperatura a la que el agua, al evaporarse,puede llevar el aire a la saturación adiabática a la misma temperatura.

Temperatura de bulbo seco: Temperatura de una mezcla de aire y vapor de agua.

Temperatura de rocío: Temperatura que debe alcanzar una mezcla de vapor y gas,a una presión total constante de la mezcla para condensarse el vapor.

Termostato: Aparato que mantiene constante una temperatura.

Vaporización: Acción y efecto de vaporizar.

Vapor saturado: Es vapor a la temperatura de ebullición, y el líquido saturado eslíquido a la temperatura de ebullición.

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SIMBOLOGÍA

A ÁreaAc Área de contacto

BTU/h Poder caloríficoC Caloríac Coeficiente de pérdidasCFM Flujo volumétricoCM Cámara de mezclaCH Contenido de humedadc p Constante de presión de calor sensible del aireCW Contra reloj° C Grados Celsius°C Grados CentígradosD Longitud característica de la geometría

ft Pies°F Grados Farenhaitg Aceleración de gravedad localg c Constante de aceleración de gravedadGc Gasto de combustibleH Humedad absoluta del aireHf Pérdidas de presiónin C.A Pulgadas columna de aguaK Coeficiente de conductividad térmicalf Pérdidas totalesLh Longitud de flujo hidrodinámicom Metrosmm Milímetrosmm Hg Milímetros de mercurio•

m Rapidez del flujo de masa del aireP Presión estáticaQ Rapidez de flujo de volumen en el aireQcond Transferencia de calor por conducciónQconv Transferencia de calor por convección•

sq Rapidez de transferencia de calor sensible

R Resistencia térmicaRa Constante para el aireRe Número de Reynoldsρ Densidad de masaS Calor específicoto Temperatura del aire en la salidati Temperatura del aire en la entradaT Diferencial de temperaturaU Coeficiente global de transferencia de calor

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ν Viscosidad dinámica del fluidoV Velocidad del fluidoVm Velocidad promedioW WattsW TrabajoWQ Cantidad de aire suministradoz ElevaciónX Diferencial de espesor

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RESUMEN

Considerando que en México existe poco conocimiento sobre el secado demadera y sabiendo que puede ser utilizada para marquetería, construcción, cercas,

moldurado, ventanas, pisos, escaleras, etc. Se opta por diseñar un producto que seacapaz de acelerar el proceso de eliminación de humedad.

El secado depende de tres factores; de temperatura, el contenido de humedad yla circulación adecuada de aire. La temperatura se debe de conservar para evitarchoque térmico y quemaduras. La humedad por su parte debe controlarse para evitarque las tablas se sequen demasiado rápido. Si esto sucede, se formaran defectos nodeseables tales como, rajaduras, grietas, torceduras entre otros. Por lo tanto cuandose lleva un proceso de secado en horno se debe cuidar que el calor y la humedadcirculen uniformemente.

Para el proceso de diseño se empezó por las necesidades del cliente y se hizo unanálisis funcional, para determinar los componentes, que debe de utilizar un hornoconvectivo, para ello se utilizo algunos pasos de la metodología del Despliegue defunciones de calidad basados en la experiencia.

Por lo que este diseño ataca directamente los conceptos de costo, tamaño yproceso el cual es poco conocido y desarrollado en nuestro país. Este procesodepende, de calentar el volumen de aire de la cámara de secado para reducir suhumedad, por medio de quemadores, de bajo consumo calorífico. El aire caliente esforzado a penetrar en las fibras de la madera por medio de ventiladores centrífugos,dispuestos de tal forma que el flujo de aire sea de abajo hacia arriba para facilitar eldesalojo del aire húmedo.

El diseño abarca un modelo austero para secar madera de pino silvestre en unasemana. La construcción y el control automático se dejan para trabajos a futuro.

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ABSTRAC

Seriously consider in Mexico doesn’t have a great knowledge about drying wood,and knowing that it can be use to make marquetry, construction, fence, moulding,windows, grounds, stairs and more. That’s way is necessary design a product which isable to accelerate the process of humidity elimination.

Drying depends on three points: the temperature, humidity content and suitableair flow. The reason to control the temperature is avoid thermal shock and burns.Humidity on the other hand wouldn’t be take off so fast, if it happens, nondeseabledefects formed such as: fissure, cracks, twisting among others. Therefore when thereis a drying on kiln process would take care that heat and humidity circulate uniformly.

It began with customer necessities and functional analysis was made so thatdetermines the devices that must use in a convective kiln. It uses some steps of

Quality Function Display (QFD) method justified on experience.

However this design leads to measure up the concepts of cost, size and processwhich is little known and developed in our country.

This process depends to warm up the volume of the drying camera, to reduce itshumidity by means of burners of low calorific consumption, the not air is forced topenetrate in fibers of the wood by means centrifugal fans and ready so that the flow ofair is of down do upwards, to facilitate the evacuation of he humid air.

Design includes a standard model to dry wood of wild pine in one week, theconstruction and the automatic control is left for future works.

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OBJETIVO

Optimizar el diseño de una cámara de estufado (horno) que retire la humedadque contiene la madera de pino, a los limites establecidos (Ver tabla 1.1), con losmenores defectos posibles, para su procesamiento posterior en marcos, de una formarápida y económica.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

- Satisfacer una necesidad empresarial, que implica tener producciones variadas.

- Desarrollar la optimización del diseño de un horno, que tenga la capacidad desecar tablones de madera de pino uniformemente, los cuales serán utilizadospara la construcción de marcos.

- Hacer un estudio económico y técnico, en el uso y ahorro de la energía para laproducción del calor y así cumplir con los requerimientos del cliente.

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JUSTIFICACIÓN

El problema radica en el alto costo de los hornos utilizados para el desflemado oestufado, los cuales no son aptos para satisfacer los requerimientos de la empresa “Marcos el modelo” de Rosendo Almanza. La cual es extraerle la mayor cantidad dehumedad a la madera de pino de (10 a 12% de humedad), por medio de calor, perosin llegar a quemarla y sin producir mayores defectos.

La madera es comprada en hojas o tablones, que posteriormente se cortarán entiras uniformes. El problema principal radica que cuando la madera llega tiene ciertogrado de humedad y esto hace que al ser cortada se astille. Además de que sedesafilan las herramientas, por el comportamiento abrasivo de esta. Más aún cuandose almacenan las tiras, que son usadas para la construcción de marcos parafotografías o pinturas, estas tienden a torcerse, lo cual ocasiona un desperdicio para elempresario y por ende mayor gasto económico.

Por esta necesidad es que se planea optimizar el diseño de un horno, por mediode flujos continuos de aire caliente y un ambiente apto para el secado. El cual sea

capaz de satisfacer la demanda de producción, a bajo costo y con calidad. Lo cualgeneraría para la empresa un maquilado posterior, para empresas que se dediquen almismo rubro y así obtener mayores ganancias.

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INTRODUCCIÓN

En el mercado nacional e internacional es cada vez mayor los requerimientospara la fabricación de distintos productos elaborados con maderas mas finas y conbajo contenido de humedad acordes a las necesidades del cliente.

El valor agregado que se le otorga a la madera mediante procesos, tales comoel secado, es sin lugar a dudas, importante para la valorización del bosque. Losproductos procesados adquieren una mejor cotización en el mercado, convirtiendo asíal manejo sostenible en una alternativa más atractiva desde el punto de vistaeconómico.

Esta tesis, apunta a ser una de las primeras aproximaciones en lo concernienteal secado en horno para madera convencional, describiendo en forma general las

diferentes etapas o pasos que se deben de seguir para realizar un correcto secado. Yserá enfocada principalmente en lo que es el secado de madera de pino silvestre,debido a grandes volúmenes de esta madera que hay en nuestro país y eldesconocimiento de técnicas y programas de secado.

La cinética del secado de madera, es la representación de la evolución de lascondiciones ambientales y del transcurso del secado. En particular la evolucióntemporal de la humedad de la madera o de la velocidad del secado respecto deltiempo, son la cinética del secado más reconocidas.

Teóricamente la velocidad del secado de la madera puede ser representada por2 etapas de secado.

La primera etapa (Fase I) se observa al inicio del secado a partir de uncontenido de humedad elevado, con velocidad de secado constante, dependiente delas condiciones del ambiente (T, v, HR).

La temperatura del aire T incrementa la velocidad de evaporación del aguadesde la superficie de la madera y además estimula el flujo interno de humedad en lamadera. El desplazamiento del aire y por ende su velocidad v, facilita la evacuación delaire húmedo, permitiendo poner en contacto nuevamente la superficie de la madera,con aire de mayor capacidad secante.

Por otra parte, la humedad relativa indica el grado de saturación del airedeterminando la mayor o menor capacidad secante del ambiente. En esta etapapredominan fenómenos de transferencia de calor y evaporación superficial, es decir, laevaporación ocurre en la superficie de la madera y todo el calor aportado se utilizapara evaporar el agua.

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En la segunda etapa, la temperatura y la presión de vapor en la superficie,corresponden a la TH y a la presión de saturación respectivamente. El movimientointerno de agua líquida llega hasta la superficie de la madera donde se evapora. Estaetapa constante finaliza cuando aparecen zonas secas en la superficie de la madera. Elcontenido de humedad en esta condición se denomina contenido de humedad crítico,más allá de este punto la temperatura de la superficie de la madera tiende a ser latemperatura del ambiente.

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TESIS DE MAESTRÍA 2006

Capítulo I. Generalidades. JOSÉ ALBERTO ROSAS TORRES

1.1 FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS

La termodinámica se encarga del estudio de la energía, el calor, el trabajo, elmovimiento de los fluidos, las propiedades del medio utilizado y sus procesosinvolucrados para la solución de problemas como en este caso de transferencia decalor y de masa [1].

1.1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR.

Transferencia de calor, es un proceso por el que se intercambia energía enforma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpoque están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puedeocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el

calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción,el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medidapor convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación [2].Algunos ejemplo se muestran en la figura 1.1.

Figura 1.1 Medios de transmisión del calor [2].

1

http://proce/http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtmlhttp://proce/http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/origen-tierra/origen-tierra.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/origen-tierra/origen-tierra.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://proce/http://www.monografias.com/trabajos/enuclear/enuclear.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtmlhttp://proce/


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1.1.1.1 CONDUCCIÓN

La conducción, es la transferencia de energía entre las partículas adjuntas deuna sustancia de mayor a menor energía. La conducción toma lugar en sólidos,líquidos, o en gases. En líquidos y gases, la conducción es debido a la colisión ydifusión de las moléculas durante un movimiento aleatorio. En sólidos es a causa de lacombinación de la vibración de las moléculas y la energía de transporte por loselectrones libres. Si por ejemplo se calienta una varilla metálica, de forma queaumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío porconducción [3].

El coeficiente de conducción térmica a través de un medio depende de sugeometría, de su espesor, y del material del medio, asi como la diferencia de

temperatura que cruza el medio.Los materiales como el oro, la plata y/o el cobre tienen conductividades

térmicas elevadas y conducen bien el calor. Mientras que materiales como el vidrio o elamianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducenmuy mal el calor, y se conocen como aislantes.

En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor através de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Paraaveriguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas.

El coeficiente de conducción térmica a través de una capa plana es proporcional

a la diferencia de temperatura a través de la capa y al área, pero es inversamenteproporcional al espesor de la capa, lo cual se enuncia de la siguiente manera [3]:

x

T kAQcond

∆

∆= (1-1)

Donde la constante de proporcionalidad k se denomina conductividad térmica del material y esta dada en W/m·°C la cual representa la habilidad del material paraconducir el calor ver figura 1.2. En el caso limite de 0→∆ x , la ecuación anterior sereduce a la forma diferencial de [3]:

dx dT kAQcond −= (1-1a)

2

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtmlhttp://cobre/http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/vidrio/vidrio.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/historiaingenieria/historiaingenieria.shtmlhttp://teorico/http://www.monografias.com/trabajos6/juti/juti.shtmlhttp://www.monografias.com/Matematicas/index.shtmlhttp://www.monografias.com/Matematicas/index.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/juti/juti.shtmlhttp://teorico/http://www.monografias.com/trabajos14/historiaingenieria/historiaingenieria.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/vidrio/vidrio.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtmlhttp://cobre/http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml


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Esta ecuación es llamada la ley de Fourier de la conducción del calor . Estarelación indica que el coeficiente de conducción de calor en una dirección esproporcional al gradiente de temperatura ( dxdT ) en esa dirección. El calor es

conducido en la dirección de menos temperatura y el gradiente se convierte negativocuando la temperatura decrece con el incremento de x . Asi que, el signo negativo esañadido para hacer positiva la transferencia de calor en la dirección de x, y siempre esnormal al área y tambien depende del material. [2]

Figura 1.2 Coefeicientes de conductividad térmica[1].

1.1.1.2 CONVECCIÓN

La convección es un modo de tranferencia de energía entre una superficie sóliday un líquido o un gas adyacente que está en movimiento, e involucra efectoscombinados de conducción y movimiento del fluido. Si existe una diferencia detemperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá unmovimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra,El movimiento del fluido puede ser natural o forzado [3].

Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen)suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido máscaliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más densodesciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de latemperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se

logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones con aparatos comoventiladores, bombas o el viento, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a lasleyes de la mecánica de los fluidos [2].

Supóngase, por ejemplo, que se calienta desde abajo una cacerola llena deagua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitidopor conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y comoresultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el

3

http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/segu/segu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/volfi/volfi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/eleynewt/eleynewt.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/eleynewt/eleynewt.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/volfi/volfi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/segu/segu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml


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fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve acalentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierdeparte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar,en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dospaneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior queestá más frío desciende, mientras que al aire cercano al panel interior más calienteasciende, lo que produce un movimiento de circulación, así como el enfriamiento de unhuevo caliente donde un ventilador fuerza al aire a moverse en dirección del huevo esllamada convección forzada (Figura 1.3 a) y cuando el aire frió sube al contacto con elhuevo al calentarse se le llama convección natural (Figura 1.3 b) [2].

a) b)

Figura 1.3 Convección natural y forzada.

El proceso de transferencia de calor involucra cambios de fase de un fluido y apesar de su complejidad, el coeficiente de transferencia de calor por convección esproporcional a la diferencia de temperatura, y es expresada por la ley de Newton deenfriamiento como [3]:

T hAQconv ∆= (1-2)

Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección en W/m2·°C, A es elárea de la superficie donde la convección del calor se realiza y ∆T es la diferencia detemperatura entre la temperatura de la superficie y la temperatura del fluido[3].

4

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El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de laradiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el airecaliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia elradiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, losradiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cercadel techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convecciónnatural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas deconvección natural, y del tiro de las chimeneas (Figura 1.3 b). La convección tambiéndetermina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, laacción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y latransferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie[4].

1.1.1.3 RADIACIÓN

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y laconvección. Las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto,sino que pueden estar separadas por un vacío [5]. Según la ley de Planck, todas lassustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al ceroabsoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida.Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso,aunque un cubo de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si seilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayorde la que emite [5].

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente.Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficiesbrillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las

superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también sonbuenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malosemisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buenaabsorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan latransferencia total de calor al contenido de la cazuela [5].

1.1.1.4 CALENTAMIENTO

El calentamiento es la transferencia de energía del aire en el espacio debido a ladiferencia de temperatura entre la fuente y el espacio de aire. Este proceso puedeocurrir de diferentes formas, tales como la radiación directa, la convección natural en

el espacio, calentamiento directo o circulación directa de aire, o por la transferencia deagua caliente a la vecindad del espacio. La transferencia de calor está manifestada enel incremento de la temperatura del aire, la cual es llamada transferencia de calorsensible [6].

5

http://www.monografias.com/trabajos6/elsu/elsu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/aireacondi/aireacondi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/aguacald/aguacald.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/aguacald/aguacald.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/aireacondi/aireacondi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/elsu/elsu.shtml


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La rapidez de calor sensible puede ser relacionada al incremento de latemperatura en una corriente de aire siendo calentado por [1]:

)()( i oP

i o ps t t v

c Q

t t c mq −=−=

•••

(1-3)Donde:

= rapidez de transferencia de calor sensible, W•

sq

= rapidez del flujo de masa del aire, Kg/s•

m cp = constante de presión de calor sensible del aire J/(kg·°K)

Q = rapidez de flujo de volumen en el aire m3 /sV = volumen específico del aire, m3 /kgto = temperatura del aire en la salida °Cti = temperatura del aire en la entrada °C

1.1.2 FLUJOS EN TUBERÍAS.

El flujo de líquidos o gases a través de tuberías o ductos es comúnmente usadoen aplicaciones de calentamiento y/o enfriamiento. Así como en redes de distribuciónde fluidos. Se tiene que tomar atención en la fricción, la cual está directamenterelacionada con la caída de presión, y las pérdidas totales durante el flujo a través deductos [3]. La caída de presión es usada para determinar la potencia del motor para labomba o ventilador.

La velocidad de flujo en una tubería cambia desde cero en la superficie porquela condición de no deslizamiento llega a lo máximo en el centro del ducto. Para el flujodel fluido es conveniente trabajar con una velocidad promedio Vm el cual se vuelveconstante en un fluido incompresible cuando la sección transversal de un ducto esconstante (figura 1.4) [3].

La velocidad promedio en aplicaciones actuales de enfriamiento y calentamientopuede tener algunos cambios en cuanto a densidad con el cambio de temperatura. Enla práctica se tomarán temperaturas promedio y se puede considerar constante.

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Figura 1.4 Velocidad promedio [3].

Así también, la fricción entre las capas de un fluido en una tubería causa unligero aumento en la temperatura, como resultado de la energía mecánica, siendoconvertida en energía de calor sensible. Pero este aumento de temperatura debido alcalentamiento de fricción, es generalmente pequeño.

El valor de la velocidad promedio Vm es determinada a partir de que se requiereque el principio de la conservación de la masa sea satisfecho. Así pues la rapidez deflujo de masa a través de un ducto es evaluada usando:

c m AV m ρ =•

(1-4)

Donde ρ es la densidad del fluido y Ac es la sección transversal.

Cuando el fluido es incompresible la Ecuación 1-4 se convierte en:

2211 AV AV Q mm ==•

(1-5)

Donde:

rapidez de flujo de volumen, Ft=•

Q 3 /min o m3 /s

Otra relación que gobierna a los flujos estables en un fluido es la primera ley dela termodinámica la cual es representada con la siguiente ecuación:

f

c c c

m

c c

m l g

gw

g

gz

g

V P

g

gz

g

V P ++++=++ 2

22

2

2121

1

1

22 ρ ρ (1-6)

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Donde:P = presión estática, N/m2

ρ = densidad de masa, kg/m3

Vm = Velocidad promedio, m/sg = aceleración de gravedad local m/s2

gc = constante de aceleración de gravedad, m/s2 z = elevación, m

w = trabajo, J/kgl f = perdidas totales, m

En la siguiente sección se verá como esté flujo puede estar dentro de dos tiposde torrentes según la velocidad y la geometría de la tubería.

1.1.2.1 FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

El flujo laminar se caracteriza por tener líneas aerodinámicas tranquilas y unmovimiento altamente ordenado debido a un fluido en láminas o capas, y un flujoturbulento se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y un movimiento altamentedesordenado. La transición de laminar a turbulento no sucede de repente; mejordicho, esto ocurre dentro algunos rangos de velocidad donde el flujo oscila entrelaminar y turbulento antes de convertirse en turbulento totalmente.

Esta transición depende de la geometría, la rugosidad superficial, la velocidadpromedio, la temperatura superficial, el tipo de fluido, entre otras cosas. Después dealgunos exhaustivos experimentos, Osborn Reynolds descubrió en 1883 que elrégimen del fluido depende principalmente de la relación de fuerzas de inercia y lasfuerzas de viscosidad del fluido. Esta razón es llamada Número de Reynolds y es

expresada como [1]:

ν

DV m=Re (1-7)

Donde:Vm= Velocidad promedio del fluido, m/sD = Longitud característica de la geometría, mν = µ/ρ = Viscosidad dinámica del fluido, m2 /s

Seria deseable saber con el número de Reynolds si el flujo es laminar,translacional, o turbulento, pero este no es el caso en la práctica. Esto es porque latransición de laminar a turbulento también depende el grado de disturbios del flujo porla rugosidad superficial, las vibraciones en la tubería, y las fluctuaciones en el flujo.

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Bajo las más prácticas condiciones podemos, tomar, las transiciones de lasiguiente manera [1]:

Flujo laminar: Re < 2300Flujo translacional: 2300 ≤ Re ≤ 4000

Flujo turbulento: Re > 4000

1.1.2.2 REGIÓN DE ENTRADA Y LONGITUD DE ENTRADA

Si se considera un fluido que entra a una tubería con una velocidad uniforme,las partículas del fluido en las capas tocan la tubería, se detienen y por lo tanto existeuna pérdida de velocidad y presión. Tomando en cuenta esta consideración se puedenver las siguientes regiones [3]: La región de entrada hidrodinámica donde la longitudde esta región es llamada longitud entrada hidrodinámica Lh y la región en la cual lavelocidad está totalmente desarrollada y permanece sin cambios, esta es llamadaregión de desarrollo hidrodinámico. (figura 1.5)

Figura 1.5 Regiones de entrada y desarrollo hidrodinámico [3].

Esta zona es donde el fluido en la tubería se mantiene no es ni caliente ni fría ypor lo tanto se mantiene constante. La velocidad promedio en la región de desarrollo

hidrodinámico es parabólica en el flujo laminar y está dada aproximadamente como:Lh= 0.06·Re·D (1-9)

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1.1.2.3 CÁMARAS DE MEZCLA

En ingeniería es común mezclar dos torrentes de fluido en lugares llamados

cámaras de mezcla (CM). La cámara de mezcla no tiene que ser en un lugar igual auna “cámara”, una conexión en T o en Y en una regadera de baño por ejemplo, sirvecomo cámara de mezcla, para el agua caliente y fría. (Figura 1.6)

Figura 1.6 Una tubería en T sirve como cámara para mezclar agua caliente y fría.

El principio de conservación de la masa para las CM requiere que la suma de larapidez de flujos de masa de entrada sea igual a la rapidez de flujo de salida de la

mezcla [3].•••

=+ smmm 21 (1-9)

Las CM son usualmente muy bien aisladas donde (q=0) y no involucra ningúntipo de trabajo. Asi tambien la energía cinética y potencial en los torrentes sonusualmente despreciables [3].

El uso de las CM se utiliza mucho por cuestiones energéticas, donde no serequiere tener que usar más energía para mantener las condiciones deseables delsistema y una vez llegada a esas condiciones, se sostengan sin suministrar más

energía. (Figura 1.7)

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1.3 PRINCIPALES PROPIEDADES QUE INFLUYEN ENLA RELACIÓN: MADERA – AGUA

La madera es un material higroscópico, gana o pierde humedad, de acuerdo almedio que la rodea. La cesión y absorción de humedad varía en determinadascondiciones el volumen y la forma de la madera, la cual se puede contraer o hinchar,alabear, deformar o agrietase, [7] lo cual se verá más adelante.

1.3.1 HUMEDAD DE LA MADERA

La madera recién derribada y recién cortada contiene según sea su clase, lugary edad del árbol, un porcentaje de agua. Por lo general es mayor en la madera deárboles frondosos que en la de coníferos. Incluso dentro del mismo tronco se aprecian

diferencias: la madera temprana, la albura y la de la cima, contiene más agua que latardía, la de duramen y la cepa. La humedad de la madera se expresa comoporcentaje de la masa de la madera completamente seca, del denominado peso secoal horno [8].

La madera recién derribada y cortada no suele ser apropiada para su utilización.Hay para ello que extraerle la humedad necesaria para que la remanente correspondaa la del entorno posterior donde será utilizada (Tabla 1). Esto se consigue mediante elsecado de la madera.

Tabla 1.1 Contenido de humedad para productos terminados [9]

USO DE LA MADERA % DE HUMEDADMadera de obra y construcción 12% a 18%Objetos y aparatos de madera al aire libre 12% a 16%Ventanas y puertas exteriores 12% a 15%Artículos deportivos 10% a 15%Muebles, puertas interiores, marcos donde hay calefacción 10% a 12%Cajas para empaque de maquinaria 8% a 12%Alfarjes y atersonados 6% a 8%

La madera seca se trabaja con más facilidad y su superficie soporta mejorcualquier tratamiento, es más maciza y dura, así como más duradera y resistentecontra los daños y enfermedades de la madera. Además, se transporta mejor y por lotanto a menos precio que la húmeda.

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1.3.2 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD DE LA MADERA

Para la determinación de la humedad de la madera se utiliza un ensayo de

secado o un psicrómetro eléctrico. El ensayo de secado da resultados de mediciónexactos. Para ello se toma una tabla de cómo mínimo 60 cm. entre testas y variospedazos pequeños de entre 10 cm. y 25 cm. de largo y se pesan, obteniéndose así elpeso de la madera húmeda. En un horno pequeño se secan las muestras de maderahasta que ya no disminuye el peso. El peso que se determina a continuacióncorresponde al de la madera seca o peso de secado al horno con un contenido dehumedad del 0%. En el cálculo porcentual de la humedad de la madera, el contenidoen agua de las piezas de ensayos se da según las normas DIN 52183 [9] en gramoscon referencia al peso en gramos del secado al horno de la siguiente manera.

100)(% ×−

= PMSPMSPMH CH (1-10)

Donde:CH% = contenido de humedad en %PMH = peso de la madera húmeda en (g)PMS = peso de la madera de secado en horno en (g)

Con el psicrómetro eléctrico o higrómetro para madera, se hace pasar unacorriente por la madera a través de dos electrodos y mide la conductividad eléctrica deésta y como la intensidad de la corriente varía con el contenido de humedad, sedetermina de ese modo su valor [7]. Figura 1.10.

Figura 1.10 Psicrómetros eléctricos digital. (Higrómetros) [7]

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1.3.3 MOVIMIENTO DEL AGUA EN LA MADERA

El agua de la madera se encuentra en espacios intercelulares y en las paredesde las células. La primera se llama “agua libre”; la segunda se llama “agua ocluida” [8]figura 1.11

Figura 1.11 Movimiento y contracción de la madera al secarse [8]

En el secado de la madera primero se pierde el agua libre y luego la ocluida. Ladifusión del agua libre tiene lugar de forma relativamente rápida; y del agua ocluidade forma relativamente lenta. La cesión del agua tiene lugar en las células exterioresque en las interiores; en las piezas de madera poco dura más aprisa que el las duras yen la albura, lo mismo que en la parte superior del tronco más aprisa y con más

intensidad que en el duramen y la parte inferior del tronco. Se produce tanto másaprisa cuanto mayor es la diferencia de humedad entre la de la madera y la del aire.

Durante la difusión del agua libre no varia ni la forma ni el volumen de lamadera. Las fibras o membranas celulares están aún en ese momento saturadas y poreso se habla de saturación de las fibras. Es distinta en diferentes clases de madera eincluso dentro del mismo tronco y es aproximadamente de un 23% a un 35% de lahumedad de la madera. Por esta razón se habla de margen de saturación de las fibras.(Tabla 2)

Tabla 1.2 Márgenes de saturación de las fibras [9]

TIPO DE ÁRBOL % DE HUMEDAD Haya, hojaranzo, abedul 32% - 35%Abeto rojo, abeto 30% - 34% Pino Silvestre, alerce 26% - 28% Roble, fresno nogal 23% - 25%

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CAPÍTULO II.

“MARCO TEÓRICO DELSECADO”

En esta parte de la tesis se describe todo lo relacionado con el secado de lamadera, donde la teoría del proceso se apoya esencialmente en dos fenómenos físicos;en el movimiento del agua del interior de la madera hacia la superficie y eldesprendimiento del agua de la madera circundada por aire, así como la circulación deeste por sus fibras.

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Capítulo II. Marco Teórico del Secado. JOSÉ ALBERTO ROSAS TORRES

2.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SECADO

El secado de la madera en hornos depende de 3 factores principales: La

velocidad del aire, la humedad relativa y la temperatura del aire que rodea al horno desecado de madera. Por lo que controlando éstos tres factores apropiadamente sepuede secar la madera. A continuación se describirán cada uno de estos tres factores[5].

2.1.1 LA VELOCIDAD DEL AIRE.

El aire es el medio encargado de transportar la humedad que despide lasuperficie de la madera. A mayor velocidad aumenta la capacidad de arrastre, pero siexiste exceso de aire provocaría un resecamiento de la superficie de la maderagenerando esfuerzos que pueden dañar la madera y/o interrumpir en algunos casos el

proceso de secado [5].

2.1.2 LA HUMEDAD RELATIVA DEL AIRE.

Se entiende por humedad relativa del aire a la relación entre la cantidad devapor de agua contenida en el aire y la máxima cantidad que puede contener a lamisma temperatura. Si se aumenta la temperatura, por consiguiente aumenta lacapacidad del aire para contener vapor de agua, lo que quiere decir que puedeabsorber mayor cantidad de vapor de agua de la madera. Igualmente si se extraevapor de agua del aire, disminuye su humedad relativa y aumenta la capacidad desacar vapor de la madera [5].

2.1.3 LA TEMPERATURA.

Como anteriormente se comento, la temperatura varía el valor de la humedadrelativa del aire y por lo tanto la capacidad del mismo de extraer humedad de lamadera [5].

Para un adecuado proceso de secado de madera, deben usarse los valores de latemperatura y humedad relativa que experimentalmente y por experiencia ya se handeterminado para cada especie de madera [5].

En la mayoría de los secaderos de madera, la humedad relativa se mide a travésdel "Bulbo Húmedo" que es una medida termodinámica de la humedad contenida en elaire. Este parámetro se mide con un aparato llamado Higrómetro el cual se mencionóel capítulo anterior.

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2.2 PROCESO DEL SECADO

Como se mencionó al inicio de este capítulo el secado de la madera se apoyaen esencia en dos procesos físicos: en el movimiento del agua de interior de lamadera hacia la superficie y en la cesión o desprendimiento de agua de la maderacircundada por aire.

La evaporación del agua de la superficie de la madera, dependefundamentalmente de la cantidad humedad, la temperatura y movimiento del aire ydel tamaño de la superficie a secar.

Es muy importante mencionar que debe de existir un equilibrio entre la humedadde la madera y la humedad relativa del aire. La madera cede humedad al aire de suentorno o la toma de éste hasta que se alcanza el equilibrio entre ambos, es decirhasta que entre, la madera y el aire no existe diferencia de humedad [11].

La madera secada al aire es apropiada para obras expuestas al aire libre, talescomo: ventanas, contraventanas y puertas exteriores. La madera para hacer muebles ypara construcciones interiores tiene que estar más seca. A una temperatura ambientemedia de 20°C, la humedad del aire en locales con calefacción con estufa es del 55% yen los que tienen calefacción central del 45%. El equilibrio de humedad se alcanza puesen locales interiores con maderas que tienen de un 8% a 10% de humedad [13].

Así pues la madera sólo se seca mientras el aire que la circunda pueda absorberhumedad o vapor de agua, para ello se debe vigilar que el aire tenga que tener elcontenido de humedad cercano al deseado para absorber la mayor cantidad de agua.

El secado natural de la madera se hace mediante el movimiento natural del aire yen la desecación artificial con ventiladores. Cuanto mayor es la circulación de aire, másseco sea éste, más finas las piezas y mayor su superficie, más deprisa transcurre elsecado [13]. Esto se ve en los siguientes puntos.

2.2.1 SECADO NATURAL AL AIRE

Por secado natural de madera, también llamado secado al aire libre, se entiende elque se realiza previamente al aire libre sin aparatos y luego bajo techado

aprovechando el clima natural. Para lograr un apropiado secado, tiene que estaradecuadamente emplazado el secadero y correctamente planificado el basamento de lapila. El material a secar tiene que estar bien apilado o amontonado y debe sertransportado a su debido tiempo para el posterior secado bajo techo.

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El secadero de madera de sierra debe estar en un lugar plano y dispuesto de talmodo que la pila quede en su sentido longitudinal, transversalmente a la direcciónEste-Oeste del viento principal. Debe ser de tamaño suficiente para que toda pila demadera pueda removerse o acarrear sin dificultad. Cada clase de madera debe teneruna pila determinada, por lo cual las clases de madera que secan lentamente, o seaque permanecen más tiempo en el lugar se apilan aparte. El lugar debe estar exento detierra vegetal y cubierto de arena gruesa, grava o adoquinado para evitar la absorción dela humedad de la tierra hacia la madera. (Figura 2.1) Con frecuencia el suelo delsecadero también es de hormigón. Los desperdicios de madera y los trozos podridos hayque alejarlos por el posible ataque de hongos.

Este tipo de proceso puede llegar a durar de 5 a 7 meses, para llegar a unahumedad del 30% y depende de la clase de madera y por supuesto de su espesor.

Figura 2.1 Pila de madera en caja con tejadillo [8]

2.2.2 SECADO ARTIFICIAL DE LA MADERA

El secado en cámaras u hornos ofrece grandes ventajas, como son el reducir eltiempo de secado a unos pocos días e incluso horas y determinar exactamente elgrado de humedad de la madera, con lo cual se mejora su calidad y hay menosdesperdicio; además, puede hacerse que sea esencialmente menor el secadero [11].

El secado artificial de la madera tiene lugar en instalaciones, que por lo general soncámaras completamente metálicas, de acero o de aluminio, con paredes y techos con

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2.2.3 CLASES DE SECADO

Según sea la elevación de la temperatura de secado se distingue entre secado a

temperatura normal, a temperatura baja y a temperatura alta, así también se clasificansegún la tecnología o el proceso que utilicen [9].

2.2.3.1 SECADO A TEMPERATURA NORMAL

El secado a temperatura normal es con mucho el más corriente en secadero. Lamadera de sierra a secar se coloca en el secadero con una temperatura de 45° C a 90°C y se seca con intensa circulación de aire hasta la humedad final deseada. Se secan porlo general todas las clases de madera con distintos espesores y a los valores corrientesde secado final .

2.2.3.2 SECADO A BAJA TEMPERATURAEn el secado a baja temperatura se lleva la madera sólo a una humedad final

alrededor del 20%. Es apropiada únicamente como secado previo. Para ello puedenseguirse dos sistemas: en el primero, la temperatura del secadero, unos 30°C a35°C, permanece constante hasta que la madera llega al 20% de humedadaproximadamente; en el segundo, la temperatura del secadero se regula demodo que corresponda a la humedad cambiante de la madera hasta alcanzar la posiblefinal del 20% .

En ambos sistemas se produce el secado final a continuación en un secadero de

secado normal.

2.2.3.3 SECADO A ALTA TEMPERATURA

En el secado a alta temperatura se somete a la madera desecada a grandesexigencias. Donde las temperaturas en el secadero varían entre 80° C y 130° C .

Actualmente hay dos técnicas efectivas de secado. Una es la de aire caliente aelevada temperatura, para rebasar el límite de los 100°C, donde se sopla en la cámaraaire caliente sin la adición de aspersión de vapor, con lo cual se logra un secado muyrápido, sobre todo en la madera fina de coníferas.

La otra técnica es la de vapor caliente a elevada temperatura, donde se utilizavapor de agua puro, que lleva a un secado mejor cualitativamente. Estos procesos sonaplicables también a las maderas blandas de árboles frondosos.

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2.2.3.4 SECADO POR ALTA FRECUENCIA

La madera conduce mal la electricidad, y cuando se encuentra situada en el

campo de una corriente alterna de alta frecuencia, se calienta provocando el secado,además todas las moléculas se encuentran sometidas al campo de alta frecuencia, elcalor producido es el mismo en las capas externas que en el interior, siendo uniformeel secado, suprimiéndose las tensiones internas y, por lo tanto, las posibles roturas.Pero, el coste es elevado, con lo que queda reducido su uso a tableros contrachapadosy piezas muy finas .

2.2.3.5 SECADO POR RAYOS INFRARROJOS

Secado por rayos infrarrojos es también de precio elevado: Se funda en la

penetración de las radiaciones infrarrojas en el interior de la madera y calentando lasparticulas de agua hasta que se evaporan, lográndose un secado uniforme .

2.2.3.6 SECADO QUÍMICO

Este tipo de secado se basa en que las soluciones acuosas de algunoscompuestos químicos tienen una tensión de vapor menor que la del agua pura. Conescasa frecuencia se utiliza sal común y mayormente se emplea urea. Al tratar conestas soluciones la capa externa de la madera, la tensión de vapor contenida en unacapa de la madera disminuye, lo cual produce una diferencia de tensión de vapor entre

la superficie y el interior de la pieza, que será el motor que hace salir al agua,manteniendo la humedad en la superficie y evitando un secado prematuro y lasconsiguientes grietas.

2.3 DEFECTOS DEL SECADO DE LA MADERA

En el secado de la madera pueden aparecer defectos o fallas. Esto significa casisiempre una mayor o menor disminución de la calidad de la madera. Las fallas delsecado en el procedimiento natural tienen generalmente por causa apilamientos oalmacenamientos incorrectos o la influencia de condiciones climáticas anormales

desfavorables. En el secado artificial hay que buscar la causa de un malfuncionamiento o comportamiento de la instalación.

Los defectos más comunes en el secado son el resecado, la formación de grietasy rajaduras, deformaciones, cambios de color y colapsos los cuales se analizan másadelante, para evitar estos defectos hay que controlar la temperatura y la velocidad deflujo de aire.

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2.3.1 AGRIETAMIENTOS O RAJADURAS.

Las grietas aparecen en la madera en distintas orientaciones y magnitudes, las

cuales merman la resistencia de la madera. La causa de su formación son lastensiones en la madera y pueden tener su origen en el árbol en pie, en la tala, en eltransporte, cuando se corta, y en los procesos de secado [8].

Las grietas se consideran por su longitud, recorrido en sentido longitudinal de lamadera, lugar y profundidad (figura 2.4).

Figura 2.4 Grietas por secado [8].

Al descender la humedad, las capas superficiales de la madera se secan más

rápidamente que el interior, tendiendo sólo las capas exteriores a contraer, por teneruna humedad inferior al punto de saturación de las fibras, mientras que el corazón dela pieza no muestra intenciones de contraerse.

Al no permitir el núcleo de la pieza la libre contracción de la capa exterior, seproducirán tensiones internas, de tal magnitud, que los tejidos leñosos no puedanresistirlas y se rompan.

Los defectos que se producen comúnmente como consecuencia del secado son:

• Grietas externas: Cuando el secado se realiza en ambiente con muy poca

humedad, que conlleva una evaporación superficial muy elevada. El defecto nosuele ser grave e indica que las condiciones de secado son demasiado severas.

• Grietas internas: Se producen cuando el secado se realiza con aire muy calientey seco. La causa es, también, un secado rápido exterior con desarrollo detensiones internas de tracción que exceden a la cohesión de las fibras de lamadera. Las grietas se producen radialmente, no son visibles al exterior y en lamayoría de los casos hacen a la madera totalmente inservible.

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Además, las grietas superficiales e internas que aparecen por consecuencia delresecado, son capilares y de testa. Las primeras son finas sin importancia, en las carasde las tablas cuando no profundizan más del 1% del espesor de la tabla. Por elcontrario, en las maderas valiosas según las condiciones hay una disminución de lacalidad. Por otra parte las grietas de testa aparecen principalmente por secadosdemasiado rápidos en los extremos de las tablas. En un secadero artificial se evitanmediante una impermeabilización, calentamiento lento y transcurso uniforme delproceso.

Las rajaduras de los extremos pueden evitarse por el sellado de los extremos delas tablas con una adecuada pintura impermeabilizante como se ve en la figura 2.5

Figura 2.5 Impermeabilizado de tablas [13]

2.3.2 CAMBIOS DE COLOR.

Los cambios de color aparecen preferentemente en las maderas de árbolesfrondosos. La razón de esto es casi siempre una temperatura de secado demasiadoelevada o a una aspersión demasiado larga. El pino silvestre y el fresno pardean.

2.3.3 COLAPSOS.

Por colapsos se entienden como contracción celular irregular y de magnitud no

deseada, sobre todo de las maderas que tienen mucha agua. Por una temperatura desecado demasiado elevada y un proceso demasiado rápido pueden aparecer ademásfuertes roturas celulares. Este defecto se redonoce por la deformación grande eirregular de la madera de cierra [8]. Ver figura 2.6

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Figura 2.6 Colapsos [6]

• El colapso en la madera se presenta cuando los esfuerzos de la tensión capilarexceden la resistencia de la pieza a la compresión perpendicular al grano.

• El colapso celular es el resultado del secado rápido de madera en los hornos con

un contenido de humedad tan alto que todas sus cavidades están llenas de AguaLibre, sin aire que sirve de colchón a la transmisión de esfuerzos en el secado.

2.3.3.1 CAUSAS DEL COLAPSO EN LA MADERA:

A continuación se enlistan las causas probables que pueden propiciar colapsosen la madera [8]:

• Maderas muy impermeables que tienen sus cadenas celulares completamente

llenas de agua. • Maderas de baja densidad, que tienen paredes delgadas y poca resistencia a la

compresión perpendicular al grano. • Aplicación de temperaturas muy elevadas en los hornos de secado de madera

durante las primeras etapas del secado, lo cual disminuye la resistencia de lamadera y la hace mas susceptible al colapso.

• El Colapso puede ser externo en cuyo caso la superficie de la pieza presentacorrugaciones o fuertes aplastamientos.

• Cuando el colapso es interno, generalmente se manifiesta con agrietamientos enel corte transversal de la pieza.

• El colapso puede evitarse secando la madera en estado verde, a temperaturas

normales y gradiente bajo durante las primeras etapas del proceso hasta que lamadera haya perdido suficiente agua libre, facilitando la formación de burbujasde aire que evitan o atenúan la transmisión de esfuerzos durante esta etapa enlos hornos de secado.

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2.3.4 DEFORMACIONES

Si la humedad de la atmósfera es superior a la de la madera, ésta la absorbe

lentamente y aumenta su volumen progresivamente hasta llegar a la saturación de susfibras. Esto tiene lugar desarrollando una gran presión y en la madera maciza esprácticamente imposible evitarlo únicamente se puede mantener dentro de ciertoslímites mediante un secado cuidadoso [8]. Figura 2.7

Figura 2.7 Deformaciones [6]

2.3.4.1 TORCEDURAS Y ALABEOS

Las torceduras y alabeos son deformaciones que tienen una clase muy comúnde verse, figura 2.8

Figura 2.8 Torceduras y alabeos por secado [6]

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Para prevenir estas torceduras durante el proceso de secado se pueden seguirlas siguientes recomendaciones [8]:

Verificar que las pilas estén cuidadosa y exactamente construidas así como losseparadores sean de un espesor uniforme, igualmente espaciados y en un perfectoalineamiento vertical sobre el centro de los apoyos. Y los separadores deben de estarcolocados lo más cerca entre si, cuando la madera tiene una superficie amplia.

El alabeo es producto de la contracción desigual según sea en la dirección radial,longitudinal o tangencial de la pieza de madera. Esta cualidad se denomina Anisotropíade la Madera.

La madera por debajo del punto de saturación de la fibra comienza a contraersey si no está en un ambiente adecuado de temperatura y humedad relativa puedecontraerse en exceso en alguna dirección dando como resultado defectos como la

arqueadura, encorvadura o torcedura, todos éstos pertenecientes a la categoría deAlabeo.

Normalmente la contracción en la dirección tangencial es dos veces mayor quela contracción en la dirección radial.

También la contracción es mayor en las maderas de mayor densidad o sea máspesadas.

Para evitar estos defectos en la madera, debe utilizarse un horario de secado enlos hornos de secado de maderas adecuado para la especie, espesor y contenido de

humedad del lote.

2.4 DEFECTOS DEL SECADO POR OTROS FACTORES

De los muchos hongos e insectos presentes en la madera almacenada y en latrabajada, sólo unos pocos son los que pueden causar depreciación, la pérdida de lamadera y de la obra realizada, así como la ruina de piezas componentes yconstrucciones. A continuación se enlistan algunos de los defectos más significativosdepúes de los mecánicos [8]

2.4.1 DEFECTOS POR INFECCIÓN DE HONGOS E INSECTOS

Entre los hongos peligrosos se encuentran el “merulius”, el moho verrugosopardo, el moho poroso blanco, la amanita de abeto y distintos hongos azules [8].

En los hongos se encuentran las esporas, de las cuales nacen; los cuerposfructíferos, en los que se producen las esporas, y los cuerpos fungosos. Para sudesarrollo además de los nutrientes y el aire, necesitan una humedad y calordeterminados.

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Como no tienen hojas verdes no necesitan de la luz del sol para su crecimiento.Lo conveniente para que se desarrollen es una humedad del 15% en la madera ytemperaturas entre 15°C y 35°C.

Los insectos destructores de la madera realizan su desarrollo completo, casisiempre de varios años, desde la deposición del huevo pasando por la larva y crisálidahasta insecto adulto, dentro de la madera.

Son exclusivamente las larvas las que dañan la madera corroyéndola en sumarcha en busca de los componentes de la misma. La magnitud del daño depende delas condiciones de vida y desarrollo existentes en la madera donde se encuentren.

Para el crecimiento de los insectos, son convenientes una humedad de lamadera a partir del 15% y temperaturas entre 15°C y 30°C.

Si las condiciones de vida de las larvas son muy favorables, pueden atacar ydestruir completamente en pocos años los elementos de madera de una construcción oartefacto. Es necesario, pues, tomar medidas de precaución como el estufado.

2.4.2 MANCHAS QUÍMICAS

Los cambios de color causados por reacciones químicas, se presentan a veces enla madera que está en contacto directo con los listones. En otras ocasiones, lasmaderas blancas se tiñen en una coloración café en la superficie o zonas cercanas aella. [8]

No se conocen medios eficaces de control. Este efecto puede interactuar con lapresencia de hongos manchadores que infectan la madera antes del secado en hornos.

Se aconseja procesar rápidamente la madera desde que es tronco hasta lastablas, secar las piezas sin demora, utilizar temperaturas de bulbo seco menores a54°C, usar humedades relativas mas bajas que pueda tolerar la especie sin excesivoagrietamiento.

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REFERENCIAS

[1] Yanus A. Cengel “Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences” Ed. 2001 McGraw-Hill

[3] Yanus A. Cengel “Heat transfer: A Practical Approach” New York, McGraw-Hill,1998

[4] M. C. Potter and D.C. Wiggert. “Mechanics of Fluids” 2da. Ed. Upper Sandle River,Prentice Hall, 1997

[8] W. Nutsch. “Tecnología de la madera y del molde” 2da. Edit

[9] Heinlich Höler. “Alrededor del trabajo de la madera” 8va. Reimpresión

[11] José Antonio Marques P. “Principio de secado de granos psicometría ehigroscopía”. Edit Oficina Regional de la FAO, Santiago de Chile 1991

[12] Franco Martín Sánchez. “Manual de instalaciones de calefacción” 2da. Ed. México2003.

[13] Viscarra Silverio, “Guía práctica para el secado de maderas” Grupo BORFOR,Santa Cruz Bolivia 1998.

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CAPÍTULO III.

“ANÁLISIS FUNCIONAL”

El presente capítulo utiliza el análisis funcional del despliegue de funciones de

calidad, esta metodología es la fase del proceso de diseño que se basa en el principioel cual dice, que primero se tiene que analizar la función y luego se debe de dar laforma. Esto quiere decir que antes de comenzar con la definición de las formas, esnecesario tener identificadas todas las funciones que debe de realizar el producto paraque corresponda a las expectativas del cliente, primero debe definirse qué, ysolamente después el como.

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Capítulo III. Análisis Funcional. JOSÉ ALBERTO ROSAS TORRES

3.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO CONCEPTUAL

Para comprender el problema y satisfacer los requerimientos del cliente, se

auxilia de una metodología de calidad del producto, derivada del despliegue defunciones de calidad (QFD de sus siglas en ingles), de manera cuantificable a través dela interpretación y traducción de los requerimientos del cliente [14].

De manera esquemática, la metodología en la fase conceptual se representa enla figura 3.1

COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA

REVISIÓN DE LOS REQUERIMIENTOSDEL CLIENTE

Figura 3.1 Metodología del diseño conceptual

OBTENCIÓN DEL MODELO FUNCIONAL

GENERACI N DE CONCEPTOS

EVALUACIÓN DE CONCEPTOS

CONCEPTO DE DISEÑO

D I S E Ñ O

C O N C E P T U A L

DISEÑO DE DETALLE

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Capítulo III. Análisis Funcional. JOSÉ ALBERTO ROSAS TORRES

d) Desempeño Funcional:

- Capacidad mayor de 150 tablones de (2.5m x 0.3m x .025m)- Tiempo de secado menor de 15 días- Periodo de servicio 24 hrs.- Periodo de descanso 1 día.

e) Tamaño:

- Ser menor a 4.5 m x 4.5 m x 3.5 m

f) Material de construcción

- Lamina galvanizada o acero- Lana mineral- Tornillos

- Soldadura- Herramientas

g) Material de Trabajo

- Madera de pino silvestre.

h) Instalación

- Fácil instalación.

i) Mantenimiento- Disponibilidad de refacciones.

3.1.3 MODELO FUNCIONAL

Antes de comenzar con la definición de las formas, es necesario teneridentificadas todas las funciones que debe de realizar el horn

proyecto de transfer

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