Proyecto de Simulación

diciembre 19

2014Tiempo de calentamiento de trozas en proceso de macerado en la industria de la madera.

Integrantes: Juan Martínez Javier Toro

Profesor: Cristian Antonucci

Resumen

En el presente proyecto corresponde a la simulación del comportamiento del proceso

denominado “macerado” dentro de la industria de la madera para la fabricación de chapas y

contrachapado. En donde el objetivo es determinar el tiempo de calentamiento de las trozas de

eucaliptus nitens de un diámetro de 0.3 [m] y 4 [m] de largo para alcanzar una temperatura de

80°C en el núcleo y así pasar al posterior debobinado en los tornos.

Para llevar a cabo la simulación se asumieron dos situaciones en primer lugar se analizó la

transferencia de calor en sólidos donde se asume la temperatura inicial del trozo igual a 25°C y un

flujo de calor convectivo con un coeficiente de convección de 500 [W/m2K] y una temperatura

exterior de 80°C los cuales corresponde a la convección natural del agua y la temperatura de esta.

En segundo lugar solo se modificó el coeficiente de convección del agua a 3000 [W/m2K] lo cual

simula una agitación o mayor velocidad del fluido dentro del estanque y así determinar las

diferencias en el tiempo de calentamiento en ambas situaciones y si estas son significativas.

Dentro de los resultados se obtuvo que para la primera situación de convección natural el tiempo

para que el núcleo alcance los 80°C es de 91600 segundos lo cual equivale a 25.4 hrs este

resultado está muy cerca de los tiempos empleados en la industria que están entre las 20 a 30 hrs

dependiendo de los diámetros empleados los cuales van de los 0.2 a 0.6 [m]. En la situación dos el

tiempo requerido para que el núcleo alcance los 80°C fue de 90100 segundos lo que corresponde a

25 hrs.

Las diferencias encontradas al variar el coeficiente de convección de 500 a 3000 [W/m2K]

equivalen a 25 min lo cual no es una diferencia significativa en comparación a la cantidad de horas

que dura el proceso.

Debido a que en las dos situaciones planteadas las diferencias no fueron significativas y los

tiempos del proceso son muy extensas se determinó realizar dos modelaciones extras bajo las

siguientes condiciones: coeficiente de convección del agua de 500 [W/m2K] y 3000 [W/m2K] con

una temperatura exterior de 90°C aumentando el delta de temperatura entre las trozas y el agua.

Bajo las condiciones de 500 [W/m2K] a 90°C o 363.15 [K] los resultados arrojaron que el tiempo

de calentamiento es de 48300 segundos lo que equivale a 13,4 hrs.

Bajo las condiciones de 3000 [W/m2K] a 90°C o 363.15 [K] los resultados arrojaron que el tiempo

de calentamiento es de 44200 segundos lo que equivale a 12,3 hrs.

El cambio de la temperatura del agua provoca resultados con diferencias significativas,

disminuyendo considerablemente el tiempo del proceso.

Definiciones globales

Descripción del proceso

El método de macerado de trozas es uno de los más empleados en el país, gracias a que se han

obtenido resultados muy favorables a la hora de evaluar el producto final.

El proceso de macerado se lleva a cabo sumergiendo las trozas de madera en su totalidad dentro

de un baño de agua caliente (figura 2), con el fin de modificar sus propiedades mecánicas en

cuanto se refiere a su ablandamiento y plasticidad mediante la saturación de agua para permitir su

debobinado.

Parámetros Los parámetros operacionales para los dos casos estudiados son los siguientes:

Caso 1:

Temperatura del agua : 80 [°C]

Temperatura inicial trozo: 25 [°C]

Temperatura final trozo: 80 [°C]

Coeficiente de convección natural del agua: 500 [W/m2K]

Caso 2:

Temperatura del agua: 80 [°C]

Temperatura inicial trozo: 25 [°C]

Temperatura final trozo: 80 [°C]

Coeficiente de convección forzada del agua: 3000 [W/m2K]

Materiales

El material empleado corresponde al eucaliptus nitens el cual posee las siguientes propiedades las

cuales fueron ingresadas al programa Comsol multiphysics.

Constantes Valor

K 0,13

Cp 1,393

a 1,00E-07

β 5,78E-04

𝜌 450

k: Conductividad térmicamadera, [W/mK].

Cp: Calor especifico de la madera, [kJ/kg· K].

a: Difusividad térmica madera, [m2/s].

β: Coef. de expansión volumétrica madera.

𝜌: densidad de la madera [kg/m3]

Geometría Las dimensiones de la troza estudiada son las siguientes:

Diámetro: 0.3 [m]

Largo: 4[m]

Malla El mallado que se aplicó en ambos casos o estudios corresponde a una malla extra fina.

Resultados

Temperatura caso 1

Al analizar los tiempos de calentamiento se obtuvo que el trozo alcanza una temperatura

homogénea de 80°C a los 91600 segundos lo que equivale a 25.4 hrs , lo cual está dentro de los

rangos esperados ya que en la industria el tiempo registrado para trozas de este diámetros es de

25 hrs

Temperatura caso 2

En este caso con un coeficiente de convección de 3000[W/m2K] que representa la piscina con un

mayor grado de agitación del agua se obtiene como resultado como lo indica la gráfica que se

alcanza una temperatura homogénea de 80°C a los 90100 segundos lo que corresponde a 25 hrs

disminuyendo el tiempo de calentamiento en 25 min lo cual no corresponde a una diferencia

significativa en comparación a la cantidad de horas que dura el proceso.

Modelaciones Extras

Caso: 500 [W/m2K] a 90°C o 363.15 [K]

Caso: 3000 [W/m2K] a 90°C o 363.15 [K]