Medición de la conductividad térmica
Medición de la conductividad térmica
La conductividad térmica de un material cuantifica su capacidad para transmitir calor. Esta propiedad varía en función de la temperatura y la composición del material. Por ejemplo, la conductividad puede variar entre 237 Wm-1.K-1 para el aluminio puro y 130 Wm-1.K-1 para una aleación baja. Por eso, en aplicaciones críticas es necesario medir esta propiedad en los materiales realmente utilizados.
Los tres métodos más utilizados en la industria y la investigación son:
- La placa caliente protegida.
- El método Flash.
- El método del hilo caliente.
Estos tres métodos son objeto de un gran número de publicaciones y normas (ISO NF-EN y ASTM).
Definición de conductividad
La conductividad es una propiedad térmica que se define como el coeficiente de proporcionalidad entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura :
Cuando las transferencias de calor se producen en una sola dirección, se opta por transcribir este calor en 1D. Por lo tanto, la ecuación del calor se escribe de la siguiente forma:
Φ es el flujo de calor en Wm-2
λ es la conductividad térmica en Wm-1.K-1
T es la temperatura en K
x es la dirección de propagación del flujo de calor.
Si la fuente de calor es una potencia P distribuida uniformemente sobre una superficie S, tenemos :
Por lo tanto, tenemos :
Medición de la conductividad en estado estacionario
El método más utilizado consiste en crear un flujo unidireccional. Esto es posible colocando la muestra entre dos planos isotérmicos de diferentes temperaturas.
El problema de la medición en estado estacionario son las pérdidas de calor. Para evitarlo, las pérdidas se reducen utilizando una muestra fina, de modo que las pérdidas sean insignificantes, o utilizando una protección
Método de la placa caliente protegida
Placa caliente protegida: El principio consiste en utilizar dos muestras idénticas y someterlas a un flujo unidimensional en una zona de medición rodeada por una zona de protección. Las muestras suelen ser cuadradas. La ventaja de tener dos muestras idénticas es evitar una protección térmica en la parte posterior de la superficie caliente. Con el método fluxmétrico, solo se puede utilizar una muestra.
Las zonas de medición y de protección están separadas por un espacio. Una tabla de la norma NF EN 12664 proporciona un orden de magnitud para el dimensionamiento del dispositivo de medición.
Tabla 1 : dimensiones de la placa calefactora protegida según la norma NF EN 12664 (todas en mm)
Este método tiene una variante denominada método fluxmétrico, que consiste en medir el flujo 1D. Este método permite evitar las zonas de protección y utilizar una sola muestra.
Normas relativas al método de la placa caliente protegida:
NF EN 12939 : Rendimiento térmico de los materiales y productos de construcción. Determinación de la resistencia térmica mediante el método de la placa caliente protegida y el método fluxmétrico. Productos gruesos de alta y media resistencia térmica.
XP CEN / TS 15548-1 : Productos aislantes térmicos para equipamientos de edificios e instalaciones industriales – Determinación de la resistencia térmica mediante el método de la placa caliente – Parte 1: mediciones a alta temperatura entre 100 °C y 850 °C
NF EN 12664 : Rendimiento térmico de los materiales y productos de construcción. Determinación de la resistencia térmica mediante el método de la placa caliente protegida y el método fluxmétrico. Productos secos y húmedos de resistencia térmica media y baja.
NF EN 12667 (2001-07- 01) : Comportamiento térmico de los materiales y productos de construcción. Determinación de la resistencia térmica mediante el método de la placa caliente protegida y el método fluxmétrico. Productos de resistencia térmica alta y media.
NF X10-021 (01-12-1972) : Materiales poco conductores. Determinación de la conductividad térmica. Método de la placa caliente protegida con muestras simétricas.
EN 12939 (01-03-2001) : Título: Rendimiento térmico de los materiales y productos de construcción. Determinación de la resistencia térmica mediante el método de la placa caliente protegida y el método fluxmétrico. Productos gruesos con resistencia térmica alta y media
ISO 10291: 1994 (15-09-1994) : Vidrio en la construcción. Determinación del coeficiente de transmisión térmica U, en régimen estacionario de acristalamientos múltiples. Método de la placa caliente.
ISO 8302: 1991 (01-08-1991) : Aislamiento térmico. Determinación de la resistencia térmica y propiedades relacionadas en estado estacionario. Método de la placa caliente.
Método de la barra protegida
El dispositivo es idéntico en principio al método de la placa caliente protegida. Solo difiere en la geometría.
Este método es adecuado para materiales altamente conductores, como los metales. La siguiente figura muestra este tipo de dispositivo. La barra se calienta mediante un elemento calefactor. Su potencia se mide con precisión. Por lo tanto, el flujo de calor se conoce con exactitud. Los intercambios de calor laterales se limitan mediante un material aislante sometido al mismo gradiente de temperatura. A cada altura de la barra, el aislante está a la misma temperatura que la muestra. Este método se utiliza incluso a altas temperaturas. Sigue siendo un método de referencia en laboratorios de metrología como el NMI (Instituto Nacional de Metrología). La temperatura se mide en varios puntos. El interés es doble :
- Se puede obtener la conductividad a varias temperaturas si el gradiente es grande.
- Se puede corregir el modelo térmico si, sin embargo, hay pérdidas laterales.
Medición de la conductividad en estado inestable :
El principio consiste en poner en estado inestable, es decir, en estado transitorio. En estos métodos, es posible que ya no se mida solo la conductividad, sino también la difusividad. Esto también requiere que el calor másico se mida mediante otro método.
Método flash :
Este método es muy útil para medir la conductividad térmica en muestras pequeñas.
Es esencial para medir la conductividad térmica a altas temperaturas, donde la medición de la temperatura mediante pirómetro de contacto es ineficaz. Este método no requiere una medición precisa de la temperatura. Sin embargo, solo podemos medir la difusividad :
Donde λ es la conductividad, en la difusividad, ρ la densidad y c el calor específico.
A continuación se presenta el diagrama del dispositivo experimental. Se calienta mediante un flash de luz, un láser o un bombardeo de iones. El aumento de temperatura se mide en el otro lado mediante pirómetro.
El principio consiste entonces en analizar el termograma (aumento de temperatura en la cara posterior) para determinar la difusividad :
Termograma en la cara posterior en función del tiempo:
La disminución tras obtener Tmax se debe a la naturaleza no adiabática del experimento.
El método más sencillo consiste en determinar el tiempo necesario 〖 t〗_(1/2) para obtener un aumento de la mitad del aumento máximo de temperatura (en el caso de un sistema adiabático). La difusividad se obtiene de la siguiente manera :
e es el espesor de la muestra
Las dificultades de este método son el dimensionamiento correcto del espesor de la muestra y la elección de la potencia del flash .
Otra dificultad es implementar el modelo adecuado en el caso de intercambios de calor a alta temperatura que impiden el uso del modelo simplificado anterior.
Punto bibliográfico :
Medición de la difusividad térmica mediante el método flash (técnica de ingeniería)
Autor(es): Bruno HAY, Jean-Rémy FILTZ, Jean-Christophe BATSALE
Resumen :
El método flash es el método más conocido y utilizado para medir la difusividad térmica. Desde su desarrollo en 1961, ha sido objeto de numerosas mejoras. Como método de laboratorio, se considera cada vez más una herramienta de control industrial, debido a su sencillez de aplicación. Este artículo presenta los diferentes aspectos de este método, desde la modelización y la estimación de parámetros hasta la medición, a través de algunos ejemplos de logros industriales y de laboratorio
.
Normas del método flash :
NF EN ISO 22007-4 (02-08-2017) : Plásticos. Determinación de la conductividad térmica y la difusividad térmica. Parte 4: método flash láser.
NF EN 821-2 (01-08-1997) : Cerámicas técnicas avanzadas. Cerámicas monolíticas. Propiedades termofísicas. Parte 2: Determinación de la difusividad térmica mediante el método flash láser (o pulso de calor)
ISO 13826:2013 (15/01/2013) : Recubrimientos metálicos y otros recubrimientos inorgánicos. Determinación de la difusividad térmica de recubrimientos cerámicos obtenidos por pulverización térmica mediante el método flash láser
ISO 18755:2005 (15-03-2005) : Cerámica técnica. Determinación de la difusividad térmica de cerámicas monolíticas mediante el método de flash láser.
ISO 19629:2018 (01-08-2018) : Cerámica técnica. Propiedades termofísicas de los compuestos cerámicos. Determinación de la difusividad térmica unidimensional mediante el método flash.
Método del hilo caliente :
Este método se utiliza principalmente para medir la conductividad térmica de fluidos, materiales refractarios aislantes de alta temperatura y materiales aislantes sueltos.
Se utiliza un hilo resistivo como fuente de calor. El hilo (generalmente de platino) también sirve como sensor de temperatura. Aplicamos un escalón de potencia y el estudio del termograma permite determinar la conductividad. El dispositivo se muestra a continuación:
El cable (C) se calienta mediante un sistema de 4 cables que permite controlar la potencia y medir su resistencia. Se registran la tensión y la corriente aplicadas al mismo. Podemos determinar la temperatura del cable.
Diagrama de la célula de medición
Suponemos una transferencia de calor en el fluido en geometría cilíndrica en un medio semiinfinito. La medición debe realizarse durante un breve periodo de tiempo en los fluidos para no sufrir los efectos de la convección. También se considera que la temperatura inicial del cable T(0) y la potencia eléctrica suministrada P son constantes. La resolución de la ecuación del calor para estas condiciones permite obtener una expresión analítica de la evolución temporal T(t) de la temperatura del cable calefactor. Si se utiliza un cable calefactor muy fino, su inercia tiene una manifestación medible en la curva de temperatura solo en tiempos muy cortos. Obtenemos una expresión simplificada de la variación de temperatura del cable :
Donde α es la pendiente de la parte lineal del gráfico de temperatura en relación con el logaritmo del tiempo :
El valor de α se obtiene mediante regresión lineal. La ecuación (2) permite calcular la conductividad térmica del líquido λ a partir del valor de α determinado experimentalmente y del conocimiento de la longitud del cable L y la potencia eléctrica P. El parámetro constante C de la ecuación (1) también depende de la resistencia de contacto entre el cable y el líquido, el radio del cable y la difusividad térmica del líquido. Por lo general, los valores de este parámetro no se analizan.
El NIST ha utilizado un método similar para medir la conductividad térmica de los líquidos. Este método utiliza dos cables de diferentes longitudes colocados en dos ramas de un puente de Wheatstone para eliminar los efectos secundarios.
Ejemplo de un termograma registrado que permite obtener la conductividad térmica
Referencia bibliográfica :
- [1] B. Le Neindre, Medición de la conductividad térmica de líquidos y gases, Técnicas de ingeniería, R2920-V2 (1996).
- Norma ASTM D 5930, Método de ensayo estándar para la conductividad térmica de plásticos mediante una técnica de fuente lineal transitoria (enero de 2009).
- [3] HM. Roder, Un aparato de conductividad térmica de hilo caliente transitorio para fluidos, Revista de investigación de la Oficina Nacional de Normas, vol. 86, n.º 5, pp. 457-493 (1981).
Normas para el método del hilo caliente :
NF EN 993-15 (01-10-2005) : Métodos de ensayo para productos refractarios densos moldeados – Parte 15: determinación de la conductividad térmica por el método del hilo caliente (paralelo)
NF EN ISO 8894-1 (01-08-2010) : Materiales refractarios. Determinación de la conductividad térmica. Parte 1: Métodos de hilo caliente («cruz» y «termómetro de resistencia»).
ISO 8894-2:2007 (15/12/2007) : Materiales refractarios. Determinación de la conductividad térmica. Parte 2: Método del hilo caliente (paralelo).
EN ISO 8894-1 (01/08/2010) : Materiales refractarios. Determinación de la conductividad térmica. Parte 1: Métodos de hilo caliente («cruz» y «termómetro de resistencia»).
NF EN 993-15 (01-10-2005) : Métodos de ensayo para productos refractarios densos moldeados. Parte 15: Determinación de la conductividad térmica mediante el método del hilo caliente (paralelo).
XP CEN/TS 15658 (01/11/2007) : Técnicas avanzadas de teccerámica. Propiedades mecánicas de las fibras cerámicas a alta temperatura en un entorno no reactivo. Determinación del comportamiento de fluencia mediante el método de las mordazas calientes.
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