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Título : Modelado Matemático Del Secado De Madera Subtropical Por Convección De Aire Caliente
Autor : Dr. Sandoval Torres, Sadoth
Dr. Rodríguez Ramírez, Juan
Hernández Bautista, Emilio
Palabras clave : Modelado Matemático
Madera Subtropical
Aire Caliente
Fecha de publicación : 31-oct-2011
Resumen : This work was divided into three parts. In the first part we obtained the experimental drying kinetics for Mexican softwood (Pinus pseudostrobus). In the second part, from experimental data we have developed a semi-empirical model (Characteristic Drying Curve), In the third part we have proposed a phenomenological drying model that involves heat transfer and mass transport during the drying process. To validate the models, we have analyzed the drying experiments. All drying trials were carried out in a drying tunnel (CIIDIR Oaxaca) at different conditions of temperature, keeping constant the ariflow speed. The relative humidity was not controlled. The experiments had an average duration of 70 hours, each of one with its replicate. From experimental data was obtained a model based on the method of the drying characteristic curve (DDC). This model allow to simulate the moisture content evolution. This model takes into account the reduced drying rate, and the identification of drying´s stages. This model considers a drying rate of reference and establishes the assumption of moisture content dependency. During drying process two zones or stage are identified, the first one called the capillary domain, where migration of moisture is strongly influenced by the capillary forces, and the second one, corresponding to diffusion of water and bounded water. The parameters of the proposed model were estimated by reducing the quadratic error between the experimental curves and the theoretical results. The parameters of this model were estimated in Microsoft Excel by using the SOLVER tool. In the third part of this work, a phenomenological formulation was developed. The model describes the mechanisms of heat and mass transport during drying. Wood is a porous medium where the water is present at different states. We consider these states as chemically inert phases. The mass and heat balance are given in the frame of the Representative Volume Element (RVE), which contains the four phases, and it is enough small to consider a local thermodynamic equilibrium. The RVE considers the solid phase (matrix), liquid phase, gaseous phase (vapor and air) and bounded water. The flow of free-water is governed by Darcy's law, the bound water by Fick's law, and water vapor and dry air is a combination of mechanisms convection-diffusion. Then, the model solves 3 unknowns: The moisture content represented in the equation of conservation of moisture, temperature in the heat equation, and air density in the equation of conservation of dry air. These all equations are highly coupled, and the macroscopic scale is coupled to the dryer scale too by means of the boundary conditions. The equations were solved in COMSOL 3.4. The PDE module was used in this approach. The general form for the mass balance and the coefficient form for the heat balance. The thickness of the wood was discretized with 753 degrees of freedom. The system of partial differential equations was solved by numerical factorization by using UMFPACK. UMFPACK solves the linear systems by using a pattern multi frontal non-symmetric method and by factoring sparse matrix. The phenomenological model is able to simulate the spatial profiles of moisture content, density of dry air, temperatures by taking into account the constitutive properties of wood. The two models developed were validated by comparison with the experimental kinetics. The numerical results and experimental measures provide some confidence in the proposed model.
Descripción : El presente trabajo está dividido en tres partes. En la primera se obtienen cinéticas de secado experimentales para madera de Pino pseudostrobus. En la segunda, se desarrolla un modelo semi-empírico, a partir de datos experimentales, basado en el método de la curva característica. En la última parte se desarrolla un modelo fenomenológico que involucra ecuaciones de transferencia de calor y masa durante el secado por convección de aire caliente. Para validar los modelos se analizan experimentos de secado, los cuales se llevaron a cabo en un túnel de secado del laboratorio del CIIDIR Unidad Oaxaca a diferentes condiciones de temperatura, manteniendo la velocidad del aire constante y no controlando la humedad relativa del túnel. Los experimentos tuvieron una duración promedio de 70 horas, cada uno con su réplica. A partir de datos experimentales se obtuvo un modelo basado en el método de la curva característica de secado (CCS), para la simulación de la evolución del contenido de humedad en el material respecto al tiempo, el modelo parte del análisis de la rapidez de secado reducida y la identificación de fases del secado. Considerando una rapidez de secado de referencia y estableciendo la hipótesis de que los mecanismos de transporte de humedad dependen principalmente del potencial de humedad reducido. De lo anterior se tiene la presencia de dos zonas, la primera identificada como dominio capilar, en donde la migración de humedad está fuertemente influenciada por la presión capilar al interior del medio. La segunda, corresponde a la difusión de vapor de agua simultáneamente con la difusión de agua ligada. El modelo semi-empírico deducido requiere del cálculo de parámetros. Para determinar cada uno de estos valores resulta conveniente adoptar un sistema de análisis lo más sencillo posible y que permita optimizar los ensayos realizados. Por lo tanto los parámetros del modelo propuesto se estimaron reduciendo la diferencia cuadrática entre las curvas experimentales y las teóricas En la tercera parte del trabajo se desarrolla un modelo matemático Multi-fisico que describe los mecanismos de transporte de calor y masa durante el secado por convección de aire caliente de madera. La madera es un medio poroso en el que el agua se encuentra en distintos estados, cada uno de ellos considerados como fases que no reaccionan químicamente entre sí. Para la formulación del modelo fenomenológico el balance de materia y calor se da en el Elemento de Volumen Representativo (EVR), que contiene las tres fases, y es suficientemente pequeño como para considerar un equilibrio termodinámico local. El EVR considera a la fase sólida (matriz), líquida, gas (vapor y aire) y agua higroscópicamente ligada. El flujo de agua líquida se rige por la ley de Darcy, el agua ligada se rige por la Ley de Fick y el vapor de agua y aire seco es una combinación de mecanismos convección-difusión. El modelo resuelve tres variables; Contenido de humedad representado en la ecuación de conservación de humedad; Temperatura en la ecuación de calor; y densidad del aire en la ecuación de conservación de aire seco. Estas ecuaciones se encuentran altamente acopladas, y se relacionan con las condiciones del secador a través de las condiciones frontera. Las ecuaciones son incorporadas en COMSOL Multiphysics 3.4, en el modulo PDE, en la forma general para los balances de masa y forma de coeficiente para el calor. El espesor de la madera se representa como una línea recta y es discretizada en tiempo y espacio con 753 grados de libertad. El sistema de ecuaciones diferenciales parciales es resuelto por factorización numérica UMFPACK que resuelve sistemas lineales, utilizando un patrón multifrontal no simétrico y factorización directa LU de la matriz esparcida. Los modelos simulan la cinética de humedad global en el material, sin embargo el modelo fenomenológico es capaz de simular los perfiles espaciales de contenido de humedad, densidad del aire seco, calor y las propiedades constitutivas en el espesor de la madera en cada segundo del proceso. Los modelos desarrollados son validados comparándolos con las cinéticas experimentales en donde se muestra una buena correlación entre los modelos desarrollados y datos reales de las cinéticas de secado, a diferentes temperaturas del proceso.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/15621
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