MEDICION DE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LOS MATERIALES

Por:

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA.

Pereira, Abril de 2004.

MEDICION DE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LOS MATERIALES

Presentado Por:

Presentado A:

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA.

Pereira, Abril de 2004.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

1. Conceptos Básicos

1.1 Ley de Fourier

1.2 Conducción de Calor

1.3 Conductividad Térmica

2. Normatividad

3. Métodos Experimentales

3.1 Placa Plana

3.2 Disco Aislante

3.3 Barra Cilíndrica

3.4 Propiedad Térmica de los Aerógeles de Silicio

3.5 Influencia del tamaño de grano en la conductividad térmica a altas temperaturas en polvos aislantes de MgO.

4. Máquinas para la medición de la transferencia de calor

4.1 Armfield HT 11

4.2 Armfield HT 12

4.3 Armfield HT 17

4.4 Equipo para la determinación de la conductividad térmica en materiales aislantes

4.5 MDS KLIO Tester Modelo KL-1202

4.6 DELTALAB ET100

4.7 Cámara UL 94 fíame chamber

5. Conclusiones

6. Bibliografía

INTRODUCCION

La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema, genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

Sabiendo que la conductividad térmica expresa la capacidad de un material dado, en conducir el calor y es propia e inherente de cada material, además teniendo en cuenta, que este principio se basa en la “ley de Fourier”, vamos a realizar un estudio de los métodos e instrumentos de medida que son usados para medir el coeficiente de conductivita térmica de los materiales.

En la fase de investigación y documentación acerca de este tema, nos encontramos que para el estudio de esta propiedad, no existe un método o instrumento especifico (único) para llevar a cabo este tipo de medición; no obstante, se pueden encontrar muchos métodos experimentales por medio de los cuales se pueden obtener aproximaciones al valor del coeficiente de conductividad térmica del material en estudio, requerido para una aplicación en particular. Esta conclusión, fue confirmada por el Ing. Alexander Díaz Arias profesor titular de la facultad de ingeniería mecánica de la universidad tecnológica de Pereira, quien nos comentaba de manera informal - “el problema en la realización de este tipo de medida es que no existe un método definido para la realización de esta prueba, pero se reduce a buscar un mecanismo, que nos permita aplicarle una cantidad de calor conocido a una probeta del material que se esta estudiando y basándonos en la ley de Fourier ( q = K(T) ), podemos fácilmente medir la diferencia de temperaturas y despejar el coeficiente de conductividad térmica (K) del material que esta siendo sometido a estudio”.

Esperamos que este material pueda ser utilizado como complemento del contenido de la asignatura “TRANSFERECNIA DE CALOR”, además de presentar algunos equipos que han sido diseñados para poder realizar estas mediciones, pretendiendo familiarizarnos con las soluciones que se presentan a este tipo de problemas.

1. CONCEPTOS BÁSICOS

LEY DE FOURIER

La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía q y el gradiente de temperatura.

Siendo K una constante característica del material denominada conductividad térmica.

Consideremos un elemento de la barra de longitud dx y sección S. La energía que entra en el elemento de volumen en la unidad de tiempo es qS, y la que sale es q'S. La energía del elemento cambia, en la unidad de tiempo, en una cantidad igual a la diferencia entre el flujo entrante y el flujo saliente.

Esta energía, se emplea en cambiar la temperatura del elemento. La cantidad de energía absorbida o cedida (en la unidad de tiempo) por el elemento es igual al producto de la masa de dicho elemento por el calor específico y por la variación de temperatura.

Igualando ambas expresiones, y teniendo en cuenta la ley de Fourier, se obtiene la ecuación diferencial que describe la conducción térmica.

1.2 CONDUCCION DE CALOR

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica.

1.3 CONDUCTIVIDAD TERMICA

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que dice cuan fácil es la conducción de calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. La conductividad térmica es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

2. NORMATIVIDAD

En la actualidad las normas técnicas hacen parte fundamental del ejercicio de la ingeniería, en nuestro país el instituto colombiano de normas técnicas (Icontec), es el encargado de regularlas.

También hay que tener en cuenta que en el resto del mundo hay entidades para regular las normas técnicas, como lo hace el icontec aquí en Colombia, a continuación vamos a presentar unos ejemplos de varios tipos de normas que controlan los ensayo realizados para obtener la conductividad térmica de los materiales.

• NTC 1397 - ENSAYO DE PLASTICOS. ESPUMAS RIGIDAS DE POLIESTLENO EXPANDIDO.

• NTC 2203 - METODOS DE ENSAYO PARA ELECTROTECNIA, COMPUESTOS POLIMERIZABLES EMBEBIDOS USADOS PARA ASILAMIENTOS ELECTRICOS.

• NTC 2761 - METODO DE ENSAYO PARA MATERIALES AISLANTES DE CERAMICA Y VIDRIO.

• NTC 3223 - METODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LOS LIQUIDOS. ELECTROTECNIA.

• UNE 53037 - DETERMINACION DE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DE MATERIALES CELULARES, POR EL METODO DE PLACAS.

• UNE 92 - 201 - 89 - DETERMINACION DE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA PARA MATERIALES AISLANTES TERMICOS TECNICA DE LA PLACA CALEFACTORA.

• NCH 1977 - DETERMINACION DEL COMPORTAMIENTO DE REVESTIMIENTOS TEXTILES A LA ACCION DE UNA LLAMA.

• NOM 018 - METODOS DE PRUEBA PARA AISLANTES TERMICOS PARA EDIFICACIONES CARACTERISTICAS.

• NMX - C - 181 - MATERIALES TERMOAISLANTES. TRANSMISION TERMICA EN ESTADO ESTACIONARIO (MEDIDOR DE FLUJO DE CALOR). METODO DE PRUEBA.

• NMX - C - 189 - MATERIALES TERMOAISLANTES TRANSMISION TERMICA (APARATO DE PLACA CALIENTE AISLADA). METODO DE PRUEBA.

Las normas técnicas que presentamos anteriormente pertenecen a Colombia, México, chile y Europa, también tenemos que aclarar que no encontramos una norma exacta que regule la conductividad térmica de los materiales en general, sino que son muy específicas, que dependen de los materiales (generalmente aislantes) y aplicaciones.

3. METODOS EXPERIMENTALES

3.1 PLACA PLANA

La técnica de medida de la conductividad térmica, que emplearemos en esta experiencia, se basa en la determinación experimental del flujo de calor que atraviesa la muestra situada en el soporte de experimentación, que mantiene al foco térmico, Tc a la temperatura constante de ebullición del agua haciendo circular vapor a su través, y el foco frío a la temperatura de fusión, también del agua, mediante un bloque de hielo en fusión que se sitúa en contacto térmico con la otra cara de la muestra, Tf. Además habrá que determinar el área de contacto entre el hielo y la muestra. Por lo tanto, mediremos las siguientes variables:

• Espesor de la muestra, h de fácil determinación con un pie de rey.

• La superficie de contacto entre el hielo y la muestra, A. Se hallará a partir de la medida del diámetro del bloque al inicio y final de la experiencia para reducir el error cometido.

• El flujo de calor, DQ/Dt, se determinará midiendo la masa de agua fundida en un intervalo de tiempo determinado. Esta medida se realizará en dos condiciones diferentes:

1.- Cuando el foco caliente esté a la temperatura ambiente.

2.- cuando el foco caliente está ya a la temperatura de ebullición.

La diferencia entre estas dos cantidades será realmente el flujo de calor intercambiado a través de las superficies paralelas del material.

• Diferencia de temperaturas (Tc-Tf) entre el foco caliente y frío. Esta diferencia será de aproximadamente 98.5ºC, dependiendo de las condiciones de presión atmosférica en las que se realice la experiencia.

Si este material en forma de lámina plana, tal y como aparece en la figura 1, se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferente temperatura Tc (caliente) y Tf (frío) y ha alcanzado el régimen estacionario, la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor, dicha constante de proporcionalidad se denomina conductividad térmica, k, del material.

Analíticamente el enunciado anterior se pude escribir de la siguiente forma:

DQ- calor intercambiado en el tiempo Dt, entre el foco frío y el caliente (J).

DT- diferencia de temperaturas entre los focos frío y el caliente (ºC).

k- conductividad térmica (W/mºC).

A- área de la sección transversal del bloque cilíndrico (m2).

h- espesor de la muestra (m).

En función del valor de la conductividad térmica, los materiales se pueden clasificar en buenos conductores del calor, k elevadas o malos conductores k, pequeñas.

Para determinar el valor de la conductividad térmica, despejamos este parámetro en la ecuación (1) y obtenemos:

3.2 DISCO AISLANTE

Se pretende la medida experimental de la conductividad térmica de una sustancia aislante, los datos experimentales necesarios se adquieren automáticamente, son presentados en la pantalla del ordenador y se almacenan en un archivo de un disquete para su posterior tratamiento con cualquier software comercial de gráficos y análisis de datos. Con esta práctica se pretende la familiarización con los métodos más modernos de trabajo en el laboratorio. Para su realización se exige un mínimo conocimiento de informática en ordenadores IBM compatibles.

El programa que se usará en esta práctica está almacenado en el archivo "PRACT_16.EXE", que se encuentra en el directorio raíz del disco duro. Al ejecutarlo mostrará un menú de presentación. Apretando la tecla "M" pasamos al menú de medida. En éste, el ordenador nos pedirá primero que introduzcamos una palabra clave de 4 letras; esta palabra nos servirá para identificar el archivo de salida, ya que éste se grabará en el disquete con el nombre "SAL****.DAT" (las cuatro estrellas representan la clave que introducimos). Después el software nos pide el tiempo de muestreo, que es la periodicidad con la que se irán grabando los datos en el disquete. Durante la ejecución del programa es muy fácil advertir cuándo se están almacenando los datos porque se enciende el LED de actividad de la disquetera.

El aparato de Lees está suspendido según muestra la figura, manteniendo horizontales las superficies planas de los cilindros y con la muestra a medir entre ellos. Se hace pasar vapor de agua a través del cilindro A, cuando se llega al estado estacionario (la temperatura del cilindro C se mantiene constante, por tanto hay un gradiente constante a través de la muestra B) se anotan las temperaturas indicadas por los dos termómetros. Para esta primera parte de la práctica es conveniente arrancar el programa y darle un tiempo de muestreo grande (por encima de los 25000 s), para que no grabe en el disquete datos innecesarios.

A continuación se traslada la muestra B encima de A (para mantenerla caliente) y se colocan A y C en contacto hasta que la temperatura del cilindro inferior alcance un valor de unos 10ºC por encima de la del equilibrio (no importa si se supera este valor). Luego se suspende la ejecución del programa, apretando la tecla "Esc" y, entonces, se retira el cilindro A, que se deja encima de la mesa, se coloca la muestra de nuevo sobre C y se estudia el enfriamiento del disco cuando pierde calor por la superficie inferior y la superficie lateral, permaneciendo la superficie superior aislada. Para ello se ejecuta de nuevo el programa de ordenador, dándole un tiempo de muestreo en torno a 30 s. Se finaliza el proceso cuándo la temperatura del disco C ha ascendido unos 10ºC por debajo de la de equilibrio. El resto de los datos que necesitamos para el cálculo de la conductividad térmica; masa y capacidad calorífica del disco C y diámetro y espesor de la muestra; se encuentran escritos sobre la mesa y la muestra respectivamente.

En estado estacionario, el flujo de calor a través del disco problema es igual al calor emitido por segundo por la superficie del disco metálico inferior al ambiente. Si K es la conductividad térmica del material, T1 y T2 las temperaturas en sus dos caras en estado estacionario, la cantidad de calor que lo atraviesa vendrá dada por la Ley de Fourier:

Por otro lado la cantidad de calor que C emite al ambiente se puede calcular conociendo la velocidad de enfriamiento del disco (con su superficie superior aislada). Efectivamente, si su masa es M y su calor específico C, la cantidad de calor perdida por segundo a la temperatura estacionaria vendrá dada por:

Esta segunda ecuación explica porqué se mide la curva de enfriamiento en la segunda parte de la práctica. Igualando las dos ecuaciones, puede determinarse K.

El archivo de salida, que puede verse en pantalla con un "type" o imprimirse con un "print" contiene tres columnas, la primera de ellas corresponde al tiempo (en segundos) transcurrido desde el inicio del experimento, la segunda y la tercera son las temperaturas de los dos termómetros, una de las cuáles corresponderá al disco con la muestra encima que se va enfriando y otra al termómetro libre que, tras escasos minutos, indicará la temperatura ambiente.

Los datos tiempo-temperatura del cilindro C deben representarse gráficamente usando cualquier programa de gráficos. Trazando la recta tangente a la curva obtenida en el punto de temperatura estacionaria T2 se determinará la velocidad de enfriamiento. También puede determinarse analíticamente suponiendo que el enfriamiento sigue la Ley de Newton:

Donde A y b son dos constantes positivas. Para este segundo método pueden importarse los datos en algún programa que realice cálculos de mínimos cuadrados. En el disco duro del ordenador se encuentran algunos programas para facilitar estas tareas, debe consultarse al profesor encargado al respecto.

3.3 BARRA CILINDRICA

Por medio de este método se simula un experimento de medida de la conductividad térmica. Los extremos de la barra metálica se mantienen a temperaturas fijas poniéndolos en contacto con dos líquidos en ebullición, aprovechando la propiedad que tienen las sustancias de mantener invariable su temperatura mientras cambian de estado. A partir de la medida del volumen de líquido volátil condensado durante un determinado tiempo, se obtiene el valor de la conductividad térmica de la barra metálica.

La barra metálica se coloca en posición vertical, el extremo inferior se calienta con vapor del agua en ebullición, el extremo superior se pone en contacto con un líquido volátil en ebullición. De este modo, ambos extremos de la barra mantienen su temperatura invariable durante todo el proceso de medida mientras las sustancias en contacto permanezcan en estado líquido.

 

El vapor de agua se escapa por un tubo vertical, que es refrigerado con agua fría. Parte del vapor se condensa y regresa al depósito inferior.

La barra metálica en posición vertical, se envuelve con material aislante excepto por sus extremos, para evitar las pérdidas de calor por su superficie lateral.

El extremo inferior, se calienta con vapor de agua a TA=100º C, la barra conduce el calor hacia el extremo superior que está en contacto con un líquido volátil a su temperatura de ebullición TB. El vapor sale por un tubo curvado que se refrigera con agua fría, el vapor se condensa y líquido resultante se acumula en un tubo graduado, que mide el volumen de líquido que se condensa a medida que transcurre el tiempo.

Descripción

Siendo d la longitud de la barra y (TA-TB) la diferencia de temperaturas entre sus extremos.

La cantidad de calor Q que llega al extremo superior de la barra en el tiempo t es JAt, siendo A el área de la sección de la barra.

Este calor se emplea en evaporar una masa m de líquido volátil en el tiempo t. Conocemos calor de vaporización es L de dicho líquido (calor necesario para pasar 1 Kg. de sustancia del estado líquido al estado gaseoso a la temperatura del cambio de estado).

Q=m·L

Esta masa m de líquido que se ha convertido en vapor a la temperatura TB de ebullición  pasa por un tubo refrigerado con agua fría. La condensación del vapor da lugar a un volumen V=m/ de líquido. Siendo  la densidad del líquido volátil.

Obtenemos finalmente, la siguiente fórmula a partir de la cual despejamos la conductividad K de la barra metálica.

 

3.4 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS AEROGELES DE SILICIO

Después de preparar los primeros aerogeles de sílice, Kistler procedió a caracterizarlos tan detalladamente como le fuese posible. Una de las propiedades más extraordinarias que él descubrió fue su bajísima conductividad térmica. Kistler demostró también que la conductividad térmica baja aun más bajo vacío. No obstante, en la década del 1930 el aislamiento térmico no era de alta prioridad y las aplicaciones de los aerogeles en sistemas aislantes no eran buscadas con afán. El renacimiento de la tecnología del aerogel alrededor de 1980 coincidió con un aumento en la importancia de la eficiencia en la energía y los efectos ambientales de los clorofluorcarbonatos (CFC´s). Fue entonces prontamente aparente que los aerogeles de sílice eran una atractiva alternativa a las técnicas de aislamiento tradicionales por su alto valor aislante y por sus métodos de producción amigables con el medio ambiente. Desafortunadamente, los costos de producción del material eran prohibitivos para industrias sensibles a los costos tales como las viviendas. Un esfuerzo de investigación importante fue emprendido, y aun continúa, en varias instituciones de todo el mundo (incluyendo el Berkeley Lab) para evitar este problema incrementando el rendimiento del aislamiento y bajando los costos de producción de los aerogeles de sílice.

El pasaje de la energía térmica a través de materiales aislantes sucede por tres mecanismos: por conducción (o sólida), por convección (o gaseosa) y por radiación (o infrarroja o radioactiva). La suma de estos tres componentes da la conductividad térmica total del material. La conducción sólida es una propiedad intrínseca de cada material en particular. Para el sílice denso, la conductividad por conducción es relativamente alta (un cristal individual de una ventana transmite gran cantidad de energía térmica). Sin embargo, los aerogeles de sílice poseen una muy pequeña (aprox. 1-10%) fracción de sílice sólido. Adicionalmente, los sólidos que están presentes consisten de muy pequeñas partículas vinculadas en una red tridimensional.

Por lo tanto, el transporte de la temperatura a través de la porción sólida de los aerogeles de sílice ocurre a través de varios sinuosos caminos y no es particularmente efectiva. El espacio no ocupado por sólidos en el aerogel se llena normalmente con aire (u otro gas) a menos que el material se envuelva bajo vacío. Estos gases también pueden transportar energía térmica a través del aerogel. Los poros del aerogel de sílice están abiertos y permiten el pasaje de gas a través del material. El método final del transporte térmico a través de los aerogeles de sílice incluye la transmisión por radiación. Una ventaja de los aerogeles de sílice para aplicaciones de aislamiento es su notable transparencia. A bajas temperaturas, la componente radioactiva del transporte térmico es baja, y no significa un problema. A temperaturas más altas, el transporte radioactivo se convierte en el modo dominante de conducción de temperatura, y se debe tratar.

En intento de calcular la conductividad térmica total resultante de la suma de estos tres modos de transmisión se puede complicar, a medida que los modos se acoplan (cambiando la absorbencia por radiación del aerogel también cambia la conductividad por conducción, etc.). Es generalmente más fácil medir la conductividad térmica total directamente en vez de predecir los efectos de cambio de cada componente. Para lograr esto, el Grupo de Materiales Micro estructurados del Laboratorio Berkeley diseñó y construyó un económico pero preciso instrumento para medir la conductividad térmica de grandes paneles de aerogel. El ensayador de conductividad del aislante en el vacío (sobre tambores) - VICTOR por sus siglas en inglés, es una delgada lámina calentadora que puede medir la conductividad térmica de paneles de hasta 26 cm. de lado, con presiones de más de 0,01 Torr

3.5 INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE GRANO EN LA CONDUCTIVIDAD TERMICA A ALTAS TEMPERATURAS EN POLVOS AISLANTES DE MgO

Reportamos mediciones de conductividad térmica (K) de polvos de óxidos de magnesio (MgO) en un rango de temperaturas (T) de 250 a 1000°C para muestras con tamaños de grano en tres rangos diferentes. Para esto implementamos una versión mejorada de la técnica de flujo de calor radial en estado estacionario de la norma ASTM2858-90. La mejora radica en la automatización de las mediciones para las temperaturas, lo cual permite disminuir significativamente el amplio margen de error. Nuestros resultados muestran un notable incremento lineal de K con T encada caso, hasta del 200% cuando T pasa de 259 oC a 1012 oC. A una temperatura fija, K difiere significativamente entre cada muestra, hasta en un 100%, de manera que K aumenta con la disminución del tamaño de grano e inversamente.

4. MAQUINAS PARA LA MEDICION DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR

4.1 ARMFIELD HT 11

El accesorio de Conducción lineal de calor de Armfield ha sido diseñado para demostrar la aplicación de la ecuación de Fourier a la conducción sencilla de estado estable en una sola dimensión. La unidad puede ser configurada como una pared plana simple de material uniforme y sección constante, o como paredes planas compuestas con diferentes materiales o cambios de sección para permitir la investigación de los principios del flujo de calor mediante conducción lineal. La medición del flujo de calor y del gradiente de temperatura permite calcular la conductividad térmica del material. El diseño permite determinar la conductividad de muestras finas de material aislante.

Características Técnicas.

El accesorio consta de una sección de calentamiento y una de enfriamiento, que pueden ser unidas directamente, o bien con secciones intermedias intercambiables entre ellas, según sea necesario. La diferencia de temperatura creada por la aplicación de calor a un extremo de la pared resultante y enfriamiento al otro extremo produce un flujo lineal de calor a través de la pared por conducción.

La sección de calentamiento está fabricada con una barra de latón cilíndrica de 25mm de diámetro con un elemento eléctrico de calentamiento tipo cartucho instalado en un extremo. El elemento de calentamiento funciona a baja tensión para mayor seguridad del operador, y está protegido por un termostato para evitar daños por sobrecalentamiento. El elemento de calentamiento produce 60 vatios nominales a 24 VCC. La potencia suministrada al elemento de calentamiento puede ser variada y medida usando el HT10X. Tres termopares están situados a lo largo de la sección calentada a intervalos uniformes de 15mm para medir el gradiente de temperatura a lo largo de la sección. La sección de enfriamiento está fabricada con una barra de latón cilíndrico de 25mm, igual que la sección de calentamiento, y está enfriada en un extremo por el agua que pasa por las galerías de la sección. Tres termopares están situados a lo largo de la sección de enfriamiento a intervalos uniformes de 15mm para medir el gradiente de temperatura a lo largo de la sección.

Unos acoplamientos rápidos permiten la conexión rápida de un suministro de agua fría. Se incorpora un regulador de presión para minimizar el efecto de las fluctuaciones en la presión de suministro. Una válvula de control manual permite variar el flujo de agua de refrigeración, si se desea, en el intervalo de operación de 0 - 1,5 litros/min. La medición del caudal de agua de refrigeración no es esencial para los ejercicios didácticos, pero es posible instalar un sensor de caudal opcional tipo turbina si se desea usando los acoplamientos rápidos. El sensor de caudal opcional (Código de pedido SFT2) se conecta directamente al HT10X y proporciona lecturas directas del caudal del agua de refrigeración en litros/min.

Se suministran las siguientes cuatro secciones intermedias:

Sección de latón de 30mm de longitud, del mismo diámetro que las secciones de calentamiento y enfriamiento, y equipada con dos termopares en los mismos intervalos. Cuando se incluye esta sección entre las secciones de calentamiento y enfriamiento, se crea una pared plana larga de material y sección uniformes con temperaturas medidas en ocho posiciones.

Sección de acero inoxidable de las mismas dimensiones que la sección de latón para demostrar el efecto de un cambio de conductividad térmica.

Sección de aluminio de las mismas dimensiones que la sección de latón para demostrar el efecto de un cambio de conductividad térmica.

Sección de latón de 30mm de longitud, reducida en diámetro a 13mm para demostrar el efecto de un cambio de sección.

Pueden determinarse las propiedades de conducción de calor de los aislantes simplemente insertando los especimenes de papel o corcho suministrados entre las secciones de calentamiento y enfriamiento.

Se proporciona un tubo de pasta térmica para demostrar la diferencia entre un contacto térmico bueno y uno malo entre las secciones.

La sección de calentamiento, la de enfriamiento y todas las secciones intermedias están situadas de forma coaxial dentro de unos alojamientos de plástico que proporcionan un espacio de aire y aíslan la sección para minimizar la pérdida de calor al entorno y evitar quemaduras para el operador. Todas las temperaturas se miden usando termopares tipo K, cada uno de los cuales tiene un conector miniatura para su conexión directa a la unidad de servicio HT10X. Están instalados un total de ocho termopares a lo largo de las secciones calentada, intermedia y de enfriamiento. El accesorio de conducción lineal de calor está montado en una base de PVC que se coloca sobre la superficie de trabajo del banco al lado del HT10X. Las secciones intermedias y las muestras de aislantes se guardan en la base cuando no se están utilizando.

Posibilidades Experimentales

Comprender el uso de la ecuación de Fourier para determinar la tasa del flujo de calor a través de materiales sólidos. Medir la distribución de temperatura para la conducción en estado estable de la energía a través de una pared plana uniforme y una pared plana compuesta. Determinar la constante de proporcionalidad (conductividad térmica k) de diferentes materiales (conductores y aislantes). Medir la caída de temperatura en la cara de contacto entre capas adyacentes en una pared plana compuesta (resistencia al contacto). Medir la distribución de temperatura para la conducción en estado estable de la energía a través de una pared plana de sección reducida. Comprender la aplicación de conductores pobres (aislantes). Observación de la conducción en estado inestable (solamente cualitativa).

Especificación Para Pedidos

Un accesorio de pequeña escala diseñado para presentar a los estudiantes los principios básicos de la conducción térmica lineal y para permitir la determinación de la conductividad térmica de diversos conductores y aislantes sólidos. Consta de una sección calentada con elemento de calentamiento de 60W (funcionando a un máximo de 24VCC) y una sección refrigerada por agua con regulador de presión. Se suministran cuatro secciones intermedias con conductores y dos muestras de aislantes. Puede crearse una sección plana de latón con ocho termopares para medir el gradiente de temperatura. El accesorio está montado en una base de PVC diseñada para colocarse en la superficie de trabajo del banco y ser conectada a la Unidad de servicio de transferencia térmica sin necesidad de herramientas. Se incluye un folleto completo de instrucciones que describe cómo llevar a cabo una serie de ejercicios didácticos de laboratorio relacionados con la conducción lineal del calor y su análisis así como el montaje, la instalación y la puesta en marcha.

Accesorios de Armfield Esenciales

Unidad de servicio de transferencia térmica HT10X

Accesorios de Armfield Opcionales

Dispositivo de interfaz USB IFD5.
HT11-304 Software educativo para HT11.
FT61 Unidad de circulación de agua enfriada (Se requiere cuando no se dispone de un suministro continuo de agua fría a menos de 20°C).

Servicios Requeridos

Suministro de agua fría: 1,5 litros/min. a 1 Barg

Dimensiones Totales

Altura: 0,29 m
Anchura: 0,43 m
Profundidad: 0,21 m

Especificación de Transporte

Volumen: 0,04 m3
Peso bruto: 5 Kg.

4.2 ARMFIELD HT 12

El accesorio de Conducción radial de calor de Armfield ha sido diseñado para demostrar la aplicación de la ecuación de Fourier a la conducción radial sencilla de estado estable a través de la pared de un tubo. La configuración, usando un disco metálico sólido con mediciones de temperatura a diferentes radios y flujo de calor en sentido radial desde el centro hacia la periferia, permite investigar la distribución de temperatura y el flujo de calor por conducción radial.

Características Técnicas

El accesorio consta de un disco sólido de metal que es calentado en el centro y enfriado en la periferia para crear una diferencia de temperatura radial con el correspondiente flujo radial de calor mediante conducción.

El disco está fabricado de latón de 3,2 mm de grosor y 110 mm de diámetro con un núcleo central de cobre de 14 mm de diámetro. El núcleo central es calentado por un elemento de calentamiento tipo cartucho que funciona a baja tensión para mayor seguridad del operador, y está protegido por un termostato para evitar daños por sobrecalentamiento. El elemento de calentamiento produce 100 vatios nominales a 24 VCC.

La potencia suministrada al elemento de calentamiento puede ser variada y medida usando el HT10X. La periferia del disco es enfriada por agua fría que fluye a través de un tubo de cobre conectado a la circunferencia del disco. Seis termopares tipo K están ubicados a diferentes radios en el disco calentado para indicar el gradiente de temperatura desde el núcleo central calentado hasta la periferia del disco. La distancia radial entre cada termopar del disco es de 10 mm. Cada termopar tiene un conector miniatura para su conexión directa a la unidad de servicio HT10X. Unos acoplamientos rápidos permiten la conexión rápida del tubo de enfriamiento a un suministro de agua fría. Se incorpora un regulador de presión para minimizar el efecto de las fluctuaciones en la presión de suministro. Una válvula de control manual permite variar el flujo de agua de refrigeración, si se desea, en el intervalo de operación de 0 - 1,5 litros/min. La medición del caudal de agua de refrigeración no es esencial para el ejercicio didáctico, pero es posible instalar un sensor de caudal opcional tipo turbina si se desea usando los acoplamientos rápidos.

El sensor de caudal opcional (Código de pedido SFT2) se conecta directamente al HT10X y proporciona lecturas directas del caudal del agua de refrigeración en litros/min. El espécimen radial completo está situado dentro de un alojamiento de plástico que proporciona un espacio de aire y aísla la sección para minimizar la pérdida de calor al entorno y evitar quemaduras para el operador. El accesorio de conducción radial de calor está montado en una base de PVC que se coloca sobre la superficie de trabajo del banco al lado del HT10X.

Posibilidades Experimentales

• Comprender el uso de la ecuación de Fourier para determinar la tasa del flujo de calor a través de materiales sólidos.

• Medir la distribución de temperatura para la conducción en estado estable de la energía a través de la pared de un cilindro (flujo radial de energía).

• Determinar la constante de proporcionalidad (conductividad térmica k) del material del disco.

Especificación Para Pedidos

Un accesorio de pequeña escala diseñado para presentar a los estudiantes los principios básicos de la conducción radial de calor y para permitir la determinación de la conductividad térmica del disco de metal sólido. Consta de un disco fino de latón con un elemento de calentamiento de 100W (que funciona a un máximo de 24 VCC) montado en el centro, y un tubo de agua de refrigeración conectado a la periferia. Seis termopares tipo K miden el gradiente de temperatura entre el centro calentado y la periferia enfriada. El accesorio está montado en una base de PVC diseñada para colocarse en la superficie de trabajo del banco y ser conectada a la Unidad de servicio de transferencia térmica sin necesidad de herramientas. Se incluye un folleto completo de instrucciones que describe cómo llevar a cabo el ejercicio didáctico de laboratorio sobre la conducción radial del calor y su análisis, así como el montaje, la instalación y la puesta en marcha.

Accesorios de Armfield Esenciales

Unidad de servicio de transferencia térmica HT10X.

Accesorios de Armfield Opcionales

Dispositivo de interfaz USB IFD5
HT12-304 Software educativo para HT12
FT61 Unidad de circulación de agua enfriada. (Se requiere cuando no se dispone de un suministro continuo de agua fría a menos de 20°C)

Servicios Requeridos

Suministro de agua fría 1,5 litros/min. a 1 barg.

Dimensiones Totales

Altura: 0,19 m
Anchura: 0,35 m
Profundidad: 0,18 m

Especificación de Transporte

Volumen: 0,03 m3
Peso Bruto: 5 Kg.

4.3 ARMFIELD HT 17

Existen soluciones analíticas para la distribución de temperatura y flujo de calor como función de tiempo y posición para formas sólidas simples que son sometidas repentinamente a convección con un fluido a temperatura constante. Se proporcionan formas simples con cuadros clásicos apropiados de temperatura transitoria/flujo de calor que permiten un análisis rápido de las respuestas obtenidas en mediciones reales de transitorios. Se deja que cada forma se estabilice a temperatura ambiente, y luego es sumergida repentinamente en un baño de agua caliente de temperatura constante. La monitorización de la temperatura en el centro de la forma permite analizar el flujo de calor usando los cuadros apropiados de temperatura transitoria/flujo de calor proporcionados.

Un termopar independiente montado junto a la forma indica la temperatura del agua adyacente a la forma, y proporciona un dato de referencia preciso para la medición del tiempo transcurrido desde su inmersión en el agua caliente.

Características Técnicas

El equipo consta de un baño de agua caliente con un juego de formas geométricas instrumentadas.

Se proporcionan tres formas simples, es decir, un bloque rectangular, un cilindro macizo largo y una esfera maciza. Cada una de las formas incorpora un termopar para medir la temperatura en el centro de la forma. Cada una de las formas se suministra por duplicado, en latón y en acero inoxidable, que tienen diferente conductividad térmica. Las mediciones hechas con una forma en uno de los materiales pueden utilizarse para confirmar la conductividad de una forma similar construida de un material diferente. Se suministran cuadros de temperatura transitoria/flujo de calor para cada una de las formas.

El baño de calentamiento de agua tiene una capacidad de 30 litros y es calentado por un elemento de calentamiento eléctrico con potencia nominal de 3,0 kW. Un termostato permite calentar el agua a una temperatura predeterminada antes de realizar las mediciones. El gran volumen de agua en el baño asegura que cualquier cambio de la temperatura del agua mientras se realizan las mediciones sea mínimo.

El suministro eléctrico al elemento de calentamiento está protegido por un interruptor diferencial/disyuntor combinado para mayor seguridad del operador. Una bomba de circulación montada junto al baño de agua extrae agua del baño y la devuelve a la base de un conducto cilíndrico vertical situado dentro del baño de agua, en su centro. Un soporte asegura que cada una de las formas quede posicionada rápida y correctamente dentro del conducto vertical para realizar las mediciones. El flujo ascendente de agua a velocidad constante que pasa alrededor de la forma asegura que la característica de transferencia de calor permanece constante y también asegura que el agua que rodea la forma permanezca a temperatura constante.

La bomba de circulación es alimentada por el suministro variable de 24 VCC del HT10X. La velocidad del agua puede variarse ajustando la tensión aplicada a la bomba. Un termopar situado en el baño de agua permite monitorizar la temperatura del agua y ajustarla a la temperatura deseada antes de sumergir las formas geométricas. Cada una de las formas puede acoplarse a un soporte, lo que elimina la necesidad de tocar la forma una vez que su temperatura se ha estabilizado en el aire, y la posiciona con precisión dentro del baño de agua mientras se realizan las mediciones de transitorios. Un termopar montado en el soporte entra en contacto con el agua caliente al mismo instante que la forma sólida, y proporciona un dato de referencia exacto para la medición de temperatura/tiempo.

Todas las temperaturas se miden usando termopares tipo K, cada uno de los cuales tiene un conector miniatura para su conexión directa a la unidad de servicio HT10X. El accesorio está diseñado para ser utilizado conjuntamente con la Unidad de servicio de transferencia térmica HT10X y está montado sobre una base para que pueda ser colocado en el banco al lado del HT10X.

Posibilidades Experimentales

Unos cuerpos de diferentes tamaños, formas y materiales se estabilizan a temperatura ambiente, y luego son sumergidos en el baño de agua caliente. El cambio de temperatura en cada cuerpo es monitorizado usando Software educativo HT17-304 o un registrador sobre cinta de papel apropiado conectado al HT10X. Uso de cuadros analíticos de temperatura/flujo de calor para analizar los resultados obtenidos de diferentes formas sólidas. Uso de los resultados obtenidos con una de las formas para determinar la conductividad de una forma similar construida en otro material diferente. Investigación del efecto de las propiedades de la forma, el tamaño y el material sobre el flujo inestable de calor.

Especificación Para Pedidos

Un accesorio de pequeña escala diseñado para permitir la realización de ejercicios sobre transferencia de calor en estado inestable. Se suministra un juego de formas geométricas sólidas, que consta de un bloque rectangular, un cilindro largo y una esfera, cada una fabricada de latón y acero inoxidable y equipado con un termopar para monitorizar la temperatura en el centro de la forma. Un baño de agua caliente con conducto de flujo integral y una bomba de circulación externa aseguran que el agua caliente pase alrededor de la forma sólida bajo evaluación a velocidad constante y temperatura constante. Se suministra completo con cuadros analíticos de temperatura transitoria/flujo de calor para cada una de las formas.

El accesorio está montado en una base de PVC diseñada para colocarse en la superficie de trabajo del banco y ser conectada a la Unidad de servicio de transferencia térmica sin necesidad de herramientas.

Se incluye un folleto completo de instrucciones que describe cómo llevar a cabo los ejercicios didácticos de laboratorio sobre la transferencia de calor en estado inestable y su análisis, así como el montaje, la instalación y la puesta en marcha.

Servicios Requeridos

Suministro eléctrico
HT17-A: 220/240 V /monofásico/50Hz a 13 Amperios
HT17-B: 120V/monofásico/60Hz a 26 amperios

Accesorios de Armfield Esenciales

Unidad de servicio de transferencia térmica HT10X

Accesorios de Armfield Opcionales

Dispositivo de interfaz USB IFD5
HT17-304 Software educativo para HT17

Dimensiones Totales

Altura: 0,67 m
Anchura: 0,60 m
Profundidad: 0,40 m

Especificación de Transporte

Volumen: 0,17 m3
Peso Bruto: 14 Kg.

4.4 EQUIPO PARA LA DETERMINACION DE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA EN MATERIALES AISLANTES

Un equipo para determinar la conductividad térmica de los materiales aislantes ha sido diseñado y construido por especialistas del Instituto de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), el cual permitirá un ahorro importante de divisas debido a su alto costo en el mercado internacional.

Carmen Álvarez, especialista de esa institución, explicó que para su fabricación se tuvieron en cuenta instrumentos similares, cuya calidad y alto precio varían en dependencia del fabricante y son producidos por compañías europeas, japonesas y estadounidenses.

Sin embargo -precisó- este nuevo instrumento es capaz de comprobar valores diferentes a los alcanzados por empresas extranjeras, así como registrar un amplio margen de temperaturas inferiores y superiores al medio ambiente en muestras de un nuevo aislante desarrollado por el ICIDCA a partir del alcohol furfurílico, formaldehído y urea.

El novedoso aparato, aún en fase experimental, posee una fuente de voltaje estabilizado, diseñado y construido también en la propia entidad científica cubana, un indicador digital, un termocriostato, placa calefactora, recipiente de enfriamiento y material aislante

Se comprobó su gran efectividad en muestras de poliestireno expandido, y se obtuvieron valores sensibles de la conductividad calórica dentro del rango reportado para ese material en el país.

4.5 MDS KLIO TESTER MODELO KL-12-02

El funcionamiento del equipo se basa en la medida de la conductividad térmica y eléctrica de la piedra que se somete al estudio. La conductividad térmica permite detectar las imitaciones más corrientes (circonita, leucozafiro, YAG, etc.) que se caracterizan por la conductividad térmica más baja que el diamante. Sin embargo, existe una imitación que, al igual que el diamante, tiene la conductividad térmica muy elevada - la moissanita.

Para realizar la medida de la conductividad térmica, la punta de cobre de la sonda se calienta hasta una cierta temperatura. Al tocar la piedra y en función de la conductividad térmica de la misma, la punta se enfría en menor o mayor grado, lo cual queda reflejado en la posición de la aguja en el indicador del equipo. Para los materiales con la conductividad térmica baja (imitaciones más corrientes) la aguja no sale del sector rojo “SIMULANT”. Para los materiales con la conductividad térmica elevada (diamante y moissanita) la aguja se sitúa en el sector verde “DIAMOND”.

Para distinguir la moissanita de un diamante, las piedras que presentan conductividad térmica elevada se someten al segundo ensayo - la medida de la conductividad eléctrica. La moissanita (carburo de silicio, SiC) es un material conductor eléctrico, mientras que la inmensa mayoría de diamantes (salvo los diamantes muy raros de tipo IIb que contienen boro y tienen color azul o gris) son aislantes.

Precaución:

No toque la montura metálica de la piedra con la sonda de la conductividad térmica. El hecho de tocar la montura puede conducir a un error en la medida. En este caso se produce una indicación sonora.

4.6 DELTALAB ET100

El Aparato para estudiar la transmisión del calor ET100 ha sido diseñado para la demostración de los tres modos de transferencia térmica:
- conducción
- convección natural y forzada
- radiación.

Este dispositivo, ideado y desarrollado por la División Ingeniería de Transferencias y Energética de la Universidad Tecnológica de Compiegne, utiliza una placa calefactora de poca inercia térmica (patentada) con temperatura regulada.

La medición de la potencia calorífica necesaria para mantener esta placa a una temperatura prefijada, efectuada gracias a una sonda superficial, permite calcular los intercambios térmicos en diferentes condiciones experimentales.

Experimentos

- Efecto de la variación del ángulo de incidencia de una placa, de emisividad conocida, sobre la potencia térmica transferida al ambiente por convección y radiación naturales.
- Demostración del efecto chimenea en convección natural.
- Estudio de los intercambios térmicos en convección forzada, sobre una placa plana.
- Medición de la conductividad térmica de diferentes materiales.
- Estudio de la radiación para placas de superficie negra, o de emisividad conocida.

Descripción del aparato

El Aparato para estudiar la transmisión de calor de DELTALAB comprende:
- Dos placas caloríferas flexibles, con una sección de 275 mm x 275 mm, una de ellas con una cara negra y la otra brillante; y la segunda sin recubrir. La resistencia de las placas se obtiene mediante una capa de pintura especial conductora, que le ofrece una temperatura de distribución uniforme y una inercia térmica baja. El poder calorífico necesario es de unos 50 watt.

- Un soporte de placa, que aísla a una de ellas.

- Un banco provisto de un soporte inclinable destinado al montaje del elemento calefactor y, si resulta necesario, el material aislante. Un ventilador para la demostración de los efectos de la convección forzada.

- Un juego de placas de materiales aislantes diferentes, para estudiar la convección, juntamente con un tubo cilíndrico para estudiar el efecto chimenea.
- Una unidad de control electrónico que comprende:

• 1 controlador de temperatura con un potenciómetro que fija la temperatura de entrada entre 0º y 70º.
  - 2 contadores de tiempo con dispositivo de regreso a cero y de anulación.
  - 1 voltímetro
  - 1 amperímetro
  - 1 indicador digital de temperatura con sonda de platino incorporada para la medición de la temperatura superficial y la temperatura ambiente.

Dimensiones y Peso

- Dimensiones del aparato: 1000 mm x 450 mm x 400 mm
- Peso neto: 12 Kg. aproximadamente.

Alimentación

220 V. 50 Hz estándar. Posibilidad de otras tensiones y frecuencias, por encargo.

4.7 CÁMARA UL 94 FLAME CHAMBER

Utilizando este aparato, el objeto de la experiencia es determinar la conductividad térmica de paneles pintados, expuestos a la acción del fuego. Se fundamenta en que, registrando la disminución de la temperatura de la contracara del panel es posible evaluar el grado de aislamiento térmico producido por la pintura intumescente.

Descripción de las Probetas:

Se emplean paneles de acero SAE1010 de 200 x 300 x 3 mm. El sustrato se debe arenar o granallar hasta alcanzar el grado Sa 2 ½ logrando una rugosidad máxima de 20 micrómetros, siendo desengrasado con tolueno en fase vapor. La pintura se aplicará sobre la totalidad de una de las caras de las probetas, empleando pincel o soplete sin aire comprimido, en ambiente de laboratorio, a una temperatura de 20 +/- 2° C y 65% de HR. Antes de realizar la determinación, los paneles pintados se mantendrán en ambiente de laboratorio durante 10 días y luego en estufa a 40-45° C durante 24 H para eliminar la mezcla de solvente remanente.

Método Operativo:

En el primer ensayo se mide la conductividad térmica de la probeta patrón de acero sin protección de la siguiente manera:

Se coloca el panel desnudo en el soporte de la muestra, ubicando la termocupla en la cara opuesta a la afectada por la llama del mechero, es decir la cara superior del panel.

Luego se enciende el mechero y se van registrando los datos de aumento de temperatura a través del tiempo.

Estos datos luego se volcarán en un gráfico T vs. t.

Terminando este ensayo, medimos y registramos con el mismo método el aumento de temperatura frente al tiempo para el panel pintado. Estos datos se anotarán en el mismo gráfico y luego se procede a la comparación de ambas curvas.

El comportamiento de la capa de pintura será aprobado si la temperatura alcanzada por el panel protegido no excede los 200° C y si el salto que se produce entre las dos curvas es muy apreciable.

5. CONCLUSIONES

• El sistema o método común para encontrar la conductividad térmica en un material, consiste en someter la pieza o probeta a una diferencia de temperaturas, durante un intervalo de tiempo definido, calculando mediante la ley de Fourier, el área de exposición y su espesor, la cantidad de calor trasmitida.

• Las diferentes maquinas utilizadas para encontrar una aproximación del coeficiente de conductividad térmica, se basan en el mismo principio pero se desarrollan de manera diferente para cada necesidad o aplicación.

• Un material puede ser clasificado como aislante o conductor de calor, basándonos en el valor de su coeficiente de conductividad térmica, facilitando así la labor de ingeniería en el momento de escoger un material para un diseño en particular en el cual se involucre la transferencia de calor.

• El coeficiente de conductividad térmica de un material encontrado en tablas usadas comúnmente para cálculos preliminares, contiene un porcentaje de error debido a que estos valores fueron hallados de manera experimental mediante diversos métodos. De aquí las diferencias encontradas entre los datos experimentales y teóricos.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• ARMFIELD, Equipos didácticos de transferencia térmica, transferencia térmica y termodinámica, disponible en:

http:://www.armfield.com

• EUROCIENCIA, Catálogos temáticos de ingeniería, aparato para estudiar la transmisión de calor ET100, disponible:

http:://www.eurociencia.com

• CONDUCCION DE CALOR, Definiciones termodinámicas, disponible en:

http:://www.guajara.com

• UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL, Facultad Regional La Plata, departamento de ingeniería química, cátedra de ingeniería de los materiales, practica de laboratorio No 4, disponible en:

http:://www.utn.edu.ar

• DIARIO GRANMA, Nacionales, crean equipo en cuba para determinar la conductividad térmica, disponible en:

http:://www.granma.cubaweb.cu