Congreso Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería Industrial CLEIN Venezuela 2009 Concurso de Ponencias Estudiantiles Trabajo: Estudio del secado de madera y su importancia en la explotación forestal sostenible. Expositores: Fernando Chávez Gomes da Silva Nataly Añez Gros Universidad Privada de Santa Cruz de la Sierra Santa Cruz de la Sierra, Bolivia Julio 2009
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Estudio del secado de madera y su importancia en la explotación forestal sostenible
Describe el proceso de secado de madera y sus beneficios para la industria, mediante el análisis de una cámara de secado existente y la simulación del comportamiento de las variables críticas del proceso para programas de secado de diferentes especies maderables. Analiza como la explotación racional de recursos con mayor valor agregado, gracias al secado de madera, contribuye al desarrollo sostenible de la selva tropical. Se revisan los fundamentos que rigen el proceso de secado de la madera y se aplican al análisis de una cámara de secado convencional. Se describe esta cámara y se realiza una modelación de la misma. Al momento de simular el comportamiento de la cámara, se parten de condiciones iniciales y se realiza el control de los instrumentos, válvulas y sensores para seguir un programa de secado definido.
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Congreso Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería
Industrial CLEIN Venezuela 2009
Concurso de Ponencias Estudiantiles
Trabajo:
Estudio del secado de madera y su importancia en la explotación forestal sostenible.
Expositores:
Fernando Chávez Gomes da Silva
Nataly Añez Gros
Universidad Privada de Santa Cruz de la Sierra
Santa Cruz de la Sierra, Bolivia
Julio 2009
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Estudio del secado de madera y su importancia en la
explotación forestal sostenible.
Introducción
1.1. Breve reseña del tema a investigar
Bolivia es el sexto país con mayor extensión de bosques tropicales, distribuidos en
siete de los nueve departamentos. Cuenta con extensión de 53.4 millones de
hectáreas de bosques tropicales, el cual representa el 48% de la superficie del país.
Más de dos millones de hectáreas con certificación forestal voluntaria de un total de
nueve millones con manejo forestal sostenible, convirtieron a Bolivia en el principal
país del mundo en el manejo sostenible de bosques tropicales.
En los bosques bolivianos existen de 240 a 303 especies con un potencial forestal
maderero de 28.7 millones de hectáreas, además de una importante riqueza no
maderable.
La diversidad de especies tropicales maderables y el considerable número de
hectáreas certificadas han conseguido que los productos de maderas de Bolivia con
valor agregado logren un mayor espacio en mercados internacionales.
(Fuente: Cámara forestal de Bolivia, Anuario 2007)
Existen procesos de transformación que pueden dar un valor a la madera; el secado
es el principal proceso que se debe aplicar para obtener un producto de calidad.
El presente trabajo de investigación se enfoca en el secado de la madera y su
importancia en la explotación forestal sostenible, de tal manera que el desarrollo
sostenible de los bosques sea una opción competitiva económicamente.
1.2. Importancia del tema, su vigencia y actualidad
El secado de madera es una actividad necesaria en el tratamiento de la madera, al
permitirle equilibrar su humedad interna con la del medio que la rodea.
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Es una actividad que utiliza cantidades importantes de energía, para mantener las
condiciones como temperatura y humedad que permiten el proceso de secado,
durante un periodo prolongado.
Además, las condiciones de secado son regidas por variables consideradas críticas.
Cada especie tiene características particulares para el proceso y debe adaptársele a
fin de evitar defectos debido al mal secado.
Después del año 2000 las empresas del rubro, líderes en Bolivia iniciaron la
utilización de cámaras de secado.
Actualmente el secado de madera ha sido considerado por la mayoría de las
empresas como un proceso crítico, buscando mejorarlo continuamente en busca de
mayores ventajas competitivas.
1.3. Propósito, importancia del trabajo y contenido de la
investigación.
1.3.1. Propósito:
1.3.1.1. Describir el proceso de secado de madera y sus beneficios para la industria,
mediante el análisis de una cámara de secado existente y la simulación del
comportamiento de las variables críticas del proceso para programas de secado de
diferentes especies maderables.
1.3.1.2. Analizar como la explotación racional de recursos con mayor valor agregado,
gracias al secado de madera, contribuye al desarrollo sostenible de la selva tropical.
1.3.2. Importancia:
Permite establecer el comportamiento de las variables del proceso de secado, de
manera simulada, utilizando un plan de secado.
Se aplica al estudio del secado de madera, en la optimización del proceso, al permitir
visualizar rápidamente las variaciones deseadas, con el fin de mejorar el secado.
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La metodología es aplicable al estudio de cualquier proceso de secado,
específicamente al de la cámara de secado convencional descrita.
1.3.3. Contenido
Se revisan los fundamentos que rigen el proceso de secado de la madera y se
aplican al análisis de una cámara de secado convencional. Se describe esta cámara
y se realiza una modelación de la misma.
Al momento de simular el comportamiento de la cámara, se parten de condiciones
iniciales y se realiza el control de los instrumentos, válvulas y sensores para seguir
un programa de secado definido.
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Capítulo 1 - Situación a Investigar
La actividad de explotación de la madera debe desarrollarse de forma sostenible por
tratarse de un producto renovable. La protección de las selvas tropicales es
sostenible mediante un manejo adecuado de sus recursos forestales, los cuales
incluyen la explotación racional de los recursos que éste provee.
En el proceso productivo de la industria maderera, el secado de madera constituye
una de las etapas más críticas, considerando lo importante que es un buen secado
para la calidad del producto final, el tiempo, energía e instalaciones que consume
este proceso y las mermas que un mal secado puede generar al lote de madera.
El control adecuado de un proceso de secado permite:
Obtener madera de excelente calidad para las posteriores transformaciones
necesarias hasta llegar al producto final
Minimizar el tiempo y energía utilizados
Hacer un uso óptimo de las instalaciones
Reducir al mínimo el desperdicio generado durante este proceso
Maximizar el valor de la madera procesada.
Planificar y obtener un mejor control del mismo.
La madera es un material higroscópico, intercambia con el aire circundante su
humedad. Es por esto que la madera una vez aserrada pierde su humedad de tejido
vivo hasta equilibrarse al medio que lo rodea.
Si la madera no se seca lo suficiente, corre el riesgo de ser atacada por moho,
hongos azules y podrirse y el producto terminado (puerta, mesa y otros) presentará
rajaduras, torceduras, y otras imperfecciones debido al mal proceso de secado.
El secado de la madera también reduce el peso de la misma, al eliminar el agua de la
humedad. Transportar madera húmeda se vuelve antieconómico, si se transporta
agua que posteriormente es necesario eliminar.
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La resistencia mecánica es inversamente proporcional al contenido de humedad, lo
cual indica lo importante de secar la madera que soportará cargas, como las
maderas de construcción.
Entre secar la madera al natural y utilizar cámaras de secado convencionales,
existen importantes diferencias, que se traducen en disminución de costos.
Al natural se requieren entre 6 meses a 12 meses. Esto resulta impráctico, por la
cantidad de espacio de almacenamiento necesario, tampoco es posible conocer el
tiempo de secado con exactitud, hay madera que se echa a perder durante este largo
tiempo, y al no haber control sobre el proceso, no es posible mantener la calidad del
producto ni controlar el contenido de humedad.
1.1. Objetivos de la investigación
Estos son:
1.1.1. General
Estudiar el proceso del secado de madera y su importancia en la explotación forestal
sostenible.
1.1.2. Específicos
a) Análisis y comparación de los procesos de secado de madera
b) Descripción de una cámara de secado de madera convencional que opera
actualmente.
c) Realizar un modelo que permita simular el comportamiento de las variables
críticas del proceso, de la cámara de secado descrita.
d) Justificar económicamente el estudio del proceso del secado de madera como
generador de valor para la cadena productiva de la madera, factor importante
para lograr la sustentabilidad de las selvas tropicales.
1.1.3. Justificación
La principal justificación radica en que para el rubro de la madera, el proceso de
secado de madera debe considerarse para lograr una industrialización con mayor
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valor, incrementando su atractivo comercial y constituyendo en una opción de
actividad económica sostenible, bajo un manejo adecuado de los bosques.
Un proceso de secado controlado permite obtener un mayor rendimiento económico,
tiempo, materia prima y energía, haciendo más competitiva a la empresa que aplique
el secado más óptimo.
1.2. Limitaciones de la Investigación.
Los planes de secado analizadas, corresponden a las recomendadas para 54
especies maderables de Bolivia, cuyos datos están contenidos en el Manual del
Grupo Andino para el Secado de Madera, de la Junta del Acuerdo de Cartagena.
La cámara de secado analizada, corresponde a un diseño existente en
funcionamiento que posee la empresa. El modelo puede adaptarse para cámaras
con otras especificaciones, pero habrá variaciones respecto a la cámara ejemplo.
Para justificar el aporte del proceso al desarrollo sostenible, solamente se han
considerado los factores económicos que un secado adecuado puede contribuir a la
industria, utilizando los costos proporcionados por una empresa maderera que
explota concesiones forestales y produce decking como producto elaborado.
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Capítulo 2 - Generalidades
2.1. Ubicación geográfica del área de investigación o desarrollo del
proyecto.
El proyecto se realizó en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra. Se visitó una cámara
de secado ubicada en el Parque Industrial de la ciudad de la cual se hizo la
modelación. Los planes de secado aplicados están diseñados de acuerdo a las
principales especies maderables de Bolivia.
Ilustración 2.1 – Ubicación Geográfica del Área de investigación.
Fuente: Google Maps
2.2. Aspectos de relevancia de la investigación.
El proceso estudiado es muy importante en la cadena de valor de la industria de la
madera.
Los fundamentos teóricos encontrados en la bibliografía existente y trabajos
relacionados fueron utilizados para determinar la metodología de la elaboración del
modelo.
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Se describen las características técnicas de la cámara de secado, con el fin de
utilizar estas especificaciones como información para la elaboración de balances y la
modelación de la situación.
Los diferentes programas de secado aplicados permiten simular el comportamiento
de diferentes especies maderables durante el proceso.
La implementación del modelo y simulación permite variar las características de la
cámara, para aplicarlas a otras especificaciones de secadero.
Un estudio como este sirve de base a futuros proyectos de mejora y optimización de
los programas de secado para éstas y otras especies maderables tropicales.
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Capítulo 3 - Marco Teórico
3.1. Estudios previos de la Investigación o antecedentes del
estudio.
La madera es un producto explotado desde la antigüedad. La explotación industrial
de la misma inicia la preocupación por un mejor aprovechamiento de los bosques.
En relación a la etapa de secado de la madera, el secado al aire libre fue el primer
método para llevarlo a cabo. Posteriormente para hacer más controlado y rápido este
proceso, se crearon los métodos artificiales de secado.
Entre los estudios acerca del secado de la madera que podrían mencionarse están:
Proyecto BOLFOR realizó estudios sobre planes de secado de madera para
especies forestales tropicales comerciales, existentes en Bolivia el año 1998.
Manual del Grupo Andino para el Secado de Madera de la Junta del Acuerdo de
Cartagena, del año 2004
Diseños de la Empresa AquaServi, empresa local que diseña y construye cámaras
de secado, sus sistemas de control y calderas de vapor.
A través de internet se obtuvo información de cámaras de secado de la empresa
NIGOS – elektronik, de la empresa Drystar Computer Control System, SECAMAK,
Madesul y Hornos de Secado de Madera CONMAQ.
Simulación del Secado Convencional de la Madera de Salinas C, Ananías RA, Alvear
M el año 2003 en la Universidad del Bio Bio (Chile).
Proceso de secado de la madera usando los programas de simulacion Trnsys y
Simusol de Sogari, N., Saravia, L., Saravia, D, del 2005, de la Universidad Nacional
del Nordeste (Argentina).
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3.2. Bases Teóricas:
Secado es el procedimiento de eliminar el agua de la madera, de forma a obtener un
producto sin defectos ni alteraciones que mermen su valor y que puede seguir
transformándose sin causar problemas derivados del secado. Pero el concepto de
secado va más allá de una simple definición, abarca el conocimiento de la materia
prima, de su comportamiento y de los equipos utilizados para un procesamiento
óptimo.
3.2.1. Secado de madera
Uno de los procesos más exigentes en la preparación de la madera para usos
industriales y domésticos es el secado. De hecho, de su correcto desarrollo depende
que este material ofrezca buenos resultados durante y después del proceso de
transformación.
La madera es un tejido vivo, que al momento del corte, es bastante húmedo,
llegando a tener un 50% de humedad en peso.
El secado puede realizarse de manera natural o artificial, con una cámara de secado,
que acelera el proceso.
Incrementando la temperatura del aire, (con el consiguiente aumento del nivel de
humedad de saturación, permitiendo al aire estar relativamente más seco con la
misma humedad absoluta inicial), se promueve el secado de las fibras de la madera,
las cuales eliminan su humedad al aire caliente que las rodea.
Si la humedad de equilibrio no se alcanza, hay riesgo de deformaciones y
contracciones, que disminuirían la calidad del producto terminado, reduciendo el
valor del producto.
El secado artificial permite tener un mejor control del proceso, controlando el tiempo
de secado y la velocidad de pérdida de humedad, evitando problemas a la madera.
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3.2.2. Sistemas de Secado
Existen varios sistemas de secado basados pero los siguientes son los más
empleados:
a. Secado Natural
Se aplica en distintos lugares del mundo y para diversos casos, pero en especial
cuando no se cuenta con recursos para montar otros sistemas.
Existen diferentes maneras de secar naturalmente: desde los encastillados
particulares o apilamiento de la madera.
Pese a lo popular de esta modalidad, el sistema tienen como principal inconveniente
el elevado tiempo que demanda difícil de establecer pues depende de variables
como la cantidad de luz solar, la velocidad del viento, la exposición a puntos
cardinales, la condensación y humedad relativa ambiental, entre otros y la reducida
homogeneidad en los resultados, pues no toda la madera seca de igual forma, razón
por la que no se puede establecer con exactitud la humedad final que generalmente,
no baja del 15 por ciento con éste sistema.
b. Cámaras Convencionales
Trabajan con temperatura media-alta y son las más usadas en el mundo, existe una
gran variedad, dependiendo de su configuración, aunque funcionan bajo un mismo
principio.
Cuentan con una caldero a leña o carbón o gas, que calienta el agua de 90° C a 100°
C, para luego hacer pasar el líquido por unos intercambiadores de calor o radiadores
(serpentines) instalados en el interior del horno, en donde también se instalan
ventiladores de gran capacidad que generan aire caliente, gracias al paso de éste
por los radiadores.
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Ilustración 3.1 - Cámara convencional de secado de madera
Además, están provistos de unas boquillas de aspersión de agua usadas cuando es
necesario humectar o aumentar la humedad relativa de la cámara, y unas chimeneas
o ventilas ubicadas en ambos extremos del horno que pueden ser abiertas o
cerradas para controlar, tanto la humedad como la temperatura. En algunas cámaras
el vapor de agua cumple doble función: calentar y humedecer el ambiente.
En cuanto a los sistemas para medir condiciones como la temperatura y la humedad,
existen una gran variedad, desde los más sencillos como el bulbo seco y el bulbo
húmedo hasta los más sofisticados sensores electrónicos de manejo automatizado,
pero todos tienen como base el mismo principio: el equilibrio de la madera a unas
condiciones ambientales, o sea el C.H.E.
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3.2.3. Proceso de Secado de madera
Diagrama 3.1 - Proceso de Secado de la Madera
Fuente: Elaboración Propia
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a. Preparación de la Madera
Existen muchos defectos que se presentan en la madera antes del proceso de
secado. La madera en troza puede rajarse por la excesiva sequedad en los
extremos, también puede ser atacada por insectos y hongos. Después del aserrado
la madera es más propensa al deterioro de agentes naturales
b. Selección de la Madera
Se separa la madera:
Por especie: las especies a secar se agrupan en grupos homogéneos.
Por espesor de la tabla: 1", 2", 3"
Por nivel de humedad inicial de la madera: madera verde, húmeda, secada al
aire, etc.
Por tipo de madera: de sámago o albura, de corazón o duramen o combinada.
Por tipo de cortes: radiales, tangenciales, oblicuos.
Por el contenido de humedad final deseado.
c. Apilado y Cargado del Horno
Se colocan las tablas y tablones al interior del horno utilizando separadores. Estos
deben cumplir una serie de características para un secado óptimo
Ilustración 3.2 - Ejemplo del paquete de madera
Fuente: Elaboración propia
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d. Corte de Muestras para Control del Secado
Tomar un mínimo de 6 tablas como muestra. 4 de ellas deben representar madera
muy húmeda o de difícil secado, y 2 puede ser madera con menor contenido de
humedad o de secado más rápido.
Corte muestras de cada tabla. El número de muestras dependerá de las dimensiones
de la tabla. La muestra tendrá un largo de 76 cm y estará como mínimo a 60 cm del
extremo de la tabla.
Ilustración 3.3 - Tabla con cortes para las probetas
Min 60 cm Min 60 cm 76 cm Muestra
2,54 cm Probeta
2,54 cm Probeta
Fuente: Elaboración Propia
e. Selección del Programa de Secado
Se identifica la madera en clases, según su contenido de humedad.
Consultar la Tabla que indica las propiedades de las diferentes especies maderables.
En esta tabla se indica el tipo de programa de secado, de acuerdo al espesor de la
madera.
Luego se Consulta la tabla de los horarios de temperatura y la tabla de horarios de
depresiones psicométricas, que permiten estructurar el programa.
Preparar un cuadro de 8 columnas e ir rellenando los pasos del programa de secado,
de acuerdo a las tablas.
A Menos de 40%
B Entre 40 y 60%
C Entre 60 y 80%
D Entre 80 y 100%
E Entre 100 y 120%
F Más de 120%
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f. Calentamiento del Horno
Calentar el horno con vapor saturado a una tasa de 5 ºC por hora para maderas
livianas y 2 ºC por hora para maderas pesadas.
Una hora después que la Temperatura de Bulbo Seco alcanzó la temperatura inicial
del programa, se fija la diferencia psicométrica que corresponda según el programa.
Mantener cerradas las chimeneas o ventilas durante la fase de calentamiento del
horno. Abrirlas poco a poco mientras avanza el secado. Al nivel del punto de
saturación de las fibras ellas deben estar completamente abiertas.
g. Aplicación del Programa de Secado
Controlar el contenido de humedad de las muestras de madera para realizar los
cambios de Temperatura de Bulbo Seco y Temperatura de Bulbo Húmedo del
programa, a este fin, determinar el Contenido de Humedad de la mitad más húmeda
de las muestras para guiar los cambios en todo momento.
Se ejecuta del programa de secado hasta el momento de igualar o equilibrar el
Contenido de Humedad de la carga y pasar al siguiente paso.
h. Tratamiento de Igualación o Equilibrado
Cuando el contenido de humedad de la muestra más seca registra un nivel de 2%
por debajo del valor promedio de humedad buscada en el secado de la carga, se
inicia el igualado utilizando la Temperatura de Bulbo Seco más alta que permite el
programa y fijando la Humedad Relativa a un Contenido de Humedad Equilibrado del
nivel de la muestra más seca.
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El tratamiento termina cuando la muestra más húmeda alcanza el nivel de humedad
deseado para toda la carga; en caso del ejemplo es 10%.
i. Tratamiento de Acondicionado
Mantener la temperatura del horno del paso final del programa y establecer una
humedad relativa dentro del horno que proporcione un Contenido Humedad
aproximadamente un 4 % por encima del valor promedio final buscado para la carga.
El tratamiento continúa con esos niveles fijados de Temperatura Bulbo Seco y
Temperatura de Bulbo Húmedo hasta que la madera está libre de tensiones.
j. Pruebas en la Madera,
Para controlar el desarrollo del acondicionado, determinar si hay tensiones internas,
y el contenido de humedad.
Evaluación de las tensiones: si en el corte de los tenedores los dedos o pinzas se
curvan adentro, el acondicionamiento debe continuar. Si las pinzas se curvan hacia
afuera el acondicionamiento fue excesivo, la madera debe resecar. Si las pinzas se
mantienen derechas se da por terminado el secado.
Ilustración 3.4 - Resultados de la prueba del tenedor
Fuente: Manual de Secado de la Madera1
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k. Descarga del Secadero
Después de liberadas las tensiones de la madera, cortar el ingreso de vapor a los
radiadores y vaporizadores.
Apagar el horno dejando las puertas cerradas hasta que la temperatura interior sea
como máximo unos 10 grados más que la temperatura del ambiente externo.
Abrir el horno y descargar la madera.
3.2.4. Características de un Secadero
Entre las principales, se puede mencionar:
Fuente de calor, sistema para la circulación del aire, eliminación de la humedad y
equipos que regulen de estos factores, de manera que se controle el clima en la
cámara de secado de acuerdo al plan de secado de la madera.
Ilustración 3.5 - Esquema de un secadero de madera
Fuente: NIGOS5
El medio de calefacción de la fuente de calor es generalmente agua, la circulación
del aire a través de ventiladores y el secado del aire es realizado a través de la
condensación del vapor de agua al aire. Este debe contar con suficiente capacidad,
de acuerdo al tamaño de la cámara y la cantidad de madera a secar.
Sistema de condensación con suficiente capacidad de eliminar la humedad del aire
del interior, una vez éste haya absorbido la humedad de la madera.
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Un sistema de circulación que proporcione una adecuada caída de temperatura y
buena velocidad del aire entre las pilas.
Un sistema de control de los componentes, con sensores de temperatura y humedad
ubicados en varios lugares de la pila.
Construcción y puertas aisladas y herméticas
Operador capacitado e interesado.
3.3. Fuente de calor
El calor es generado a través de un caldero.
La fuente de energía del caldero puede ser gas natural, diesel y otros, pero para una
aplicación como la de secado de la madera, los calderos generalmente utilizan como
energía los desechos del aserradero, como aserrín, listones de madera, ramas
secas, disminuyendo los costos de generación de vapor de manera importante.
3.4. Intercambiador de calor
Del caldero, el vapor de agua se dirige a un intercambiador de calor, que son
tuberías de material conductor, a través de las cuales circula el vapor.
Este calor pasa a la cámara de secado a través de ventiladores que soplan el aire a
través de los radiadores, calentándolo e ingresando hacia la cámara de secado.
3.4.1. Control del Proceso
a. Horario de Secado
Es la planificación de cómo se cambia la humedad del aire circundante en el
ambiente. Para esto hay que conocer y regular la fuerza de secado (que tan rápido
se seca la superficie de la madera). Hay que considerar cuánta tensión aguanta el
material, para conocer cuánto es el índice de humedad que se puede tener.
Diferentes programas de secado se elaboran en el ramo, el principio es un cambio
del índice de equilibrio de humedad mientras el material se seca.
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Tabla 3.1 - Ejemplo de Tabla con programas de Secado