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Balance de Materia y Nergia Proyecto de Investigacion 1
Balance de Materia y Nergia Proyecto de Investigacion 1
Balance de Materia y Nergia Proyecto de Investigacion 1
Presentado por:
PACORI CONCORI CARLOS EDUARDO
QUISPE SUCARI EMMANUEL ENRIQUE
USCAMAYTA ROCCA JHON ALMILCAR
V SEMESTRE
Juliaca-Puno
2023
CONTENID
1
O
CONTENIDO........................................................................................................2
1. RESUMEN..................................................................................................4
2. INTRODUCCIÓN.......................................................................................4
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA....................................................5
4. JUSTIFICACIÓN........................................................................................5
5. OBJETIVOS................................................................................................6
5.1 Objetivo General:..................................................................................6
5.2. Objetivo específico:...................................................................................6
6. ANTECEDENTES......................................................................................6
7. MARCO TEORICO....................................................................................7
7.1. Especies forestales en zonas alto andinas............................................7
7.2. Taxonomía..............................................................................................7
7.3. Eucalipto (Eucaliptus globulus)............................................................8
7.4. Factores que intervienen en el secado..................................................8
7.5. Propiedades de la Madera de tipo Eucalyptus globulus.....................8
7.6. Partes de la madera...............................................................................9
7.7. Distribución..........................................................................................10
7.7.1. Distribución de Eucalyptus globulus. Nativa (verde) e Introducida
(morado) 10
7.8. Hábitat..................................................................................................10
7.9. Humedad de la Madera.......................................................................11
7.10. Importancia económica y cultural del eucalipto...........................12
7.11. Secado................................................................................................13
7.12. Defectos por secado..........................................................................13
7.13. Balance de la materia.......................................................................13
7.14. La ecuación general de balance de materia...................................14
7.15. Balance de materia en estado estacionario....................................14
7.16. Balance de masa durante el secado.................................................15
7.19. Contenido de humedad....................................................................17
7.20. Método gravimétrico o por diferencia de peso..............................18
7.21. Norma técnica peruana....................................................................18
2
7.22. Aserrado de las trozas y rodajas.....................................................19
7.22.1. Obtención de la viga o pieza central..............................................19
8. METODOLOGÍA......................................................................................21
8.1. Recojo de la muestra de eucalipto......................................................21
8.1.1. Ubicación...........................................................................................22
8.2. Método empleado.................................................................................22
8.4. Formula general de -balance de materia...........................................23
8.5. Balance parcial....................................................................................23
8.6. Composición porcentual......................................................................24
10. PROCEDIMIENTO..................................................................................24
3
1. RESUMEN
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo realizar un balance de materia
en un proceso de secado de madera para calcular el porcentaje de agua que tendrá el
eucalipto (Eucalyptus globulus), las muestras de madera fueron colocadas en la estufa
durante este periodo se toma el peso de la madera inicial y final, en segundo aspecto se
utiliza método gravimétrico para determinar el porcentaje de humedad así mismo se
utilizó el balance de materia en estado estacionario. La madera obtenida después del
secado tiene un bajo contenido de agua, desde el punto de vista industrial puede ser
aprovechada para la elaboración de muebles logrando el desarrollo sustentable de las
especies forestales, ya que, a diferencia de otras especies forestales, esta especie es de
rápido crecimiento, madera semidura y fácil manipulación ayudando contra la
deforestación de nuestras especies nativas.
Palabras clave:
Deforestación, Eucalipto (Eucalyptus globulus), balance de materia, desarrollo
sostenible, secado de madera.
2. INTRODUCCIÓN
La deforestación de especies forestales nativas del Perú, especialmente en el
departamento de Puno, es abundante es por ello que, a través de técnicas, cálculos y
estudios de laboratorio, se realizará un proceso muy importante en la industria
maderera, es el secado ya sea de manera natural o artificial (estufa) de la madera.
El secado en la industria maderera se utilizan estufas con grandes capacidades de
almacenamiento, cuya finalidad es eliminar el porcentaje de humedad del interior de la
madera, minimizar posibles defectos, invertir el menor tiempo posible y consiguiendo
así la optimización del proceso y la obtención de materias primas (madera seca) aptas
para procesos secundarios posteriores. Para encontrar una solución al uso de diferentes
especies forestales nativas, se plantea como la especie forestal de Eucalipto (Eucalyptus
globulus) para el aprovechamiento de sus recursos y su uso para la industria maderera
como cerraduras, fabricación de papel, muebles así mismo en la industria de la
construcción.
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Para el secado de madera de esta investigación se utilizan los estándares
planteados por el SERFOR ya que cada especie posee distinto porcentaje de agua, el
método gravimétrico nos ayuda a determinar la humedad entrante y saliente.
4. JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo de investigación se realizó para encontrar soluciones a los
principales problemas que genera la deforestación masiva de especies forestales para la
producción de pasta de papel, cerraduras y muebles. El Perú tiene muchos bosques con
una gran variedad de especies. Sin embargo, la deforestación se concentra en un
pequeño número y en su mayoría es realizada por máquinas (Díaz, 2019).
Todas las formas de costos de transporte son el componente de costo más
importante en la etapa de financiamiento, y el acceso a los bosques está formalmente
regulado por leyes de restricción de acceso. Sin embargo, la incapacidad del estado para
monitorear el cumplimiento le ha impedido promover efectivamente el uso renovable de
los recursos forestales (MINAM, 2019).
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La mayoría de los que se dedican a la tala son personas independientes o
informales que cultivan en áreas pequeñas con poca mecanización (motosierras). Los
extractores pequeños son los más difíciles de controlar, ya que se mueven por el bosque
e ignoran las áreas asignadas (Acosta, 2006).
5. OBJETIVOS
5.1 Objetivo General:
Aplicar el balance de materia y energía en un sistema estacionario de
secado en la especie forestal Eucalipto (Eucalyptus globulus)
6. ANTECEDENTES
Según Enríquez (2005), en Australia el Eucalipto (Eucalyptus globulus) es la
primera especie de género más plantada así mismo es exportada a otros países ya que es
considerada como una de las principales especies de eucaliptos para plantaciones
industriales en el mundo también se desarrollan trabajos de mejoramiento genético con
esta especie.
Pinedo (2005), propone en su investigación modelos para predecir las tasas de
secado en la madera de Eucalipto utilizándose piezas tangenciales con espesor de 36
mm y un ancho de 100 mm a tres distintas condiciones con una velocidad de aire de 2
m/s teniendo como resultados que las piezas de (Eucalyptus nitens) sólo mostraron la
6
segunda y tercera fase de secado. La tasa de secado promedio entre la Condición 1
(60°C) y la Condición 2 (105 °C), mostró diferencias significativas.
Rojas-Vargas, A. (2016), realiza un estudio de “Balance de energía en un horno
de secar madera” determino las ecuaciones de balance de energía en un horno de secar
madera y se calculó el consumo energético para tres valores de humedad inicial: 62, 72
y 82 % base seca. Las dimensiones de la cámara de secado son: 5,81 X 1,66 X 2,23 m
(largo x alto x ancho), el volumen de madera, cedro blanco, es de V=10,93 m3. El
mayor consumo energético se obtuvo en la etapa 1 donde se precalienta la madera y la
estructura del horno desde sus condiciones iniciales hasta la temperatura de bulbo seco
fijada, esta energía disminuye en la medida que decrece la humedad inicial y se debe
utilizar para calcular el sistema de calentamiento. Las mayores fuentes de consumo de
calor son: (1) el calor requerido para evaporar la humedad y romper los enlaces entre las
fibras de madera y el agua; (2) el calor requerido para calentar el aire alimentado al
horno para sustituir el aire húmedo que fluye en la cámara hasta la temperatura de bulbo
húmedo fijada. Se establecieron siete recomendaciones para disminuir el consumo
energético.
7. MARCO TEORICO
7.1. Especies forestales en zonas alto andinas.
Las especies forestales nativas de la zona altiplánica , son sin ninguna duda de
mucha importancia dentro de las comunidades rurales, de ellas se obtienen importantes
productos maderables como no maderables, la presencia del componente forestal
protege al cultivo de los fríos y fuertes vientos, aumenta la temperatura generando un
microclima dentro del sistema, provee de sombra ante la radiación solar intensa, actúa
como en verdadera red de retención de suelo mejorando así las condiciones y reciclaje
de los nutrientes del suelo, fija carbono y protege las cabeceras de cuencas; en general
incrementa ventajas ambientales, sociales y económicas en el conjunto de la sociedad
(Arica, 2003).
7.2. Taxonomía
En Perú se cuenta con varias especies del género Eucaliptus. Todas fueron
introducidas desde otras regiones del planeta (especies exóticas) gracias a los proyectos
y programas fomentados por instituciones públicas y privadas. Sus principales
7
aplicaciones están orientadas hacia la forestación y reforestación por unos 150 años.
Muchas de estas introducciones fueron realizadas para ensayos de adaptabilidad a las
nuevas condiciones medioambientales de nuestra región (MINAM, 2019).
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7.5. Propiedades de la Madera de tipo Eucalyptus globulus
Color: El duramen es de color marrón pálido, casi amarillo. La albura
de color claro o gris pálido. Fibra: Entrelazada.
Grano: De medio a grueso. Dureza y Densidad: Tiene una densidad
aproximada de 780-830 kg/m3 al 12% de humedad, sin embargo, no es
uniforme en todo el tronco.
Dureza: Se trata de una madera semidura, La dureza es una propiedad
de referencia para conocer la trabajabilidad de la madera y debe
considerarse para cualquier utilización en que la madera esté sometida a
impactos.
Durabilidad: Moderadamente duradero. Susceptible al ataque de
insectos. Puede usarse sin problemas al exterior, siempre y cuando se
haya tratado correctamente. Estabilidad.
Dimensional: Es una madera con importantes tensiones internas. Estas
son mayores en los árboles jóvenes y se van relajando con el tiempo.
Los coeficientes de contracción radiales y tangenciales permiten
estimar los problemas que pueden originarse durante el secado y los
posteriores movimientos de la madera una vez puesta en servicio.
Variación en el sentido radial: En todos los casos, las propiedades (a
excepción del punto de saturación de la fibra) presentan una fuerte
tendencia a variar en el sentido radial, incrementándose de forma más o
menos acusada desde la médula y hacia la corteza (Ernesto, 2005).
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Cambium: La capa delgada de células vivas dentro de la corteza se
llama cambium. Es la parte del árbol que crea nuevas células
permitiendo al árbol crecer y ser más grueso cada año.
Albura (Xilema): El nombre científico para albura es xilema. Esta
capa la forman una red de células vivas que traen agua y nutrientes
desde las raíces hasta las ramas, ramitas y hojas. Es la madera más
joven del árbol, con los años, las capas internas de albura mueren y se
convierten en duramen.
Duramen: El duramen es albura muerta en el centro del tronco. Es la
madera más dura del árbol, por lo que proporciona soporte y fortaleza.
Usualmente su color es más oscuro que la albura (Ernesto, 2005).
7.7. Distribución
Es natural de Australia. El género es uno de los árboles más conocidos de la
flora australiana ya que por su rápido crecimiento se ha extendido por todo el
mundo para su aprovechamiento industrial (Díaz, 2019).
Fuente:Diaz (2019)
10
7.8. Hábitat
Prefiere suelos ligeramente ácidos y zonas frescas y húmedas.
11
aproximadamente 30% en la madera. A este contenido de humedad se denomina Punto
de Saturación de la Fibras (PSF) (MINAM, 2019).
12
7.11. Secado
El secado de la madera es un proceso que se justifica para toda pieza que tenga
uso definitivo en el interior de la vivienda (queda incorporada a la vida útil de ésta), sea
con fines estructurales o de terminación (Fritz, 2004).
Arqueaduras
Acanaladura
Encorvadura
Torcedura
Colapso
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Se pueden distinguir cuatro tipos de balances de materia dependiendo del tipo de
sistema:
Acumulación = Entrada - Salida + Generación -
Consumo.
Entrada = Salida.
Sistema en estado estacionario, no hay acumulación ni reacciones químicas.
O, en forma abreviada:
E + G - S - C = A.
Por entrada se considera toda la materia que ingresa al sistema a través de sus
fronteras. Por generación, toda la materia que se produce dentro del sistema (cuando el
proceso es reactivo). La salida corresponde a toda la materia que sale del sistema a
través de sus fronteras. El consumo se refiere a la materia que se consume o utiliza
dentro del sistema (cuando el proceso es reactivo). La acumulación corresponde a la
materia que se acumula dentro del sistema (A>0 si E+G > S+C; A< S+C) (Bolívar,
2019).
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en marcha y paradas, el tiempo no es una variable a considerar, por lo que las variables
intensivas dependen solamente de la posición, siendo el régimen estacionario. En estos
sistemas en estado estacionario el término acumulación desaparece, simplificándose la
ecuación a la siguiente: (Gallegos, 2021).
Entradas + Producción = Salidas
A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se
simplifica todavía más:
Entradas = Salidas
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comprender cómo se maneja y se transfiere la energía en un sistema dado (Rojas-
Vargas, A. 2016).
En general, el balance de energía se basa en la ley de conservación de la energía,
que establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede transformar de
una forma a otra. Por lo tanto, la cantidad total de energía que entra en un sistema debe
ser igual a la cantidad total de energía que sale del sistema, más cualquier cambio en la
energía almacenada en el sistema (Rojas-Vargas, A. 2016).
Para llevar a cabo un balance de energía, se deben tener en cuenta varios
aspectos:
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decisiones informadas para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad (Rojas-Vargas, A.
2016).
Donde:
La entalpía tiene en cuenta la energía interna del sistema (la energía cinética y
potencial de las partículas que lo componen) y la energía asociada con la expansión o
contracción del sistema a presión constante. En sistemas a presión constante, como la
mayoría de las reacciones químicas que ocurren a presión atmosférica, los cambios en la
entalpía son directamente proporcionales al calor transferido hacia o desde el sistema
(Rojas-Vargas, A. 2016)..
Se definen dos términos relacionados con la entalpía:
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Entalpía estándar (H°): Es la entalpía de una sustancia en su
estado estándar a una temperatura y presión específicas. Se utiliza
como referencia para medir los cambios de entalpía en las
reacciones químicas.
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Pi: Peso inicial (húmedo).
Po: Peso final (seco).
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Fuente: COPANT (2018)
20
Fuente: COPANT (2018)
La Norma ASTM considera para estos ensayos de entre cinco a diez probetas
libres de defectos de por lo menos cinco árboles diferentes (10 a 25 probetas en total).
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7.25. Probetas para ensayos de propiedades físicas
Estos ensayos contemplan la determinación de las siguientes propiedades físicas:
Densidad; contenido de humedad; peso específico; contracciones volumétricas;
contracción tangencial, contracción radial y la relación de contracción tangencial a
radial para dos condiciones de la madera: de verde a anhidra o seca al horno, y de verde
a un contenido de humedad de aproximadamente 12%. Según disponibilidad de
material, con las dimensiones estipuladas en la norma ASTM D143-94, se prepararán
probetas con dimensiones de 2,5 cm x 2,5 cm x 10 cm (Welling, 1994).
8. METODOLOGÍA
8.1. Recojo de la muestra de eucalipto
El distrito de Capachica se encuentra localizado en la Región Puno, provincia de
Puno, Departamento de Puno a una altitud de 3,880 m.s.n.m. latitud sur 15° 38' 30” y
longitud oeste 69° 49' 50”
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Imagen 8: Lugar de muestreo
8.1.1. Ubicación
En el departamento de Puno provincia de San Román del distrito de Juliaca,
laboratorios de la ciudad universitaria- UNAJ Ayabacas, con localización. (-
15.4891859, -70.151464).
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8.3. Balance de Materia en un Sistema Estacionario:
Proceso en estado estacionario, aquel cuyo estado (i.e. las variables que
intervienen en el mismo) no cambia en el tiempo o sus variaciones son despreciables
durante un intervalo de tiempo suficientemente amplio. Podríamos decir que:
ṁA= ṁB + ṁC
Bloque A:
Bloque B
Usaremos lo datos que obtendremos al finalizar el proceso de secado que
son:
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masa de perdida de humeda=masa de la madera en A−masa de la madera en C
Bloque C
Al realizar el balance de materia en los bloques A y B, calcularemos las
masas de madera y agua en C
Masa del agua
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10. PROCEDIMIENTO
Iniciar la parte experimental haciendo el corte de las muestras de madera, de la
especie de eucalipto en forma tangencial, en forma de probetas de 2cm x 2cm,
10 cm de largo en una cantidad de 12 probetas de cada especie. Y hacer la
rotulación en cada probeta.
Pesar cada probeta en la balanza de precisión y anotar cada dato de las 12
probetas.
Introducir las 12 probetas de Eucalipto a la estufa a una temperatura de 35ºC
durante 2 horas.
Seguidamente se programa la siguiente curva de temperaturas para alcanzar los
105°C de forma escalonada: 2 horas 35°C, 2 horas 75°C y finalmente 5 días a
105°C para el eucalipto.
Después de terminar el proceso de temperatura, colocamos las 12 probetas en un
desecador para que enfríen y su peso no varié al terminar.
Finalizado el programa, se sacan las probetas. Finalmente se realiza el pesado de
las probetas en la balanza de precisión.
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