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1
A secagem e asrelações da água com a madeira
José António Santos
A água e a madeira
• Teor em água da madeira
• Secagem natural e artificial(ao ar, convencional, desumidificação, vácuo, solar)
• Efeitos da água na madeira (degradação, deformações, descolamentos,perda propriedades mecânicas, etc.)
• Ganho de teor em água
• Exemplos práticos
J.A.Santos
2
Teor em água da madeiraTeor em água
H % = Ph - Po
PoX 100
Teor em água %
Peso de madeira sem
água (g)
Peso de água contida na Madeira (g)
100 100 100
50 100 50
25 100 25
12 100 12
0 100 0
J.A.Santos
Saída de água
Modelo da Secagem
Verde Meio seca Secaevaporação
evaporação
evap
oraç
ão
evap
oraç
ão
Madeira
Retracção = diminuiçãoda espessura da parede celular
Células da Madeira
Águalivre
>35% 12%35 a 12%
J.A.Santos
3
Saída da água da madeira
- Evaporação- Migração
Gradientedo teor
em água
Interior da peça de madeira
Ventilação ar exterior
ImportanteVelocidade de evaporação
deve ser < ou =velocidade de migração
J.A.Santos
Água na madeira (o significado relativo do teor em água)
Exemplos:30 %
Pinho γo= 550 kg/m3
12 %
30 %Carvalho γo= 850 kg/m3
12 %
Modelos:
madeira densa madeira pouco 30% 30%saturada densa saturada
Conclusões:• Mesmo volume de madeira saturada a madeira menos densa tem maior teor em água.• Para um mesmo valor nominal do teor em água a madeira mais densa tem mais água.• Por exemplo, a 30% de teor em água, a madeira pouco densa está mais próxima do fim da
secagem e tem menos água do que a madeira mais densa.
88 l /m3
137 l /m3
100 x P
P - P(%) H
0
0h=
30 % teor em água em 100 g de madeira anidra existem 30 g de água
J.A.Santos
4
Variação de massa durante a secagem
733 kgCarvalho
700 kgEucalipto
555 kgCastanho
528 kgPinho
485 kgChoupo1 ton.
emverde
Massa a 12 %
A diferença de massa corresponde à água que énecessário retirar durante a secagem.
515 litros
472 litros
445 litros
300 litros
267 litros
J.A.Santos
Valor máximo de teor em água
D1.54D)(1.54 100Hmáx
−=
53Carvalho0,850
60Eucalipto0,800
102Castanho0,600
112Pinho0,565
131Choupo0,510
exemplos
D12% Espécie Hmáx. (%)
J.A.Santos
5
Efeito da variação do teor em água da madeira
100%
30%
Humidade relativa do ar
HistereseTe
or e
m á
gua
Adsorção
Dessorção
PSFTeor em água da madeira %
12 60 80 120
Varia
ção
de d
imen
sões
%
Retracção da madeira
Teor em água
H % =Ph - Po
PoX 100
• Madeira verde > 30% (água livre + ligada)• Madeira com teor em
água do ponto de saturaçãodas fibras PSF - 25 a 35% (água ligada)
• Madeira comercialmente seca - 18%• Madeira seca - 12 a 16% • Madeira no estado anidro - 0%
J.A.Santos
6
Modelo de pilha de secagem ao ar
J.A.Santos
Pilha de secagem ao ar
J.A.Santos
Utilização de sondas e fios para
monitorização da evolução da secagem
com um aparelho eléctrico portátil
7
Cobertura exterior na secagem ao ar
para evitar secagem demasiado rápida
J.A.Santos
Secagem ao ar de madeira de carvalho negral (35mm) (início 17 Abril 2003)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
6 17 24 31 38 45 52 64 71 81 89 98 113 139 147 158 166 174 189
Duração da secagem (dias)
Teor
em
águ
a (%
)
Sonda 1 Sonda 2 Sonda 3 Sonda 4 Sonda 5 Média Humidade de equilíbrio
J.A.Santos
8
Vácuo (até 30%
)
Vácuo (até 12%
)
Convenc.(até 30%)
Convenc.(até 12%)
Desum.(até 30%)
Desum.(até 12%)
27 mm
41 mm
54 mm
0 4 12
28
24
42
0 35
14 16
32
0 22 5
10160
51015202530354045
Tem
po (d
ias)
Tipo de secador
Espessu
ras
Tempos de secagem (Resinosas)
27 mm 41 mm 54 mm
Fonte: Adaptado de Séchage du Bois - Guide Pratique, CTBA
9
Vácuo (até 30%
)
Vácuo (até 12%
)
Convenc.(até 30%)
Convenc.(até 12%)
Desum.(até 30%)
Desum.(até 12%)
27 mm
41 mm
54 mm
0 8
38
70
42
80
0 627
50
30
54
0 412
30
16
370
10203040506070
80
Tem
po (d
ias)
Tipo de secador
Espessu
ras
Tempos de secagem (Folhosas)
27 mm 41 mm 54 mm
Fonte: Séchage du Bois - Guide Pratique, CTBA
SECAGEM DE CARVALHO - SECADOR (diferentes espessuras)
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Tempo de secagem (dias)
Teor
em
águ
a (%
)
14mm35mm50mm
J.A.Santos
10
Cortesia LNEC
Fórmula empírica para determinação do teor em água de equilíbrio
Equilibrium Moisture Content (EMC)
1800 KH + (K1KH + 2K1K2K2H2)
W 1-KH (1 + K1KH + K1K2K2H2)
where: W = 330 + 0.452T + 0.00415T2
K = 0.791 + 0.000463T - 0.000000844T2
H = relative humidity (%)K1 = 6.34 + 0.000775T - 0.0000935T2
K2 = 1.09 + 0.0284T - 0.0000904T2
T = temperature (°F)
EMC =
J.A.Santos
11
Fórmula empírica para determinação do teor em água de equilíbrio
Temp (ºC) RH(%) W k k1 k2 Num1 Denom1 Num2 Denom2 EMC
12 65 366,410 0,813 6,114 2,356 0,529 0,471 11,287 8,260 12,215 65 371,365 0,815 6,061 2,455 0,530 0,470 11,572 8,392 12,1
20 65 380,160 0,819 5,961 2,607 0,532 0,468 11,972 8,572 12,025 65 389,625 0,822 5,846 2,744 0,534 0,466 12,276 8,699 11,830 65 399,760 0,825 5,716 2,867 0,536 0,464 12,481 8,772 11,635 65 410,565 0,827 5,571 2,976 0,538 0,462 12,585 8,790 11,4
349,000 0,805 6,270 1,910 0,000 1,000 0,000 1,000 020 50 380,160 0,819 5,961 2,607 0,409 0,591 7,647 6,043 9,320 60 380,160 0,819 5,961 2,607 0,491 0,509 10,426 7,677 11,020 65 380,160 0,819 5,961 2,607 0,532 0,468 11,972 8,572 12,020 70 380,160 0,819 5,961 2,607 0,573 0,427 13,622 9,519 13,120 75 380,160 0,819 5,961 2,607 0,614 0,386 15,376 10,518 14,520 80 380,160 0,819 5,961 2,607 0,655 0,345 17,234 11,569 16,0
J.A.Santos
Teor em água de equilíbrio da madeira
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Humidade relativa do ar (%)
Teor
em
águ
a de
equ
ilíbr
io (%
)
0ºC 10ºC 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC 60ºC 70ºC
J.A.Santos
12
Teor em água de equilíbrio da madeira
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Humidade relativa do ar (%)
Teor
em
águ
a de
equ
ilíbr
io (%
)
10ºC 20ºC 30ºC
J.A.Santos
J.A.Santos
TEORES EM ÁGUA RECOMENDADOS30% 30%
25% 25%
22% MADEIRA EM CONTACTO COM FOCOS DE HUMIDADE 22%
18% MADEIRA EM LOCAIS DESCOBERTOS 18%
15% MAD. LOCAIS ABERTOS E COBERTOS 15%
14% LOCAIS FECHADOS NÃO AQUECIDOS 14%
10% LOCAIS FECHADOS E AQUECIDOS 10%
8% LOCAIS COM AQUECIMENTO CONTÍNUO 8%
UTILIZAÇÕES ESPECIAIS0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
HUMIDADE RELATIVA DO AR EM % (TEMP. 15 a 20ºC)
SECAGEM
ARTIFICIAL
NECESSÁRIA
LIMITE DESEGURANÇACONTRAPODRIDÃO
13
J.A.Santos
J.A.Santos
Variação da Humidade Relativa do ar e do Equilíbrio Higroscópicocom o aumento de temperatura
Ponto orvalho
inicial a 15ºC 16ºC 18ºC 20ºC ºC inicial a 15ºC 16ºC 18ºC 20ºC95 89 78 69 14,2 24 20 15 1390 84 74 66 13,3 21 18 14 1285 80 70 62 15,5 18 16 13 1180 75 66 58 11,6 16 15 12 1175 70 62 55 10,6 15 13 12 1070 66 58 51 9,5 13 12 11 965 61 54 47 8,4 12 11 10 960 56 50 44 7,3 11 10 9 855 52 45 40 6,0 10 10 9 850 47 41 36 4,6 9 9 8 7
Humidade relativa (%) Equilibrio Higroscopico (%)
Para humidade absoluta constante :
- Temperatura => Humidade relativa
- Temperatura => Humidade relativa até ponto orvalho
14
J.A.Santos
Variações de humidade relativa com a temperatura(4 situações de humidade absoluta constante)
64
46
34
25
19
14
43
31
22
17
129
66
48
36
27
44
32
24
18
90
11
60
7
90
21
60
14
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5 10 15 20 25 30 35 40Temperatura ºC
Hum
idad
e R
elat
iva
do a
r %
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Teor
em
águ
a da
mad
eira
%
Inverno húmido Inverno secoVerão húmido Verão seco .
No Inverno há um elevado potencial de secagem, porque a humidadeabsoluta pode ser menor do que no Verão
Principais defeitos de secagem:
Gradiente de teor em água
Fendas internas
Tensões de secagem
Empenos, fendas perto da medula
Manchas
Colapso
J.A.Santos
17
Meio da secagem – início do fecho das fendas
Fase final da secagem – diminuição da largura das fendas
23
Há vantagem durante a secagem em:
• forçar a madeira a permanecer direita (cargas sobre as pilhas)
• impor variações cíclicas de aumento e diminuição de humidade
Fluência mecano-sorptiva
Variação humidade
Tempo
Aplicação de carga
Tempo
Dimensão da madeira
Tempo
Visco-elasticidade Deformação mecano-sorptiva
J.A.Santos
24
J.A.Santos
Evolução do teor em água e das tensões internas ao longo do processo de secagem em função de menor ou maior gradiente de secagem
Gra
dien
te fr
aco
Gra
dien
te e
leva
do
Teor em água e dimensões Tensões internas
Início secagemMeio da secagem
Fim da secagem
Início secagemMeio da secagem
Fim da secagemInício secagemMeio da secagem
Fim da secagem
Início secagem Fim da secagemMeio da secagem
Com tensões
Sem tensões
Consequências práticas das tensões de secagem
Sem tensões
Com tensões
Com tensões
Fendas resultantes de tensões tracção na camada superficial
J.A.Santos
25
Fluxo de líquido (superfícies e fendas grandes, por gravidade e vasos comunicantes) => instantâneo
• Capilaridade (poros, lumens e fendas) => muito rápido
• Higroscopicidade / Difusão => muito lento(água ligada quimicamente à paredes celularese igualização das concentrações)
• Transporte por movimento de ar húmido => relativamente(por espaços livres entre componentes) rápido
• Zonas quentes para zonas frias => lento(evaporação nas zonas quentes e condensaçãonas zonas frias)
Movimento de líquidos na madeira e componentes
J.A.Santos
A progressão do líquido por capilaridade depende do diâmetro do tubo
26
a) b)
Força de aderência à superfície, provocada pela tensão superficial
Força da gravidade
Força de tensão superficial tangencial. Tende a reduzir a área.
g -
t -
a -
• Na situação c) as forças de aderência às superfícies (a) e de tensão superficial (t) são superiores à força da gravidade (g).
• Todo o fenómeno é condicionado pelo diâmetro do capilar e pela tensão superficial do líquido.
Tensão superficial líquido-ar (dyne/cm):• Acetona 23,3• Álcool etílico 22.3• Mercúrio 485.0• Água 72.7
d)c)
Migração de líquidos por capilaridadePressão interna
trava o efeito da capilaridade
J.A.Santos
a
g
t
Evaporação Estoma
27
Percentagem de água absorvida (imersão em água 24 horas)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Pinho borne Pinho cerne
água
abs
orvi
da (%
)Axial Radial Tangencial
Absorção axial em duas faces
Absorção radial em duas faces
Absorção tangencial em duas faces
A migração da água no borne nadirecção axial, pode chegar a ser100 vezes mais rápida do que nas direcções transversais.
J.A.Santos
Migração da água ao fim de 48 horas:
• penetração total no borne, 6,5 cm na direcção axial
• penetração superficial < 2 mmnas direcções transversais
Resultado ao fim de 1 mês
J.A.Santos
28
Diferenças de migração entre cerne e borne,para diferentes alturas do provete
Após 6 horas com uma face em água
Após 40 minutos com uma face em água
5 cm de altura
J.A.Santos
Início visível desenvolvimento microorganismos
Após 4 dias com uma face em água
Registar a não entrada de
água no cerne
h = 10 cm
J.A.Santos
29
Modelo de migração da humidadepor efeito de diferenças de temperatura
J.A.Santos
CalorFrio Vapor de
água
Concentração humidade
humidade
Gotículas de águaProtecção
superficial impermeável
Madeira saturada de humidade Evaporação da água
Movimento da água por difusão(principal mecanismo de movimentação da água abaixo do teor em água de saturação das fibras)
Fonte: John Sankeyhttp://www.sankey.ws/wetwood.html
J.A.Santos
DLt
2
=
LL
t - tempo em segundos para o teor em água variar 63 % x (Hi – He)
L – distância do local de humidade interior (Hi) à superfície (He)
Da – 1x10-5 cm/s (no sentido axial)
Dt - 1x10-6 cm/s (nos sentidos radial e tangencial)
• A difusão é 10 vezes superior na direcção axial do que na transversal
• A perda de humidade é mais rápida quanto maior for a diferença entre o teor em água no interior e no exterior (exponencial decrescente)
30
Erros de concepção• Facilitar as entradas de água pelos topos dos componentes
J.A.Santos
Erros de concepção• Facilitar as entradas de água pelos topos ou fontes contínuas
de humidade
J.A.Santos
31
Erros de concepção• Acabamento impermeável às trocas gasosas => podridão
J.A.Santos
Métodos de secagem industrial
• Secagem ao ar• Secagem artificial
− secador convencional− secador por vácuo− secador por desumidificação− secador por correntes de alta frequência
• Secador misto ventilação / aquecimento solar
J.A.Santos
33
65
Secador por vácuo
J.A.Santos
Energia necessária para a secagem artificial
Constantes necessárias ao cálculos:• calor específico da água = 1kcal / ºC.kg• calor específico da madeira seca = 0,35 kcal / ºC.kg• Calor latente de vaporização da água = 560 kcal / kg
Q = m cp (T2-T1)Exemplo para madeira de pinheiro, de verde até 12% (γ0% = 550kg/m3 ; 120% teor em água)
Energia para a secagem artificial :energia para aquecer a madeira (20ºC a 70ºC) 9 650 kcal / m3
energia para aquecer a água contida na madeira (660 l) 33 000 kcal / m3
energia de vaporização da água (594 l) 332 640 kcal / m3
energia de ventilação (≈0.35kW/m3; ≈4 dias) ≈ 34 kW.h / m3perdas para o exterior (≈ 30% da energia de aquecimento total) 112 587 kcal / m3
Totais * ≈ 487 877 kcal / m3 + 34 kW.h / m3 (energia eléctrica)
( 1000 kcal = 1,16 kW.h ) 567+ 34 = 119.2 kW.h / m3 madeira verde
(*Nota: energia consumida ao longo de um ciclo de secagem.)
J.A.Santos
34
Poupança de energia térmica
Convencional Solar + arejamento
Fase aquecimento(15ºC to 65ºC)
Fase de secagem(90%MC to 12% MC)
Procura de eficiência energética
32 000 kcal / m3 0
220 000 kcal / m3 0
Ventilação 50 kW.h / m3 50 kW.h / m3
1 kW.h = 860 kcal
J.A.Santos
Secadores solares
J.A.Santos
35
SecadorVentilação / solar
J.A.Santos
madeira
humidade
madeira
humidade
J.A.Santos
SecadorVentilação / solar
36
Vantagens técnicas e económicasMenor consumo energético do que um secador industrial =>
• Protótipo ventilação/solar => 4,5€ / m3 de madeira seca
• Secador convencional => 12€ / m3 de madeira seca
Preço de instalação de um secador de 60 m3 útil (volume madeira)
(preço da caixa e ventiladores):
• Protótipo do projecto ≈ 10 000€
• Secador convencional ≈ 35 000€ + caldeira + combustível
SecadorVentilação / solar
Tempos de secagem (27mm, pinho bravo, 80% a 12%)
• Convencional => 5 dias
• Ventilação / solar => 30 dias
J.A.Santos
J.A.Santos
37
J.A.Santos
Evolução do teor em água de equilíbrio
0
5
10
15
20
25
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 2:24 4:48
Teor
em
águ
a (%
)
condições no exterior condições no interior Motores ligados
Motores desligados Motores ligados Motores desligados
J.A.Santos
38
J.A.Santos
Programa industrial para controlo da secagem
J.A.Santos
Programa industrial para controlo da secagem
39
2,5 a 3Espessura grossa, madeira difícil de secar
3 a 4Espessura fina, madeira difícil de secar
3 a 4,5Espessura grossa madeira fácil de secar
4,5 a 7Espessura fina, madeira fácil de secar
Gradiente ou potencial de secagem
Características domaterial a secar
Chave dos programas de secagem
Gradiente de secagem constante
J.A.Santos
Ganho de humidade por equilíbrio higroscópico durante o armazenamento e transporte
Variação do teor em água em embalagens de madeira protegidas com plástico e não protegidas, sujeitas a diferentes condições de humidade ambiente
Desprotegido,90 % H.R.
Desprotegido,65 % H.R.
Protegido, 30 – 90 % H.R.
Desprotegido, 30 % H.R.
Teor
em
águ
a (%
)
Duração do armazenamento (semanas)
Numa situação de ambiente húmido (90% H.R.), o teor em água da madeira desprotegida pode passar de 9% para 18% no decurso de tempo de 6 semanas.
40
J.A.Santos
Soluções para os desvios do teor em água
Para transporte ou armazenamento em ambiente não condicionado, as paletes de madeira devem ser protegidas de acordo com o teor em água
Qualidade da madeira seca
O conceito de qualidade da madeira seca foi desenvolvido e aperfeiçoado ao longo dos últimos anos:
• SPRINT 15 – Network for Wood Drying (1989 – 1991)
• EDG – European Drying Group, (1990 – 2000)
• COST E15 – Advances in Wood Drying (2000 – 2003)
• Actualmente as regras definidas vão ser estabelecidas como
norma Europeia.
J.A.Santos
41
Principais critérios para atribuição de qualidade de madeira seca
1. Definição da amostragem
2. Desvios máximos entre teor em água desejado e cada elemento
3. Gradiente máximo de teor em água
4. Valores máximos de tensões internas
5. Máxima profundidade das fendas superficiais
6. Ausência de defeitos como fendas internas, colapso
Classes de qualidade
E – Qualidade Exclusiva ou Especial ****
Q – Qualidade ***
N – Normal **
J.A.Santos
água
Madeira apodrecida
água
Madeira apodrecida
J.A.Santos
42
J.A.Santos
Soluções para afastar a madeira das alvenarias
J.A.Santos
Separadores de madeiras durasduráveis
Cachorro de apoio
Ligador metálico galvanizado
Acessórios metálicos escondidos
J.A.Santos
Norma DIN 68800 – 2Conservação de madeiras. Medidas arquitectónicas preventivas.
Vista de lado
Corte A - A
Viga madeira
Isolamento
A
AVista de cima
Cortesia: André Peylo
43
Conclusões
Madeira com teor em água inadequado
ao uso final
Teor em água demasiado
baixo
• Fendas• Empenos• Tensões• Descolamento• Inchamentos
Teor em água demasiado elevado
• > 20% => degradação biológica• Deformações• Tensões internas• Menor desempenho mecânico
J.A.Santos
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J.A.Santos
Igreja de Urnes na Noruega, construída em 1130, em parte com madeira de outra igreja anterior.
A madeira, se bem conservada, pode ter uma duração extremamente longa.
É fundamental conhecer as relações da água com a madeira
• Adequar sempre o teor em água às condições médias climáticase às particularidades do local
• Manter a madeira arejada e num teor em águaabaixo do limite de desenvolvimento de microrganismos da degradação
• Utilizar medidas construtivas para afastar a madeira de fontes de humidade
• Escolher madeiras com boa estabilidade e durabilidade natural,ou utilizar melhoramento tecnológico
4 regras de ouro :
J.A.Santos
Na literatura inglesa – regra dos quatro DD => Deflection; Drainage; Drying; Durability
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ProjectoSECMAD – Secador de Madeira Energeticamente Eficiente
Necessidade de secagem industrial das madeiras.
Operação altamente consumidora de energia calorífica.
Totais ≈ 487 877 kcal / m3 (calor)+ 34 kW.h / m3 (energia eléctrica)567 + 34 = 119.2 kW.h / m3 madeira verde
Concepção de protótipos para secagem aproveitando aquecimento com energia solar e ventilação forçada
Protótipo com base na adaptação de estufa agrícola Protótipo concebido de raiz
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madeira
humidade
madeira
humidade
Ar quente
Modelos de circulação do ar
Teor em água de equilíbrionas entradas e saídas das janelas de ventilação
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Teor
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Equilíbrio na admissão Equilíbrio na ExaustãoMotores ligados Motores desligadosTemperatura interior (escala da direita)
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Ar seco
Ar seco
Ar seco
Ar húmido
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Projecto
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Protótipos instalados nas empresas demonstradoras
Protótipo de Leiria
Secagem de madeiras de construção
Protótipo de Alcácer do Sal
Secagem de varas e postes
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Vantagens técnicas e económicasMenor consumo energético do que um secador industrial
Protótipo solar => 4,5€ / m3 de madeira secaSecador convencional => 12€ / m3 de madeira seca
Preço de instalação de um secador de 60m3 útil (volume madeira)
(preço da caixa e ventiladores):Protótipo do projecto ≈ 10 000€Secador convencional ≈ 35 000€ + caldeira + combustível
Potencialidades IndustriaisBaixo custo de investimento e de manutenção, • grande versatilidade por ser facilmente regulável • qualidade elevada da madeira seca, • elevado potencial de implementação em pequenas e médias empresas.• utilização para outros fins, como por exemplo, secagem de frutos, pinhas ou algas, cerâmica, lamas, etc.
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Simulação do comportamento de um secador sujeito a controlo fuzzy durante 4 meses.
Temperaturas na câmara e na madeira; conteúdo de água da madeira, humidade ambiente e na câmara
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Aplicações de Software amigáveis desenvolvidas em LabView:
Aquisição de dadosControlo do secadorSupervisão de múltiplos secadores
Sistema de instrumentação e aquisição de dados implementado em Field Point.Módulos expressamente desenvolvidos.
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Measurement node n
Measurement node 3
Measurement node 2
Measurement node 1
Serial RS485 communication networkControl
node
TCP/IP communication (Internet), supporting several driers
suprevision
Remote Supervisor System