Secado por radiofrecuencia

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Willler Will ler Ferney Montes G.*, Raúl Hernando Delgado*

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ * GRUPO DE APLICACIONES EN ELECTRÓNICA – GAPE LÍNEA DE INVESTIGACIÓN GITEC - UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO. FACULTAD DE INGENIERÍA

Calle 67 Carrera 22, IBAGUÉ – Tolima - COLOMBIA Tel.: +58-2-709400 ; Fax: +58-2-740091 E-mail: [email protected]

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Este proyecto, desarrollado dentro de GAPE con la colaboración del Grupo de Investigaciones del Laboratorio de Maderas de la Universidad del Tolima, gira en torno a validar la eficiencia y operatividad del secado de madera por radio frecuencia (RF), con miras a la posibilidad real de aplicación e implementación en el sector productivo. El Proyecto se plantea en dos fases: La primera fase, que ahora está en desarrollo, se bosqueja como plataforma investigativa y generadora de alianzas estratégicas en el sector de impacto. Aquí, se realizó todo el estudio respecto a la eficacia de este sistema de secado no convencional, teniendo en cuenta el posible impacto negativo que pudiera provocar en las caracteristicas inherentes al propio material sometido a secado, así como a los operarios del equipo (radiación nociva). Se realizan pruebas de calientamiento por RF con equipamento de Laboratorio para validar el método; ccomo resultado del estudio se diseña e implementa un prototipo de sistema de generación de radio frecuencia (RF), para ser acoplado al horno que permitirá el secado de los materiales a prueba. La fuente de energía de RF está a una frecuencia de 40.7 MHz y permite manejar potencias entre 700 y 1000 vatios, usando la tecnología de tubos al vacío (Tríodo); cuenta además con un control eléctrico de tiempo de secado con posibilidades de operación manual y automática, útil para llevar a cabo labores investigativas. Este abre la brecha a investigaciones futuras en este campo, donde se espera validar la eficiencia y operatividad del secado por este método, tanto para diferentes tipos de madera como incluso para el secado y la deshidratación de diversos materiales. En la segunda fase, gracias al aporte de los grupos de investigación comprometidos en esta tarea, se espera poder implementar un horno de secado industrial, que permita incrementar en la región la producción industrial de madera seca de óptima calidad a un costo razonable mediante la implementación de este

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sistema de secado no convencional, disminuyendo el tiempo y el porcentaje de defectos en el

material inherentes a dicho proceso.

La industria maderera colombiana debe adoptar estrategias que encaminen al mejoramiento de las características requeridas por el mercado en la comercialización de madera, buscando obtener resultados óptimos que permitan competir a nivel nacional e internacional. Como la madera es un material orgánico, si no se tienen los cuidados especiales, su tiempo de vida útil sería muy corto ya que ésta se encuentra expuesta a la degradación natural o artificial por medio de factores externos tales como el clima, daños provocados por animales o por el mismo hombre. Para la preservación de la madera existen infinidad de métodos con infinidad de costos y resultados, pero el principal y más importante es el secado, ya que controla los contenidos de humedad requeridos por los hongos y los insectos para su desarrollo (JUNAC, 1988); el secado es importante también para el transporte de la madera, ya que al extraérsele el agua, este material pierde gran cantidad de su peso, pudiendo de esta forma transportar mayor volumen; las empresas de transporte maderero basadas en estibas, deben cumplir con los requisitos especificados en la norma internacional fitosanitaria NIMF No.15 que ordena el secado de estibas por un lapso de media hora a una temperatura de 56ºC. El secado por radiofrecuencia se presenta como una gran alternativa que puede ser utilizada para diferentes estudios en la caracterización y secado de la madera. El principio de calentamiento por radio frecuencia se basa en el movimiento de cargas eléctricas debido a un campo eléctrico dentro de un átomo dado (polarización electrónica) y a los límites entre dos entornos homogéneos (polarización iónica). Al aplicar un campo eléctrico a un material, sus átomos o moléculas con cargas negativas (electrones) y cargas positivas (protones) tienden a deformarse, ya que las cargas son atraídas por electrodos de polaridad opuesta. Cuando se invierte la polaridad del electrodo, las cargas del

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átomo o molécula se mueven en sentido opuesto y estos cambios sucesivos de dirección causan calentamiento por fricción; por lo tanto, a mayor frecuencia del campo eléctrico más intensa será la fricción y mayor el calentamiento. Este método se basa principalmente en generar una radiación de frecuencia a alta potencia sobre la madera y de forma similar a como actúan las ondas microondas sobre los cuerpos, las moléculas de agua que se encuentran en el interior del material serían excitadas de tal forma que se produciría el calor necesario para llevarlas al punto de ebullición, de esta manera, se evaporaría el agua de adentro hacia fuera del material, obteniendo un secado homogéneo. El secado de madera por radiofrecuencia se presenta como una alternativa de estudio y mejoramiento de las propiedades que debe poseer la madera para su posteriror comercialización en el mercado; es necesario conocer que niveles de potencia se requieren para la implementación y radiación del objeto de estudio. En Colombia el método mas utilizado para secar la madera es al aire libre. Mediante este método se pueden obtener pérdidas de hasta un 15% con un contenido de humedad final de mínimo 25%, en tiempo que oscila entre los 30 y 40 días dependiendo de la especie y las condiciones climáticas (JUNAC, 1989). La introducción de hongos e insectos en el mercado internacional a través de productos como estibas, obligó a la elbaoración y posterior aplicación en Colombia de la Norma Internacional Fitosanitaria. En cuanto a referentes internacionales se puede observar que son los países industrializados como Alemania, Rusia e Inglaterra los que han descubierto grandes avances en este campo, por ejemplo: “en Rusia se utilizan las cámaras de secado convencionales, dentro de las cuales se introduce un sistema de electrodos de alimentación por radio frecuencia, colocados a intervalos a través de la pila de madera que está expuesta a su vez a un flujo de aire frío y húmedo. (JUNAC, 1989). En procesos de secado mediante RF, la temperatura utilizada es más baja que la correspondiente a la ebullición del agua, eliminándose así el riesgo de debilitamiento de la madera por explosiones internas, pero si asegurando la disminición de humedad, he incrementando la temperatura de la madera, que impide el desarrollo de hongos e insectos. En especies que

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son susceptibles al agrietamiento superficial, el tiempo de secado se reduce a una quinta parte en relación con el tiempo de secado tradicional . “En Inglaterra existen varias plantas que utilizan el sistema de transportador (conveyor). Mediante este proceso la madera colocada en un transportador continuo pasa entre electrodos que la calientan por radiofrecuencia. Según lo anterior se ha estimado que se requiere el consumo de 1.5 Kwh. para evaporar cada kilogramo de agua”. Según antecedentes históricos, La primera patente para utilizar este método en el secado de la madera fue otorgada en 1929, pero fue F. Kollmann junto a un grupo de investigadores soviéticos, quienes realizaron aplicaciones experimentales del mismo principio en 1936 . En Chile también se viene implementando este método, con la pequeña variación de realizarlo a la par con un sistema de prevacío. A nivel nacional, este tipo de secado no está implementado para la madera, pero sí en algunas pocas industrias textileras; este es el caso de  Tintexa , empresa antioqueña que seca sus telas por este medio. En Ibagué, este proceso no se ha llevado a cabo en ninguna empresa. El único antecedente de secado de madera encontrado en la región, se tiene en la Universidad del Tolima en el año 1997, en un Trabajo de Grado de dos estudiantes de Ingeniería Forestal, asesorados por un profesor de Física (MARTINEZ y PÁRAMO, 1997). . El proyecto consistió en la elaboración de un prototipo de cámara cerrada a manera de horno, para secar tablas de madera (10 cm de ancho x 3 mts de largo x 2,5 cm de espesor); en este prototipo las características de diseño y de aprovechamiento de recursos fueron muy rudimentarias, tanto que no se tuvo en cuenta la evacuación de vapores y gases emanados considerando que el espacio en la cámara era muy reducido para la circulación óptima del aire. La frecuencia utilizada fue de 1 MHz, logrando secar la madera, con unos resultados aceptables, aproximadamente en 15 horas. En este proyecto se pretende realizar mediante tecnología Colombiana de fácil adquisición en el mercado, un horno de mediano tamaño que cumpla con lo dispuesto en la NIMF 15 y demás normas técnicas colombianas

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utilizadas en este sector (NTC's: 206, 3832, 4680, 3447, 824, 825; ISO 9427), que sea rentable para un productor maderero teniendo en cuenta el volumen de madera a secar y el tiempo utilizado para este proceso.

El primer paso a realizar es un estudio técnico detallado de la temática, basado en un rastreo de los antecedentes y el estado del arte. De acá se consiguen las especificaciones técnicas del prototipo inicial (primera fase), sobre todo las concernientes a la señal de RF a generar. El paso inicial a la hora de diseñar el prototipo propuesto es seleccionar adecuadamente la frecuencia de RF con la que operará; esto debe hacerse realizando un serio análisis del estado del arte en la temática, bajo las perspectivas de la Legislación en Telecomunicaciones y de los “efectos nocivos” que puede generar en su entorno normal de operación. Básicamente, el sistema de obtención de calentamiento dieléctrico por radio frecuencia (RF) está compuesto de un generador de corriente de radio frecuencia (que incluye las fuentes de alimentación DC), un dispositivo adaptador o acoplador de impedancias entre generador y carga, un sistema de electrodos o placas conductoras (condensador físico externo, popularmente llamado ¨cocina¨) y otros aditamentos auxiliares para protecciones, control eléctrico y manejo del material (Figura 1). Teniendo como datos previos (especificaciones de diseño) los valores de consumo de voltaje y corriente de alimentación del sistema (dependiendo de las especificaciones eléctricas del tubo de vacío que se seleccione), valores esperados de salida de potencia AC de este (de 500 a 1000 W en el prototipo de la fase 1), la señal de entrada al oscilador, se diseña el Amplificador y el oscilador de RF; se procede a realizar las respectivas simulaciones en programas de computador destinadas para este tipo de aplicación, como lo son el Proteus y el Orcad -PSpice; gracias a este tipo de software se podrán realizar posteriores ajustes a los valores de los dispositivos a utilizar en dichas etapas y con estos datos se compararán lo valores ideales con los reales obtenidos al final del proyecto (GRAY, Truman S, 1956).

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Al finalizar el diseño se procederá a realizar la compra del tubo al vacío como elemento principal del dispositivo. Una vez se tenga el tubo de vacío, se deberán realizar las pruebas de caracterización y parametrización del mismo, esto se hace para corroborar o refutar los datos obtenidos teóricamente en la etapa de diseño; con los nuevos datos se debe realizar una nueva simulación para obtener definitivamente los datos reales de los elementos secundarios del circuito, como lo son las bobinas, condensadores y resistencias. Posteriormente se realizará la construcción de las bobinas, tanques resonantes (osciladores y filtros) y circuitos de acople del circuito; al ir ensamblando cada una de estas partes se irán realizando ajustes para la calibración total y sintonización del equipo. Este deberá cumplir con la radiación de frecuencia durante media hora, según la norma NIMF15 Para la segunda fase, o sea el horno industrial, se seguirá una metodología similar, teniendo en cuenta los cambios necesarios en algunas de las variables del sistema, y en el mismo tamaño físico del material a secar. Se construirá una guía de onda que se conectará a una plancha en la cual se colocarán las piezas de madera; esta plancha será controlada mediante un PLC (Dispositivo utilizado en el control de sistemas industriales), conectado a un computador que tendrá instalado el software LabView para análisis de variables industriales, el cuál será el encargado de controlar el tiempo de radiación y la variación de potencia, y de monitorear la temperatura y la humedad relativa del proceso de secado. En un equipo de estas carácterísticas el proceso de radiación se da por medio de intervalos de tiempo, aprovechando los intervalos de desconexión para tomar las respectivas mediciones de temperatura y humedad relativa, y dependiendo de estas lecturas el procesador le ordenará al equipo el aumento o disminución de potencia para el siguiente ciclo de radiación. Una vez calibrado el equipo se procederá a estudiar el comportamiento al secado de algunas especies de madera siguiendo la metodología propuesta por la JUNAC (1989). Estadíaticamente se utilizará un modelo completamente al azar utilizando un mínimo de 10 probetas por especie a las cuales se evaluará densidad, contracciones, contenido de humedad inicial según las NTC's Colombianas (206, 3832, 4680, 3447, 824, 825

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e ISO 9427) para tales efectos. Despúes del secado se valorará para cada una de las especies la velocidad de secado y se clasificará por defectos según la metodología expresada anteriormente.

En la primera fase, se realizará un generador que servirá como fuente de energía RF para ser acoplado a un horno de secado; se espera que este equipo tenga las características necesarias para generar ondas que puedan ser utilizadas en el estudio de propiedades eléctricas y magnéticas de materiales mediante el efecto que ocurre en los cuerpos cuando estas ondas se propagan en estos medios, además se pretenden confrontar los resultados con la comunidad de científicos y expertos en la materia. Este abre la brecha a investigaciones futuras en este campo, donde se espera validar la eficiencia y operatividad del secado por este método, tanto para diferentes tipos de madera como incluso para el secado y la deshidratación de diversos materiales. En la segunda fase, gracias al aporte de los grupos de investigación comprometidos en esta tarea, se espera poder implementar un horno de secado industrial, que permita incrementar en la región la producción industrial de madera seca de óptima calidad a un costo razonable, disminuyendo el tiempo y el porcentaje de defectos en el material inherentes a dicho proceso. Se espera acá, bajo procesos de control, cumplir con todos los requerimientos específicos en cuanto a temperatura, humedad relativa y tiempo de secado de madera, según la norma fitosanitaria NIMF No.15.

Dotar al Programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué, un generador de RF que sirva de plataforma investigativa y generadora de alianzas estratégicas interinstitucionales, tanto con universidades y grupos de investigación, como con el sector empresarial de bienes y servicios.

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Este abre la brecha a investigaciones futuras en este campo, donde se espera validar la eficiencia y operatividad del secado por este método, tanto para diferentes tipos de madera como incluso para el secado y la deshidratación de diversos materiales. Publicar tres artículos científicos, para discusión y confrontación de resultados entre la comunidad científica y el sector productivo de la madera.

De acuerdo con los experimentos de secado llevados a cabo, se puede afirmar que el prototipo permite obtener calentamiento sobre piezas de madera de diferentes materiales, previa sintonización manual del circuito resonante de salida. Puede observarse como el agua empieza a evaporarse y la cantidad de humedad disminuye al someter el material a la radiación de radio frecuencia, incluso a tiempos muy cortos de exposición (intervalos de 2 a 10 segundos); esto logro comprobarse usando un Higrómetro digital de gran precisión. Dependiendo del material a secar, se debe realizar un estudio de comportamiento respecto a potencia de la radiación y tiempos de secado, ya que cada especie de madera tiene una estructura molecular diferente; esto se debe dejar a grupos interdisciplinarios de investigación versados en el tema. Se observó que cuando el circuito se encuentra en sintonía con la pieza a secar, las corrientes de grilla se encuentra en el orden de 150-200 mA y la de placa alrededor de 500 mA; cuando esta condición no se está cumpliendo, la válvula no se encuentra en una región óptima de funcionamiento y comienza a enrojecerse en su interior, significando esto que existe el peligro del sobrecalentamiento y posterior daño en el dispositivo. Algo de destacar, es que al estar en funcionamiento el prototipo, no causa interferencias con equipos de telecomunicaciones alrededor, lo que demuestra la eficiencia del sistema de tierras implementado.

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Aprovechando el interés del gobierno en financiar este tipo de aplicaciones en el sector agroindustrial, se sugiere la continuación de la investigación en esta tecnología. Pudiendo de esta forma darle un valor agregado a las materias primas que se generan en nuestro país, factor importante en la comercialización a nivel internacional.

ARANGO JOHNSON, Alberto, (1998). Secado De La Madera, SENA Antioquia, 2da Edición. Medellín. Convención Internacional de Protección Fitosanitaria – CIPF. (2002). Norma Internacional Fitosanitaria NIMF No.15. FAO, Roma. GRAY, Truman S. (1956). Electrónica Aplicada, edit. Reverté, Barcelona. ICONTEC, (1992). NTC 3447, Norma Técnica Colombiana, Maderas. Uso y Calibración de Medidores Portátiles de Humedad, Bogotá. ICONTEC, (1995). NTC 3832, Requisitos Fitosanitarios para la Estibas de Madera, Bogotá. ICONTEC, (1999). NTC 4680, Parámetros de estibas intercambiables de madera, no reversibles, de cuatro entradas, Bogotá. ICONTEC, (1992). NTC 206, Maderas. Determinación del contenido de humedad para ensayos físicos y mecánicos, Bogotá. ICONTEC, (1974). NTC 824, Madera. Glosario de defectos, Bogotá. ICONTEC, (1975). NTC 825, Maderas Aserradas y Cepilladas. Métodos de medición en los defectos, Bogotá.JUNTA DEL ACUERDO DE CARTAGENA (1989). Curso De Secado De Madera, Mantenimiento Y Seguridad, JUNAC, Colombia. JUNTA DEL ACUERDO DE CARTAGENA (1988). Manual Del Grupo Andino Para La Preservación De La Madera, JUNAC, Colombia. JUNTA DEL ACUERDO DE CARTAGENA (1989). Manual Del Grupo Andino Para El Secado De Maderas, JUNAC, Colombia.

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MARTINEZ, Iván Arcesio, PÁRAMO, Mario Eduardo. (1997). Optimización del Secado por Radiofrecuencia de Tres Especies de Maderas Comerciales en la Ciudad de Ibagué. Universidad del Tolima, Facultad de Ingeniería Forestal. MORRIS, Noel M. (1985). Problemas Resueltos De Electrónica Industrial, edit. Marcombo, Barcelona. ROGNON, M. y DURU, P. (1967). Reparación De Radiorreceptores con Transistores, edit. Paraninfo, Madrid.

Grupo de Aplicaciones en Electrónica – GAPE, Universidad de Ibagué. Colombia. William A: Londoño, Jefe del Programa de Ingeniería Electrónica y Director de GAPE, Universidad de Ibagué. Rosven Arévalo Fuentes, Jefe del Programa de Ingeniería Forestal y Lider del del Grupo de Investigaciones del Laboratorio de Maderas de la Universidad del Tolima Insumos Agroindustriales JR. Empresa del Sector, cofinanciadora del proyecto.

Figura 1. Sistema General de Secado Por Radiofrecuencia Fuente Autores

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Trabajos de Investigación Verificación de cumplimiento Título del trabajo Nombre del autor  Afiliación Datos del autor Resumen Introducción Materiales y métodos Resultados Conclusiones Bibliografía  Agradecimientos Tablas Figuras

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