Desarrollo Experimental Para Medición de Conductividad Térmica en Materiales

7/21/2019 Desarrollo Experimental Para Medicin de Conductividad Trmica en Materiales.

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UNIVERSIDADDELAFRONTERAFACULTADDEINGENIERA,CIENCIASYADMINISTRACIN

DEPARTAMENTODEINGENIERADEOBRASCIVILES

TRABAJODETTULO PARA OPTARAL TTULODEINGENIEROCONSTRUCTOR

PROFESORGUA:SR. JUANPABLOCARDENASRAMIREZ.

CLAUDIOALBERTOMANUELCRUZSANDOVAL.2011

Desarrollo Experimental Para Medicin de Conductividad Trmica en

Materiales


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AGRADECIMIENTOS.

A mi madre, familia y amigos.


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INDICE DE CONTENIDOS.

1 Captulo I. Introduccin. ............................................................................................ 2

1.1 Exposicin General del Problema ....................................................................... 2

1.2 Nivel Actual del Tema. ........................................................................................ 2

1.3 Objetivos general y especfico. ........................................................................... 4

1.3.1 Objetivo General. .......................................................................................... 4

1.3.2 Objetivos Especficos. .................................................................................. 4

2 Captulo II. Contextualizacin del estudio. ................................................................ 6

2.1 Introduccin. ........................................................................................................ 6

2.2 Historia de la Reglamentacin Trmica Chilena ................................................. 7

2.3 Fenomenologa Trmica. .................................................................................... 8

2.3.1 Mtodos de Transferencia de Calor .............................................................. 8

2.4 Conductividad trmica ....................................................................................... 13

2.4.1 Obtencin de Parmetros Trmicos segn Normativa Chilena. ................. 15

3 Captulo III. Metodologa de Trabajo. ................................................................ 22

3.1 Planeamiento .................................................................................................... 22

3.2 Elaboracin del Ensayo ..................................................................................... 25

3.2.1 Materiales y Aparatos Necesarios para el Mtodo ..................................... 25

3.2.2 Aparatos y Sistemas. .................................................................................. 26

3.2.3 Montaje de los Aparatos en Caja de Proteccin. ........................................ 33

3.3 Instrumentos de Medicin y Materiales Ensayados ......................................... 43

3.3.1 Instrumentos de Medicin. .......................................................................... 43


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3.3.2 Materiales Ensayados ............................................................................... 45

4 Capitulo IV. Desarrollo Experimental y Anlisis de Resultados ............................ 49

4.1 Realizacin de Ensayos. ................................................................................... 49

4.1.1 Toma y Procesamiento de Datos. ............................................................... 51

5 Captulo V. Conclusiones ........................................................................................ 62

6 Bibliografa. ............................................................................................................. 64

7 Anexos. ................................................................................................................... 67

7.1 Detalle registro temperaturas ............................................................................ 67

7.2 Certificado Tipo Basado en Nch 850 Of.83 ....................................................... 70


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INDICE DE TABLAS.

Tabla 2.1. Resistencia trmica de superficie .................................................................. 19

Tabla 3.1. Materiales necesarios para el desarrollo del ensayo. ................................... 25

Tabla 3.2. Coeficientes de Emisividad de Algunos Materiales ....................................... 29

Tabla 3.3. Relacin de espesor y dimensin. ................................................................ 30

Tabla 3.4. Coeficiente de conductividad trmica de la espuma de poliuretano. ............. 32

Tabla 3.5. Conductividad Trmica del Poliestireno expandido.. .................................. 46

Tabla 3.6. Coeficiente de Conductividad trmica de lana de vidrio. ............................. 47

Tabla 4.1. Dimensiones fsicas y masas del poliestireno expandido ............................. 52

Tabla 4.2. Procesamiento de datos poliestireno expandido. .......................................... 55

Tabla 4.3. Dimensiones fsicas y masas de la lana de vidrio. ........................................ 58

Tabla 4.4. Procesamiento de datos lana de vidrio. ......................................................... 58

Tabla 7.1. Temperaturas Poliestireno Expandido ........................................................... 67

Tabla 7.2 Temperaturas Lana de Vidrio ......................................................................... 68


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INDICE DE ECUACIONES.

(2.1) ........................................................................................................................... 10

(2.2) ........................................................................................................................... 12

(2.3) ........................................................................................................................... 13

(2.4) ........................................................................................................................... 15

(2.5) ........................................................................................................................... 16

(2.6) ........................................................................................................................... 17

(2.7) ........................................................................................................................... 17

(2.8) ........................................................................................................................... 17

(2.9) ........................................................................................................................... 18

(2.10) ......................................................................................................................... 19

(2.11) ......................................................................................................................... 20

(3.1) ........................................................................................................................... 29

(4.1) ........................................................................................................................... 52

(4.2) ........................................................................................................................... 52

(4.3) ........................................................................................................................... 53

(4.4) ........................................................................................................................... 53


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INDICE DE FIGURAS.

Figura 2.1. Transmisin de calor a travs de una pared. ................................................ 9

Figura 2.2. Transferencia de calor de una superficie caliente por conveccin. .............. 10

Figura 2.3. Transferencia de calor de una persona. ....................................................... 11

Figura 2.4. Conduccin de calor del aire a travs de una pared. ................................... 13

Figura 2.5 Resistencia trmica a travs de una pared compuesta. ................................ 20

Figura 3.1. Aparato para medir conductividad trmica. ................................................. 22

Figura 3.2.Esquema de mtodo experimental. .............................................................. 24

Figura 3.3. Encuentro de planchas de fibrocemento y fijaciones. .................................. 35

Figura 3.4. Encuentro y fijacin de placas fras a caja de proteccin. ............................ 36

Figura 3.5. Serpentn de cobre recocido. ....................................................................... 36

Figura 3.6. Doblado en frio de cobre recocido. ............................................................... 37Figura 3.7. Instalacin placa fria. .................................................................................... 37

Figura 3.8. Sistema enfriamiento. ................................................................................... 39

Figura 3.9. a) Cmara termogrfica . b) Presentacin de probetas. ............. 40

Figura 3.10. Detalles caja exterior. ................................................................................. 41

Figura 3.11. Aislacin de caja exterior. ......................................................................... 42

Figura 3.12. Panormica de caja exterior. ...................................................................... 42

Figura 3.13. Sistema de Adquisicin de Datos. .............................................................. 43

Figura 3.14. a) Regulador de Voltaje Monofsico. b) Pinza Amperimtrica. ........ 44

Figura 4.1. Interior del equipo de ensayo.. ..................................................................... 50

Figura 4.2. Panormica del ensayo. ............................................................................... 51

Figura 4.3. Division placa de bio-calor. ......................................................................... 54

Figura 4.4. Grfico Temperatura en el Tiempo............................................................... 56

Figura 4.5. Grfico Temperatura en el Tiempo............................................................... 57

Figura 4.6. Conductividad Trmica en el Tiempo. .......................................................... 57

Figura 4.7. Temperatura en el Tiempo. ......................................................................... 59

Figura 4.8. Temperatura en el Tiempo. .......................................................................... 60

Figura 4.9. Grfico conductividad Trmica en el Tiempo. .............................................. 60


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RESUMEN.

Estar al tanto con cierto detalle de las caractersticas trmicas de los materiales

empleados en la edificacin, resulta indispensable para tomar decisiones de diseo

adecuadas. Esto toma ms importancia al considerar la reglamentacin trmica actual,

en que se hace hincapi en las condiciones de confort higrotrmico en los hogares delPas.

Por ello, el presente Trabajo de Ttulo tiene como objetivo principal el diseo y

fabricacin de un experimento para la obtencin de la conductividad trmica en

materiales, tomando en consideracin los parmetros normativos chilenos,

principalmente la Nch850.Of83.

El fundamento del experimento se basa en la generacin de un flujo trmicoconstante a dos probetas de un mismo material, las que se encuentran en ntimo

contacto con una placa caliente, para obtener un gradiente de temperatura en dichas

probetas, en funcin de la potencia elctrica suministrada a la placa caliente. El flujo

trmico a travs de las probetas se disipa en dos placas fras, ubicadas en las caras

opuestas de las probetas.

El sistema de calefaccin, consta de una placa caliente (placa de bio-calor), un

regulador de voltaje para modificar la temperatura de la placa y un tester amperimtricopara saber de forma detallada el amperaje y voltaje suministrado a la placa de bio-calor.

Las dos unidades refrigerantes son en base a serpentines de cobre adosados a una

placa de hojalata, los serpentines son alimentados con agua fra por medio de

mangueras conectadas a una bomba de impulsin de agua. El sistema de medicin

corresponde a termocuplas tipo K de gran precisin y sensibilidad, estos sensores de

temperatura son ubicados en ambas caras de las probetas, y los datos son

almacenados por medio de una entrada USB a un computador.

La comprobacin del funcionamiento del dispositivo, se realiz con muestras de

poliestireno expandido de 330 mm de lado y 50 mm de espesor y lana de vidrio de las

mismas dimensiones que el anterior. La eleccin de estos materiales se debi a que

son ampliamente utilizados como aislantes trmicos y sus caractersticas son bien

conocidas.


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CAPTULO I.

INTRODUCCIN


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Captulo I. Introduccin.

2Desarrollo Experimental Para Medicin de Conductividad Trmica en Materiales

1 Captulo I. Introduccin.

1.1 Exposicin General del Problema

La decisin de usar unos materiales u otros puede tener un gran impacto en el

desempeo trmico y energtico de los edificios. No todos los materiales son iguales, y

no todos los materiales tienen el mismo comportamiento ante diferentes condiciones

ambientales. Por otro lado algunos materiales tienen cualidades que, si se aprovechan,

pueden ayudar a resolver las exigencias climticas a las que se ven sometidos los

edificios.

Conocer con cierto detalle las caractersticas trmicas de los materiales

empleados en la edificacin resulta indispensable para tomar decisiones de diseo

adecuadas. Todo esto considerando que nuestro pas tiene un dficit energtico

considerable que no ha sido resuelto completamente.

Luego de la entrada en vigencia del Decreto N192.- que modifica Decreto N47,

de 1992, Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones. En enero de 2007.

Donde se dan a conocer las exigencias de acondicionamiento trmico mnimo para

todas las viviendas del pas. Es imperativo contar con laboratorios especializados en

eficiencia energtica y su debida implementacin tanto a nivel nacional como regional.

Para garantizar las adecuadas, estables y permanentes condiciones de habitabilidad a

las personas.

1.2 Nivel Actual del Tema.

La problemtica ambiental en la ciudad de Temuco en los meses de ms bajatemperatura aumenta la contaminacin, producto de la lea hmeda que se utiliza para

la calefaccin, es una de las causantes del aumento de las enfermedades respiratorias.

Adems del deficiente confort trmico que ofrecen las viviendas esto contribuye al uso

indiscriminado de mtodos de calefaccin, Por ello Temuco suma ms de siete


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episodios de superacin de la norma. (Diario Austral Temuco, viernes 3 de junio de

2011)

El 16 de Septiembre de 2010. Se firm un convenio para el plan de

descontaminacin atmosfrica (PDA) en las comunas de Temuco y Padre las Casas,

por parte del Ministerio de Vivienda y Urbanismo junto a la CONAMA, que tiene porobjetivo ayudar a disminuir las concentraciones de material particulado respirable y

recuperar los niveles de la norma primaria, cuyo plan contempla el mejoramiento de la

eficiencia trmica de las viviendas. (http://www.minvu.cl, 2010)

En la actualidad en el Laboratorio de Evaluacin Energtica en Edificios y

Viviendas, de la Universidad de la Frontera, no existe un ensayo referencial, para la

obtencin de la conductividad trmica en materiales de construccin, por ello se hace

necesaria la implementacin de este y otros mtodos que contribuyan a determinar y

obtener parmetros respecto de la eficacia del uso de ciertos materiales en la

construccin de viviendas.


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1.3 Objetivos general y especfico.

1.3.1 Objetivo General.

Implementar el Ensayo de Conductividad Trmica en el laboratorio de Eficiencia

Energtica de la Universidad De La Frontera.

1.3.2 Objetivos Especficos.

Obtener parmetros normativos que definen el Ensayo de ConductividadTrmica.

Identificar los procedimientos necesarios para realizar el Ensayo de

Conductividad Trmica

Determinar todos los materiales e instrumentos necesarios para el mtodo.

Cuantificar los costos asociados a la adquisicin del ensayo en el laboratorio.

Verificar mediante ensayos dispuestos Nch850of83, la efectividad del

experimento.


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CAPTULO II.

CONTEXTUALIZACIN DEL ESTUDIO


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Captulo II. Contextualizacin del estudio


2 Captulo II. Contextualizacin del estudio.

2.1 Introduccin.

Hoy en da la escasa capacidad energtica que dispone el pas y el hincapi que

se ha otorgado a las polticas ambientalistas, nos sita en un contexto en el que se

busca el desarrollo sustentable y de eficiencia energtica, para as poder obtener un

ahorro energtico y un bajo impacto en el medio ambiente. En la industria de la

construccin es preponderante desarrollar caractersticas de acondicionamiento trmico

de las edificaciones.

Dentro de las variables que permiten obtener ahorro energtico, se encuentra la

aislacin trmica, la que se materializa en elementos constructivos de la envolvente

trmica tales como; muros perimetrales, complejos de techumbres y pisos, y en general

cualquier elemento que separe dos ambientes con temperaturas distintas.

La caracterizacin de los materiales consiste en conocer las propiedades que

poseen, siendo los ms significativos: la densidad, resistencia a la compresin y la

resistencia a la traccin, menos importantes son la dureza y fragilidad. Dada las

caractersticas de cada material se puede elegir el ms conveniente segn la finalidad

que se requiera, eso si el costo es un factor determinante al momento de la eleccin.

Ahora existen otras propiedades que definen la colocacin de un elemento en un sector

determinado. Una magnitud fundamental para la determinacin del acondicionamiento

trmico, es la conductividad trmica de los materiales empleados en la envolvente de

una edificacin, estos valores se ven alterados por diversos factores como son la

densidad, la temperatura y el contenido de humedad.


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2.2 Historia de la Reglamentacin Trmica Chilena

En la dcada de los 70, se aprob una normativa que haca referencia a la

certificacin trmica, no siendo de carcter obligatoria, por ello el MINVU consider que

era necesaria su incorporacin en la Ordenanza.

Es en la Municipalidad de La Florida donde se incorporaron condiciones trmicas

para las viviendas, este proyecto se denomin Programa de Incentivo al

Acondicionamiento Trmico, implementndose en 1991, en este se estableci la

certificacin voluntaria para cuantificar las prdidas de calor que se producen a travs

de la envolvente de una vivienda. El procedimiento consista en rebajas en los derechos

municipales de edificacin para viviendas, establecimientos educacionales y de salud,

que incorporaban el acondicionamiento trmico en sus proyectos.

Aos ms tarde el Ministerio de Vivienda y Urbanismo impuls una poltica de

mejoramiento general de los estndares de construccin, para ello cre un plan

considerando tres etapas para su aplicacin global.

La primera etapa fue incorporada en marzo de 2.000, esta hace referencia a la

aislacin en techumbres, considerando que es en este elemento constructivo donde se

produce en general la mayor prdida de energa en una vivienda. Esta primera parte fueagregada como reglamento en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones,

ah se establecen exigencias de aislacin trmica para un complejo de techumbre de

todas viviendas del territorio nacional, dividiendo en siete zonas el pas clasificndolas

segn las caractersticas climticas de grados/da, longitud, latitud y altura de la zona.

La siguiente etapa es complementaria a la primera, y hace referencia a la aislacin

trmica de la envolvente perimetral de las viviendas, sea, muros, pisos y ventanas.

Para enfrentar la segunda etapa se contemplaron cuatro instancias: Un comit de

diseo, profesionales, representantes del sector pblico y luego se incluy al sector

privado, un comit de cofinancistas que integraron 19 empresas que financiaron los

estudios, una validacin macro sectorial que consult la opinin de la Cmara Chilena


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de la Construccin y la de los Colegios Profesionales de Arquitectos, de Constructores y

de Ingenieros.

Al igual que en la primera etapa la reglamentacin fue incorporada en la OGUC,

para as estampar la obligatoriedad y ser de cobertura nacional. Esta es utilizada por

las direcciones de obras municipales permitiendo el control de su cumplimiento como

tambin posibles modificaciones locales. Cabe mencionar que las alteraciones de la

Ordenanza son de exclusiva competencia del MINVU, es decir, no es necesario que se

tramite en el parlamento, esto otorga una mayor flexibilidad junto con la posibilidad de

estar en permanente revisin y renovacin.

En la ltima etapa (tercera), hace alusin al comportamiento global y la

certificacin energtica de la vivienda, sta en la actualidad se encuentra en ejecucin,

siendo complementaria a las dos anteriores. El proceder es simular el comportamiento

trmico de la vivienda en su totalidad, incorporando todos los componentes que influyen

en el acondicionamiento climtico y en el balance energtico de los ambientes.

2.3 Fenomenologa Trmica.

2.3.1 Mtodos de Transferencia de Calor

Se establece en la Ley de la Termodinmica al calor como energa que se

desplaza desde un punto de mayor a menor energa, vale decir, desde un cuerpo con

mayor calor a uno ms fro hasta que alcanza el equilibrio trmico. As mismo se

establecen tres tipos de transmisin de calor: conduccin, radiacin y conveccin.

Cuando una pared opaca y homognea se coloca entre dos ambientes a diferentetemperatura, se produce una transferencia de calor de la cara caliente a la fra. Dicha

transmisin se produce en varias fases:

Del aire interior (ambiente ms caliente) a la cara interna de la pared.

A travs de la pared.

De la cara externa de la pared al aire exterior (ambiente ms fro).


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Figura 2.1.Transmisin de calor a travs de una pared.

En la figura 2.1. La fase 2 corresponde a la transmisin de calor por conduccin,

en tanto que en las fases 1 y 3 son por conveccin y radiacin.

Por Conveccin

Esta forma de propagacin es propia de los fluidos (lquidos y gases). Las

molculas en contacto con un cuerpo a una temperatura ms alta A se calientan,

disminuyendo su densidad y desplazndose por gravedad. Si a su vez entran en

contacto con un cuerpo ms fro B, ceden calor, aumentando su densidad y

desplazndose en sentido contrario, formndose as un ciclo de conveccin.

Al considerar el enfriamiento de un elemento caliente por medio de la circulacin

de aire frio sobre su superficie (figura 2.2.). El calor es transferido a la capa de aire

contigua a la superficie por medio de la conduccin, luego el calor es llevado fuera de la

superficie por conveccin.


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Figura 2.2. Transferencia de calor de una superficie caliente por conveccin.

La determinacin de la tasa de conduccin de calor por conveccin se obtiene con

la frmula de la ley de enfriamiento de Newton.

= (2.1)

En que hes el coeficiente de transferencia de calor por conveccin,correspondeal rea de la superficie en que ocurre la transferencia trmica, Tes la temperatura de lasuperficie y Tes la temperatura del fluido ms all de la superficie.


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Por Radiacin

La radiacin est constituida por ondas electromagnticas de diferentes

longitudes. Mientras que la conduccin como la conveccin requieren de un soporte

material; la transmisin por radiacin se puede realizar en el vaco.

Todos los cuerpos, incluso a temperaturas bajas, emiten calor por radiacin y la

cantidad de calor irradiado aumenta cuando se eleva la temperatura del cuerpo.

Por ello, cuando un cuerpo se encuentra en presencia de otro ms caliente,

absorbe ms energa de la que emite y viceversa, siendo la cantidad transmitida la

diferencia entre la emitida por ambos.

En la figura 2.3, la transferencia de calor entre la persona y el aire es porconveccin ya que el aire en la vecindad de la piel se calienta y asciende como

resultado de la transferencia trmica del cuerpo y adems el cuerpo pierde calor por

radiacin hacia las superficies circundantes.

Figura 2.3. Transferencia de calor de una persona.


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La obtencin de la tasa de radiacin mxima (Q ,) que puede emitirse a unasuperficie a una temperatura absoluta , es por medio de la ley de Stefan Boltzmann:

Q ,= A T(2.2)

En dondees el rea de la superficie y (5.67 x10-8W/(m2 K4)) la constante deStefan Boltzmann.

Por Conduccin

En este caso el calor se transmite de molcula a molcula sin cambio aparente

de materia, por lo que esta forma de cambio de calor interesa esencialmente a los

slidos.

La elevacin de temperatura aumenta la excitacin de las partculas ms

elementales de la materia, transmitindose dicha excitacin a las ms prximas de su

entorno y con ello su energa calorfica, continundose el proceso en el cuerpo en

cuestin de la zona ms caliente a la ms fra.

Por lgica se comprende que cuanto ms denso, compacto y pesado es un

cuerpo, ms prximas estn las molculas entre s y, por tanto, el cambio se realiza con

mayor facilidad.


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Figura 2.4. Conduccin de calor del aire a travs de una pared.

En la ecuacin (2.3). Se obtiene la tasa de conduccin de calor ( ), en quees el espesor constante de la capa, es la diferencia de temperatura a travs de lacapa, es el rea perpendicular a la direccin de transferencia de calor y ,corresponde a la conductividad trmica del material (ver definicin en Capitulo 2).

Q = A T

(2.3)

2.4 Conductividad trmica

La conductividad trmica, es la cantidad de calor que en condiciones estacionarias

pasa en una unidad de tiempo a travs de una unidad de rea de una muestra de

material homogneo de extensin infinita, de caras planas y paralelas y de espesor

unitario, cuando se establece una diferencia de temperatura unitaria entre sus caras. Se

expresa en W/(m2x K). (Nch 853.Of2007)


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En trminos sencillos, la conductividad trmica de un material es una medida de la

capacidad del material para conducir calor. Un valor elevado de conductividad trmica

revela que el material es un buen conductor del calor y un bajo valor indica que se trata

de un material aislante. Por ejemplo a temperatura ambiente, la conductividad trmica

del aluminio = 240 W/(m K), lo que significa que una pared de aluminio de un metrode espesor conducir el calor a razn de 240 watt por metro cuadrado de rea por

grado Kelvin de diferencia de temperatura a travs de ella.

El valor de conductividad trmica est asociado principalmente a la densidad del

material, su temperatura y su contenido de humedad, y en menor medida de la

anisotropa, color y presin atmosfrica a la cual se encuentra.

La densidad del material est asociada a la cantidad de poros que puede tener

un material. El aire estanco es uno de los elementos de ms baja conductividad, por lo

tanto, al aumentar la cantidad de poros la densidad disminuye generando una

disminucin de la conductividad, pero existe un lmite en cierto valor de densidad

(densidad optima), donde la conductividad aumenta debido a que en los poros que son

de gran tamao hay conveccin del aire en su interior

La Humedad en el material aumenta considerablemente la conductividad trmica

ya que el agua es aproximadamente 20 veces ms conductor trmico que el aire, por

ello si un material absorbe humedad empeora su capacidad de aislacin.

La temperatura influye disminuyendo o aumentando la efectividad del traspaso

de calor, dado que cuanto ms alta es, mayor es la conductividad por el aumento de

los choques de molculas al aumentar la energa cintica y viceversa al bajar la

temperatura.


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2.4.1 Obtencin de Parmetros Trmicos segn Normativa Chilena.

Nch 850: Aislacin Trmica Mtodo para la determinacin de la

conductividad trmica en estado estacionario por medio del anillo de

guarda

Para la obtencin de la Conductividad trmica se utiliza una placa metlica provista

de calefaccin, esta se encuentra rodeada de otra placa, formando un marco (anillo de

guarda). Dos probetas del material en cuestin de superficies dependientes del espesor

de la muestra se colocan de forma paralela a cada lado de las placas calientes. Dos

placas metlicas refrigeradas por corriente de agua u otro liquido (placas fras). Se

encuentran ajustadas a las caras fras de las probetas. El conjunto forma una especie

de sndwich en ntimo contacto.

El ensayo consiste en mantener la misma temperatura en las placas calientes

(placa central y de guarda), por ello hay la misma diferencia de temperatura en el

material que se encuentra junto a l. En estas condiciones el flujo de calor es

perpendicular con respecto a las superficies. Al conseguir que el sistema se mantenga

invariable (rgimen estacionario). Se determina el flujo trmico, que atraviesa la

superficie correspondiente de las dos probetas y el gradiente medio de temperatura a

travs de estas, la conductividad trmica del material es obtenido por la frmula (2.4):

= e2AT T

(2.4)

Dnde:

= conductividad trmica. W/ (mK).

= potencia elctrica. W. disipada en la placa caliente.

= espesor. m. promedio de ambas probetas.


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A = rea. m, de la placa de calentamiento.

T T= temperaturas de las caras calientes y fras, respectivamente (K).

Nch 851: Aislacin trmica Determinacin de coeficientes de

transmisin trmica por el mtodo de la cmara trmica.

En una cmara de medicin (cmara trmica), se determina el flujo trmico el que

atraviesa una seccin de probeta, esta se encuentra entre la cmara de medicin y un

recinto de refrigeracin (cmara fra). Para asegurar la mantencin de calor en el

interior de la cmara esta es rodeada por una cmara de guarda. Esta se mantiene a la

misma temperatura que la cmara de medicin. Evitando gradientes de temperatura

que pudiera causar flujo trmico lateral.

Con La obtencin de la potencia elctrica, el rea de la seccin atravesada por el

calor y el gradiente de temperatura entre la cara caliente y la fra de la probeta, se

calcula el coeficiente de transmisin trmica. Para ello se considera la siguiente

formula:

K = AT T

(2.5)

En que:

K= Coeficiente de transmisin trmica.

= Potencia elctrica. W. disipada.

A= rea de la seccin a travesar (m2).

T = Temperatura cara caliente y cara fra.


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Ahora con los mismos datos de potencia disipada, el rea y considerando la

diferencia de temperaturas del aire entre el lado caliente (), y el lado frio de laprobeta (), se calcula el coeficiente de transmisin trmica global K por medio de lafrmula:

K = ATa Ta

(2.6)

Nch 853: acondicionamiento trmico Envolvente trmica de edificios

Clculo de resistencia y transmitancias trmicas.

Establece los procedimientos de clculo para la obtencin de resistencias y

transmitancias trmicas de elementos constructivos, en particular los referentes a la

envolvente trmica, tales como muros perimetrales, complejos de techumbres y pisos, y

cualquier otro elemento que separe ambientes de temperaturas distintas.

Para una mejor comprensin del procedimiento de clculo, se definen los siguientes

conceptos y frmulas:

Resistencia trmica: Diferencia de temperatura dividida por la densidad del flujo

trmico.

R = T T

(2.7)

Coeficiente superficial de transferencia trmica: Densidad de flujo trmico a travsde una superficie dividida por la diferencia de temperatura entre esa superficie y los

ambientes circundantes. Se expresa en W (mK) .

h = T Ta

(2.8)


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Resistencia trmica de una cmara de aire no ventilada: Rg: Resistencia que

presenta una masa de aire confinado (cmara de aire). Se determina

experimentalmente por medio de la norma Nch851 anteriormente comentada.

Resistencia trmica de superficie: Valor recproco del coeficiente superficial de

transmitancia trmica.

R =1h

(2.9)

En donde:

R= Resistencia trmica de superficie en m2K/w.

h= Coeficiente superficial de transferencia trmica en W/(mK).

Transmitancia trmica (k): Flujo trmico dividido por el rea y por la diferencia de

temperatura entre los ambientes circundantes situados a cada lado del sistema. Se

expresa en W(mK)

. (Ver frmula (2.6)).

Resistencia trmica de superficie

Para este caso, k= h, donde h es el superficial de transferencia trmica. En tabla

2.1 aparecen los valores de la resistencia trmica de superficies que se deben

considerar para los clculos sealados a continuacin, segn sentido del flujo de calor,

la posicin y la situacin del elemento separador y la velocidad del viento.


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Tabla 2.1. Resistencia trmica de superficie en (mKW). Donde, R:Resistencia interna y R: resistencia interna. Nch853of2007

Elementos simples y homogneos

Si se considera un elemento de caras planas y paralelas, de espesor e,

conformado por un material de conductividad

, la resistencia trmica total queda dadapor:

R = 1U = Ri +e+ Re

(2.10)


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En que:

e= Resistencia trmica de un material.

Ri= Resistencia trmica de superficie al interior.

Re= Resistencia trmica de superficie al exterior.

Elementos compuestos

Para un elemento formado por una serie de capas o placas planas y paralelas de

materiales distintos en contacto entre s, la resistencia trmica total, queda dada por:

R=1U =Ri+[e]+Re

(2.11)

En donde:

=Sumatoria de las resistencias de las capas que conforman el elemento.

Figura 2.5 Resistencia trmica a travs de una pared compuesta.


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CAPTULO III.

METODOLOGIA DE TRABAJO


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Captulo III. Metodologa de trabajo


3 Captulo III. Metodologa de Trabajo.

3.1 Planeamiento

Una forma de medir la conductividad trmica de una material es colocar, como en

un emparedado, una calentador elctrico, constituido por una hoja trmica, entre dos

muestras idnticas del material, como se muestra en la figura 3.1, el espesor del

calentador de resistencia, incluyendo su cubierta, la cual est hecha de goma delgada

de silicio, suele ser de menor de 0,5 mm. Un fluido circulante, como agua del grifo,

mantiene los extremos expuestos de las muestras a temperatura constante. Las

superficies laterales de las muestras estn bien aisladas para garantizar que latransferencia de calor a travs de las muestras sea unidimensional. Se empotran dos

termopares en cada una de las muestras, separadas cierta distancia y en un

termmetro diferencial se lee la cada de temperatura, a travs de esta distancia a lo

largo de cada muestra. Cuando se alcanzan condiciones estacionarias de operacin, la

velocidad total de transferencia de calor a travs de las dos muestras se vuelve igual a

la potencia elctrica suministrada por el calentador.

Figura 3.1. Aparato para medir conductividad trmica.

Muestra

Muestra

termopar

Fluido de enfriamiento

Fluido de enfrimiento

termopar

Calentador de resistencia

L

a

L

a

T1

T1


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Con la finalidad de obtener mayor informacin acerca de la obtencin de la

conductividad trmica de forma experimental, se concert una reunin En el Centro de

Investigacin, Desarrollo e Innovacin de Estructuras y Materiales, IDIEM de la

Universidad de Chile. En su sede central en Santiago, es en estas instalaciones donde

se desarrolla el ensayo para la determinacin de la conductividad trmica en estado

estacionario por medio del anillo de guarda (Nch850). No pudiendo tomar fotografas

del mtodo, ni ver el interior del aparato ya que se encontraban realizando un ensayo,

aun as se pudo registrar una grabacin de audio, en donde se explic el

funcionamiento del ensayo.

Con la informacin obtenida en la normativa, libros y lo registrado en el IDIEM se

cre un experimento (ver figura 3.2) el que tiene el propsito de determinar la

conductividad trmica para elementos homogneos, considerando los parmetros de la

Nch850: Aislacin Trmica Mtodo para la determinacin de la conductividad

trmica en estado estacionario por medio del anillo de guarda


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Figura 3.2.Esquema de mtodo experimental.


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3.2 Elaboracin del Ensayo

3.2.1 Materiales y Aparatos Necesarios para el Mtodo

La eleccin de los materiales usados, se debi principalmente a las

caractersticas trmicas que poseen, en la tabla 3.1 se indica la cantidad y costos de

insumos y aparatos.

Tabla 3.1. Materiales necesarios para el desarrollo del ensayo.

MATERIALES UNIDAD CANTIDAD COSTO (con I.V.A)

Fibrocemento 8mm plancha 1 $ 11.696

Cobre Recocido ml 6 $ 25.080

lmina de acero de bajo carbono m2 1,44 $ 14.000Manguera Nivel Cristal Ml 9 $ 2.975

Abrazadera de metlica 20 mm Un 6 $ 2.775

Recipiente Un 1 $ 1.500Auto perforante lenteja 8x 1/2 un 12 $ 503

TEE de cobre un 1 $ 2.809

Pintura Industrial Negro Galn 1/16 $ 1.190

Pintura Latex Blanco Galn 1/4 $ 1.900

Poliestireno granulado Bolsa 1 $ 4.590

Escuadra silla ZN 2 1/2 Un 16 $ 1.320Escuadra silla ZN 11/2 Un 10 $ 1.550

Poliestireno expandido 50 mm plancha 5 $ 2.850Cable alta temperatura 2,5 mm ml 3 $ 1.800

Huincha aislante azul 3m un 1 $ 280

Sello para puerta/ventana ml 6 $ 2.820Brocha 3 un 2 $ 800

Tuerca hexagonal 5/32 x 3/4 un 15 $ 1.470

Golilla plana calibre 5/32 un 15 $ 930

Adhesivo montaje 100 grs. Un 1 $ 820APARATOS

Regulador de Voltaje monofsico un 1 $ 19.000

Pinza Amperimtrica un 1 $ 17.000Placa de bio-calor un 1 $ 50.000

Bomba pileta 12.10/1400 un 1 $ 28.369

Computador un 1 $ 200.000

Termocuplas - SEC 89 CR un 1 $ 420.000COSTO TOTAL ENSAYO $ 818.027


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3.2.2 Aparatos y Sistemas.

La normativa solo recomienda el uso de ciertos materiales para generar algunas

partes del ensayo, por lo que los insumos e instrumentos a continuacin nombradosfueron elegidos porque sus caractersticas cumplen con lo recomendado en Nch850.

1. Sistema de Refrigeracin.

Para el enfriamiento de las placas fras del ensayo fue necesario un sistema de

enfriamiento, siendo una buena alternativa el imitar el sistema de enfriamiento de losmotores de autos por medio de radiadores, considerando para ello los siguientes

insumos:

Bomba Sumergible: utilizada en la impulsin de agua fra a travs de

mangueras para la mantencin de la temperatura en las placas fras;

Caractersticas:

o Modelo: Bomba de pileta 12.10/1400

o Potencia: 35wo Caudal Mximo: 1250 lt/h

o Altura Mxima: 2,1 m

o Dimensiones: Ancho:

o Potencia con altura mxima de impulsin de 2,5 metros.

Caera de Cobre Recocida :El cobre es un buen conductor del calor, esto

es que si se calienta un extremo de una pieza de cobre, el otro extremoenseguida alcanzara la misma temperatura. Por lo que este metal es utilizado en

muchas aplicaciones de calefaccin ya que no se corroe y tiene un alto punto de

fusin.


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El cobre al recocido es altamente manejable (dctil), que en forma de

tubera es utilizado tanto en losas radiantes como serpentines para termo

caones, por esta razn se utiliz para formar dos serpentines que en su interior

transportan agua a baja temperatura, para enfriar por conduccin las placas fras

del ensayo.

Manguera Nivel Cristal :El uso de la manguera es servir de puente entre la

fuente de agua fra y las caeras de cobre que forman el sistema de

refrigeracin de las placas fras, al ser transparente adems se puede verificar

que el agua que este circulando sin burbujas de aire.

Abrazadera de metlica 20 mm: Consideradas para la sujecin y evitar la

filtracin de agua entre la manguera y la caera de cobre y entre las manguera

de nivel y el fitting.

Recipiente:el lquido que circula en el sistema de enfriamiento corresponde a

agua potable, considerando un recipiente con una capacidad volumtrica de 5

litros de agua la que se mantuvo a baja temperatura con hielo. Dicho recipiente

es de plstico y con altura de 40 centmetros para la instalacin de la bomba

(ver caractersticas de bomba de impulsin).

2. Aparato de Placas Trmicas.

Corresponde a dos placas fras ubicadas en cada extremo de la caja y una placa

caliente central, cuya funcin es generar las condiciones de gradientes de temperaturaspara ensayar las probetas.


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Placa de Bio-calor.

Corresponde a un panel calefactor elctrico de bajo consumo, modelo BIO425;

230V; AC; 50Hz. Cuyas dimensiones son:

Alto: 60 cm.

Ancho: 60 cm.

Espesor: 1 cm.

Este aparato fue utilizado como placa calefactora, instalndose en la parte

central de la caja de proteccin, dejndola en forma vertical y paralela a las placas fras.

Para la ubicacin de las probetas se dej un espacio de 5 centmetros entre cada una

de las caras de la placa de bio-calor y las caras fras del sistema.

Las probetas fueron colocadas apegadas a la placa, as se gener el flujo de

energa por conduccin. Para ello se procur que entre los bordes de ambas probetas y

las paredes del sistema, fueran lo ms hermticas posible y as no alterar los

resultados.

Cable alta temperatura.

La placa de bio-calor contiene en su parte superior izquierda; un interruptor; este

dispositivo impide el intimo contacto con las muestras, por ello se le extrajo y se instal

adosado al exterior de la caja exterior. Para extender el circuito, se utilizaron dos cables

que soportan altas temperaturas ya que estn revestidos en silicona.

Placas fras.

Se utilizaron como placas fras, lminas de acero de bajo carbono (metal base),

las que estn recubierta en ambas caras por una capa delgada de estao mediante un

proceso electroltico. La finalidad de las placas de hojalata es utilizarlas, tanto en placa

fra como caliente segn corresponda, adems de la sectorizacin de estas.

En el punto 5.2.2 de Nch850 Of. 83, se hace alusin a la Emisividad mnima de

todas las placa, siendo esta 0,8. Considerando tabla 3.2, Los valores de Emisividad de


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las placas fras son menores a los estipulados en la normativa, por ello se someti a un

tratamiento de estas consistente en pintar con pintura negra, las superficies que se

encuentran en contacto con las probetas, el oscurecer la superficie asegura un aumento

de la Emisividad debido a la siguiente relacin:

Eiiidad= Radiai eiida a eiieRadiai eiida i ea e e

(3.1)

Pintura industrial.

Al oscurecer un cuerpo la radiacin de este se acerca al mximo (1), generando

un aumento de su Emisividad. Las placas fras fueron pintadas con pintura negra que

Para estructura metlica y que adems resiste altas temperaturas (280C).

Tabla 3.2. Coeficientes de Emisividad de Algunos Materiales

Material superficial Coeficiente de Emisividad

Yeso 0,98

Aluminio, pulido 0,05

Latn, pulido 0,03

Cromo, pulido 0,10

Arcilla, cocida 0,91

Pintura negra de esmalte 0,80

Cuerpo negro mate 1,00

Pintura negra de silicona 0,93

El dimensionamiento de las placas trmicas es condicionado por los espesores

de las probetas, consultando la tabla 3.3, se indican las longitudes mnimas de la placa

caliente central y del anillo de guarda. En la experiencia se considera un espesor de


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probeta estndar de 50 mm, ello significa que la dimensin total del sistema de

calentamiento debe ser como mnimo de 25 centmetros.

Como placa caliente; en el experimento; se opt por utilizar una placa de bio-

calor, que fue adquirida en 2011 por el laboratorio, posee un ancho y alto de 60x60centmetros. Ahora si consideramos que para un espesor de probeta de 50 mm, la

norma exige una longitud mnima de 25 centmetros de placa caliente se cumplira a

cabalidad con lo exigido.

La ausencia de anillo de guarda en la experiencia se debe a que hay un

sobredimensionamiento de la placa de calentamiento central, considerando adems

que al momento del ensayo tanto la placa central como la de guarda deben tener la

misma temperatura. Segn lo especificado en la normativa.

Tabla 3.3. Relacin de espesor y dimensin.

Espesor mximo de la

probeta (mm)

Dimensiones mnimas de la placa de guarda

Sector unidad de

calentamiento central (mm)

Ancho del anillo de guarda

(mm) (que rodea la partecentral)

33 100 50

50 150 75

63 300 75

85 300 115

100 300 150


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3. Caja Protectora.

Este elemento fue elaborado con la finalidad de rodear el aparato de placas

trmicas, para evitar la fuga excesiva de calor y adems servir de soporte para lasplacas.

Fibrocemento 8mm.

El fibrocemento es un material hecho a partir de cemento y fibras, las ventajas

destacables son su baja permeabilidad, incombustible, no se pudre ni se oxida y es un

buen aislante trmico. Entre sus caractersticas se destacan la resistencia a la humedad

y al fuego. Por lo que presenta todas las propiedades necesarias para materializar la

caja protectora.

Pernos de cocina con tuerca (5/32x3/4).

Estos pernos se usaron para fijar las planchas de hojalata al fibrocemento,

dejando la posibilidad de desmontar la caja protectora para realizar alguna mejora o

proceso de mantencin.

4. Caja Exterior.

Para aislar de forma definitiva las placas se construy una caja que contiene a la

caja protectora y posee un sistema de aislacin trmica, los materiales constituyentes

de esta son los siguientes:

Placa OSB (Oriented Strand Board).

La caja exterior se revisti con tablero de virutas orientadas OSB, elaborado a

partir de virutas de madera, estas son aglomeradas mediante cola sinttica, luego las


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virutas son prensadas a temperaturas determinadas. Las virutas que conforman el

tablero van dispuestas en capas perfectamente diferenciadas y orientadas.

Espuma expansiva.

Se utiliz para el sellado de los encuentros entre las caras de la caja exterior

para as evitar posibles puentes trmicos. La espuma de poliuretano es un buen

aislante trmico, de elevado rendimiento, por ende se puede aplicar en bajos espesores

obteniendo altos rendimientos comparado con otros materiales similares. Se puede

usar tanto en exterior como en interior, posee excelentes propiedades como aislante

acstico. Dentro de las ms importantes propiedades se encuentran: un alto poder de

aislamiento trmico, alta capacidad de absorcin acstica, es incombustible (dentro de

los compuestos utilizados estn los ignfugos), durabilidad, estabilidad dimensional, no

es higroscpico, casi nada de trnsito de agua lquida por capilaridad, por ende la

espuma de poliuretano mantiene inalterable su capacidad trmica. Dentro de las

ventajas cabe mencionar que no anida roedores ni otro tipo de plagas, es resistente a

la putrefaccin, es inodoro, no se afecta con la humedad, no conduce electricidad y

optimiza el aprovechamiento de energa en acondicionamiento trmico (MINVU 2009).

Tabla 3.4. Coeficiente de conductividad trmica de la espuma de poliuretano.

Densidad nominal mnima

(kg m-3)

Coeficiente de conductividad trmica

(W (mK)-1)

25 0,0272

30 0,026240 0,025

45 0,0245

60 0,0254

70 0,0274


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Sello para puerta/ventana.

Con la finalidad de impedir el traspaso de aire desde el interior y viceversa de

temperatura, se instal un burlete doble en el permetro de la tapa de la caja exterior.

Escuadras metlicas de 3.

Para la fijacin y escuadre de la caja exterior se consideran escuadras, de estas

se colocaron 3 por cada encuentro de superficies perpendiculares entre s.

Pintura Ltex Master Blanco.

Al exterior de la caja protectora se aplic pintura, cuyos objetivos son ser la

primera barrera de proteccin para contribuir en la mantencin de la temperatura interior

y la apariencia de esta.

Perlas de Poliestireno expandido.

Para aislar completamente del exterior el ensayo se utilizaron perlas de

poliestireno expandido entre la caja interior y la de proteccin.

3.2.3 Montaje de los Aparatos en Caja de Proteccin.

Planchas de Fibrocemento.

Dimensiones:Las partes de la plancha del fibrocemento dependen de las extensionesde las probetas, de la placa caliente y las placas fras, determinados de la siguientemanera:

Dimensiones de la envolvente lateral de la caja de proteccin:

Largo: (espesor placa fra 1 + espesor probeta 1 + espesor placa caliente + espesorprobeta 2 + espesor placa fra 2)

Largo (cm): (10+5+2,5+5+10)=32,5 cm

Alto:(espesor base + alto de la placa caliente + espesor tapa)


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Alto (cm):(0,8+60+0,8)=61,6 cm

Espesor: 0,8 cm, correspondiente al espesor de la plancha.

Dimensiones de la base de la caja de proteccin:

Largo: 32,5 cm, igual al largo de las caras laterales

Ancho: 60 cm, igual al ancho de las probetas

Espesor: 0,8 cm, correspondiente al espesor de la plancha

Dimensiones de la tapa de caja de proteccin: Son las mismas de la base,ya que

se trata de un poliedro.

Trazado y corte: Para marcar los cortes se us un lpiz carpintero y una regla metlica,

en tanto que para cortar la plancha de fibrocemento se utiliz un elemento corto

punzante (cuchillo).

Fijaciones: La mantencin de la perpendicularidad de la caja de proteccin, es

determinante para el ensayo, por ello se instalaron dos escuadras metlicas de 1 en

cada encuentro de planchas, estas se encuentran fijadas con tornillos para poder

desmontarlas, ya sea para reparacin como para mantencin de la caja. En la figura

3.3, Se aprecian el montaje de la caja de proteccin, con sus fijaciones y con el trazo de

la ubicacin de las placas trmicas.


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Figura 3.3. Encuentro de planchas de fibrocemento y fijaciones.

Placas fras.

Dimensiones: Las placas de hojalata son de 60 x 60 cm. Ya que la placa de bio-calor

tiene la gemetra mencionada. Incluyen tres aletas de 2 cm. Tanto en la base como en

los encuentros laterales con la caja de proteccin, estas aletas sirven tanto para fijar las

placas fras a la caja como tambin para evitar prdidas de calor en las partes donde se

colocan las probetas.(ver figura 3.4).

Fijaciones:Para la instalacin de los pernos de cocina con tuerca 5/32x3/4, se hicieron

6 perforaciones para sujecin en cada placa fra y dos en la placa caliente, adems de

instalar cuatro escuadras entre la base y las caras laterales de la caja de proteccin.

Las perforaciones se materializaron con clavos, luego un lijado de la superficie ya que

al perforar la plancha esta deja restos alrededor de la oquedad.


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Figura 3.4. Encuentro y fijacin de placas fras a caja de proteccin.

Para el montaje del sistema de enfriamiento de las placas se consider un

serpentn de cobre para cada una (ver figura 3.5). Por su excelente Transmitancia

trmica este se encuentra en ntimo contacto con la placa metlica gracias a una placa

de fibrocemento y luego una plancha de poliestireno expandido de 50 mm, estas

planchas se colocaron a presin, para que el serpentn quede en contacto con la placa

de hojalata y as por conduccin enfriar las placas metlicas.

Figura 3.5. Serpentn de cobre recocido.


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El doblado del cobre recocido se realiz con instrumental especial ya que al

torcerlo se puede romper como tambin deformar el rea interior de la caera.

Impidiendo su ptimo funcionamiento (ver figura 3.6).

Figura 3.6. Doblado en frio de cobre recocido.

Figura 3.7. Instalacin placa fria.


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En la figura 3.7 se aprecia el revestimiento en pintura industrial negra en dos

manos para asegurar buena Emisividad (ver ecuacin (3.1)). Esta solo se pint en la

cara que se encuentra en contacto con la probeta. Tambin es posible ver tres caras de

la caja de proteccin y dos clip de hojalata asegurando que la placa central (placa de

bio-calor), se encuentre totalmente vertical y separada a 50 milmetros de las caras

fras.

El lquido utilizado en el sistema de enfriamiento corresponde a agua fra con

hielo, para mantener una temperatura baja y constante en las placas. Para conducir el

agua fra desde la bomba a los radiadores, se utiliz una manguera transparente, para

ver en todo momento si el agua circula por sta. En el encuentro de la manguera con elcobre se usaron abrazaderas metlicas para impedir posibles fugas de aguas debido a

la presin interior.

La bomba se encuentra sumergida en agua dentro de una fuente que tiene una

capacidad de volumen de 5lt. En la salida de la bomba impulsora se encuentra un

accesorio de cobre TEE, para distribuir agua fra a los dos serpentines en forma

simultnea, el sistema de circulacin concluye en el recipiente en donde el agua es

enfriada y regresa a circulacin.

Para mantener una temperatura invariable es necesario tener un dispositivo que

entregue frio de forma constante y rpida, por lo que se recomienda en posibles

mejoras optimizar el sistema con un aparato de enfriamiento, como por ejemplo un

congelador frontal.


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Figura 3.8. Sistema enfriamiento.

Placa Caliente Central.

Primeramente como se ve en la figura 3.9 a. se utiliz un equipo porttil (cmara

termogrfica) para ver el sistema de calentamiento de la placa de bio-calor y

determinar cules son los sectores en donde se concentra la mayor temperatura. Con

esta informacin se consideraron las dimensiones mximas que pudiese tener una

probeta a ensayar. La resistencia en el interior de la placa recorre en forma de

serpentn casi toda la superficie a excepcin de 3 centmetros aproximadamente en

todo el borde, donde no hay resistencia, por ello es necesario esperar a lo menos 15

minutos, luego de encendida la placa para que toda rea tenga misma temperatura.


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Figura 3.9. a) Cmara termogrfica . b) Presentacin de probetas.

La placa caliente se encuentra instalada a presin; esto es: para poder sacarla

en caso de ser necesario y adems posee dos corchetes de hojalata a cada lado de

la caja protectora, los que sirven para evitar el desvo de la placa. En la figura 3.9 b. Se

encuentra en el centro la placa caliente, inmediatamente despus a ambos lados

pobretas de poliestireno expandido de 50 mm. Cada una las que se encajonan en las

placas fras.

Caja exterior

La funcin de la caja exterior es ser la envolvente que evita el traspaso de

temperatura desde el exterior al sistema. Para su construccin se reutiliz una placa de

OSB, la que formaba parte de un sistema experimental de envolventes trmicas paraviviendas. Las sujeciones de las planchas son en escuadras metlicas, considerndose

tres en cada encuentro de planchas.


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Dimensiones de la caja de exterior:

Se dej un espacio de 10 centmetros entre las caras de la caja de proteccin y

las de la exterior, ya que dichas oquedades se rellenaron con perlas de Poliestireno,

quedando entonces como sigue:

Alto: 82,6 cm.

Ancho: 80 cm.

Largo: 52,5 cm.

Evitar en lo posible los puentes trmicos que se pudieron generar en la caja

exterior fue preponderante, por ello los encuentros de planchas se sellaron con

espuma selladora, tanto en el exterior como el interior (ver figura 3.10), adems se

instal un burlete doble en la tapa de la caja.

Figura 3.10. Detalles caja exterior.

Para asegurar una buena resistencia trmica en los espacios entre las cajas,

estos se rellenaron con perlas de poliestireno expandido como se muestra en la figura

3.11. Con este material se llen hasta el mismo nivel de la tapa de la caja de

proteccin, esto se debe a que al sobrepasar dicha altura se corre el riesgo de que las

perlas se introduzcan dentro de la caja de proteccin generando complicaciones.


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Figura 3.11. Aislacin de caja exterior.

En la figura 3.12, se ve en totalidad la caja exterior. En la parte superior izquierda se

aprecia el interruptor de la placa de bio-calor y en la parte inferior una manguera del

sistema de enfriamiento.

Figura 3.12. Panormica de caja exterior.


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3.3 Instrumentos de Medicin y Materiales Ensayados

3.3.1 Instrumentos de Medicin.

Termocuplas - SEC 89 CR

Este sistema de adquisicin de datos es utilizado para registrar temperatura con

capacidad para 8 sensores. Para ver y almacenar los datos entregados por el

dispositivo, se debe conectar a un computador convencional por medio de un cable

con puerto USB (ver figura 3.13). Los sensores de temperaturas corresponden a

termocuplas tipo K, cuyo funcionamiento se basa en un principio descubierto por

Seebeck en 1821. Este establece que cuando la unin de dos metales diferentes se

encuentran a una temperatura diferente que la del medio ambiente, circula una

pequea corriente que aumenta con la temperatura. Por ello las termocuplas se utilizan

para medir las temperaturas de las caras calientes y caras fras de las muestras.

Figura 3.13. Sistema de Adquisicin de Datos.


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Pinza Amperimtrica Mastech

La pinza amperimtrica es un ampermetro en el que es necesario abrir el

circuito en al que se quiere medir la corriente (figura 3.14 b). El funcionamiento de la

pinza se basa en la medida indirecta de la corriente circulante por un conductor a partirdel campo magntico o de los campos que dicha circulacin de corriente genera.

Recibe el nombre de pinza porque consta de un sensor, en forma de pinza, que se abre

y abraza el cable cuya corriente queremos medir. De forma experimental se calcula el

amperaje utilizado por la Placa de Bio-calor al momento de realizar el ensayo

Regulador de Voltaje Monofsico

Aparato de circuito electrnico (figura 3.19 a). La funcin de este equipo es

generar un voltaje constante a partir de uno variable. Debido a que la placa de bio-calor,

se alimenta de la red monofsica de tensin alterna de 220 volt. Y no contiene un

dispositivo para regular su temperatura, se hizo necesario este instrumento para

provocar una modificacin del voltaje que llega a la placa y as obtener la temperatura

deseada.

Figura 3.14. a) Regulador de Voltaje Monofsico. b) Pinza Amperimtrica.


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3.3.2 Materiales Ensayados

Para comprobar la funcionalidad del sistema, se seleccionaron dos materiales

aislantes cuyas conductividades trmicas son conocidas y menores a 60 W/(m2

C),este valor es requisito para la obtencin de la conductividad trmica segn el punto 4.2

de Nch850 Of.83.

Poliestireno Expandido

Corresponde a una espuma rgida, que se elabora a base de derivados del

petrleo. Dentro de su estructura el Poliestireno posee un sinnmero de celdas

cerradas en forma de esferas envolventes, estas retienen aire en su interior. Estas

esferas se encuentran apoyadas entre s en su tangente, ntimamente soldadas,

componen una masa liviana por el volumen de aire encerrado, obteniendo una alta

capacidad de aislamiento trmico (29% de aire y 2%de material slido). Dentro sus

propiedades destacan: el alto poder de aislamiento trmico, alta capacidad de

absorcin acstica, durabilidad, estabilidad dimensional, no es higroscpico,

prcticamente no posee trnsito de agua por capilaridad, lo que hace que el este

material mantenga inalterable su capacidad de aislacin trmica y una alta resistencia a

la difusin del vapor de agua al interior del material (MINVU, 1999). Adems posee laventaja de una fcil manipulacin e instalacin, no anida roedores ni otro tipo de plagas,

no es txico, resistente a la putrefaccin, inodoro, reciclable, no es afectado por la

humedad, no conduce electricidad y optimiza el aprovechamiento de energa en

acondicionamiento trmico. En tabla 3.5 Se indican los coeficientes de conductividad

trmica a distintas densidades.


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Tabla 3.5. Conductividad Trmica del Poliestireno expandido. Adaptada de CalabiFloody, M. M. (2008).

Empresa Densidad nominal

mnima (kg m-3)

Coeficiente de conductividad

trmica (W (mC)-1)

AISLAPANEL S.A. 10 0,043

ENVASES

TERMOAISLANTES S.A

10 0,043

NOVA CHEMICALS

CHILE LTDA.

10 0,043

BASF CHILE S.A. 10 0,043

BASF CHILE S.A. 15 0,041

BASF CHILE S.A. 20 0,038BASF CHILE S.A. 30 0,036

Lana de Vidrio

Es un producto que se fabrica a partir de arena fundida, vidrio reciclado y

aditivos a altas temperaturas, luego de esto se separa el vidrio fundido en miles de

filamentos, los que al rociarles un aglutinante para juntarlos y por ltimo se lleva a una

cmara de curado. El resultado de final es un producto fibroso de ptimas propiedades

de aislamiento trmico y acstico. Por otra parte al ser de procedencia mineral tiene una

alta resistencia al fuego. En la tabla 3.6 se indican los coeficientes de conductividad

trmica en de lana de vidrio a distintas densidades nominales.


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Tabla 3.6. Coeficiente de Conductividad trmica de lana de vidrio. Adaptado deListado Oficial de Soluciones Constructivas para Acondicionamiento trmico

Empresa Densidad nominal

mnima (kg m-3)

Coeficiente de conductividad

trmica (W (mC)-1)

OWENS CORNING 13 0,044

VOLCAN S.A. 10 0,046







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CAPTULO IV.

DESARROLLO EXPERIMENTAL Y

ANLISIS DE RESULTADOS


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Captulo IV. Desarrollo experimental y anlisis de resultados.


4 Capitulo IV. Desarrollo Experimental y Anlisis de Resultados

4.1 Realizacin de Ensayos.

Los ensayos se realizaron en el patio techado del laboratorio de materiales del

departamento de Obras Civiles de la Universidad de la Frontera.

El montaje para realizar el ensayo fue de la siguiente manera:

En primera instancia se procedi a cortar las probetas en dimensiones de 0,33x0,

33 cm. Y un espesor de 50 mm aproximadamente. Luego se marcaron lasprobetas con P1 y P2 para diferenciarlas adems de pesar y medir

registrndose las dimensiones fsicas, tomado tres medidas para el largo, ancho

y espesor con la finalidad de obtener su volumen.

Las probetas fueron secadas en un horno a 55 C para as poder ensayarlas

secas. Despus se realiz el montaje de las probetas en el equipo de ensayo.

Comenzando con la ubicacin de las termocuplas en el centro de ambas caras

de la placa caliente y en el centro de las caras fras, luego se instal un marco de

poliestireno expandido de 50mm de espesor entre las placas trmicas, esto se

realiz para envolver la probetas en su contorno y as evitar la prdida de calor

durante el ensayo. Luego se colocaron las probetas en los espacios detallados

en la figura 4.1.


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Figura 4.1. Interior del equipo de ensayo. 1.- Unidad de refrigeracin de una cara del

equipo. 2.- Unidad de calentamiento. 3.- sensor de temperatura (termocuplas). 4.- Zona

donde se instala una de las probetas. 5.- Marco de poliestireno expandido.

A continuacin se procedi a conectar y encender los sistemas de refrigeracin,

de calentamiento y de toma de datos del ensayo (ver figura 4.2). Para estabilizar

el sistema y mantener las temperaturas constantes en la placa caliente se utiliz

el regulador de voltaje monofsico, teniendo como referencia la temperatura de

las placas fras, ya que durante el ensayo debe haber una diferencia de

temperatura no inferior a 5 C, ni superior a 15 C a travs de las muestras

segn norma, Luego de esperar que el sistema se estabilizara unos 40 a 50

minutos aproximadamente para ambos materiales. Se comenzaron a grabar las

temperaturas entregadas por el sistema de adquisicin de datos en base a

termocuplas.


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Figura 4.2. Panormica del ensayo. 1.- Caja Exterior. 2.- Sistema de adquisicin detemperaturas. 3.- Sistema de refrigeracin. 4.- Regulacin de energa al sistema deCalefaccin

4.1.1 Toma y Procesamiento de Datos.

Poliestireno Expandido

El primer material ensayado corresponde al Poliestireno expandido, los datos

registrados son desarrollados a continuacin. En primera instancia se tomaron las

dimensiones, luego se calcul su volumen, densidad y humedad.


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Tabla 4.1. Dimensiones fsicas y masas del poliestireno expandido

La obtencin de la densidad se realiz considerando el promedio de las masas

secas y su volumen al momento de ensayarlo.

= + V+ V

(4.1)

Siendo, y las masas secas de las probetas y Vy V, los volmenes secosde estas mismas, obteniendo as la densidad del material seco al ensayarlo = 7,4Kg/m3.

Para la obtencin del contenido de % humedad en las probetas antes deensayarlas, se utiliz la siguiente frmula:

W = 100

(4.2)

1 2

()

()

()

()

()

()


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Donde y corresponden al promedio de las masas iniciales y secas,obteniendo as el contenido de humedad W = 3,614 %.

Los datos registrados durante el ensayo corresponden al voltaje y amperaje

suministrado a la placa caliente y las temperaturas fras y calientes de ambas probetas.

Estos valores son necesarios para la obtencin de la conductividad trmica en el

material. En 2.4.1 Obtencin de parmetros trmicos segn normativa Chilena, se

hace alusin a la frmula para la obtencin de la conductividad trmica de un material,

siendo esta:

= e

2AT T

(4.3)

Dnde:

= conductividad trmica. W/ (m C)

= potencia elctrica. W. disipada en la placa caliente.

e= espesor. m. promedio de ambas probetas.

A= rea. m, de la placa de calentamiento.

T T= temperaturas de las caras calientes y fras, respectivamente.

La obtencin de las variables antes mencionadas se desarroll como sigue:

La potencia elctrica , disipada en la placa caliente se obtiene con la siguiente

frmula: = V I

(4.4)


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En que:

V= Voltaje (volt).

I= Corriente (Amp).

El voltaje se obtuvo del regulador de voltaje monofsico, en tanto que la corriente se

consigui con la pinza amperimtrica (ambos comentados en captulo 3). El valor de la

potencia elctrica se modific por los siguientes motivos:

En la figura 4.3. Se aprecia el sector correspondiente a la placa de calentamiento y

al anillo de guarda, considerando que el anillo de guarda no est separado de la placa

caliente y su potencia proviene de la misma fuente de poder, se debi hacer la

proporcin de la potencia elctrica suministrada a la placa caliente, quedando as:

Figura 4.3. Divisin placa de bio-calor.

El rea de calentamiento fue de 0,09 m2. rea de la placa de bio-calor, es de

0,36 m2; Por lo tanto; la potencia suministrada al rea de calentamiento es un

25% de la potencia aplicada a la placa completa

El espesor para ambos casos fue de 0,05 metros, ya que las cavidades para la

inclusin de las probetas es de 0,05 metros.


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Los datos obtenidos durante el procedimiento fueron ingresados a una planilla

Excel, con las frmulas anteriormente acotadas, nos permitieron calcular la potencia

disipada por la unidad de calentamiento, el gradiente de temperatura en cada una de

las probetas y los promedios de estos. Con estos valores se calcul la conductividad

trmica del poliestireno expandido.

Tabla 4.2. Procesamiento de datos poliestireno expandido.

1 1 2 2

() () () () () () ()

04000

11000

14000

22000

30000

Tabla 4.2. Procesamiento de datos poliestireno expandido (continuacin).

1 2 1 2

() () () (/ ) (/ ) (/ )

04000

11000

14000

22000

30000

0,04


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En la tabla 4.2 se observa que despus de los primeros 40 minutos de comenzar

el ensayo, los gradientes de temperatura a travs de las probetas son mayores que 5C

y menores que 15C, como lo indica la norma. Luego de ello se efectuaron lecturas a

intervalos mayores a 30 min, para as obtener una conductividad trmica promedio.

Figura 4.4. Grfico Temperatura en el Tiempo

En el grfico de las temperaturas y sus gradientes, se observa que las

temperaturas de las caras calientes de ambas probetas tienen una temperatura similar,

ya que la placa de bio-calor emite un flujo de calor anlogo a ambos lados.

Las temperaturas de las placas fras tienen una pequea variacin (menos de

1C), debido principalmente a que el agua es enfriada con hielo y este se derrite

aproximadamente en una hora. El cambio genera una pequea fluctuacin de la

temperatura.


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Figura 4.5. Grfico Temperatura en el Tiempo

En la figura 4.5. Se incluy la temperatura ambiente dentro de las variables, se

aprecia que esta no afecta el comportamiento interno del ensayo. Ya que si bien hay un

leve aumento de la temperatura de la placa caliente, esto se debi al incremento de la

potencia a la placa caliente para mantener las diferencias de las temperaturas entre las

caras calientes y fras del ensayo.

Figura 4.6. Conductividad Trmica en el Tiempo.


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Lana de Vidrio

El mismo procedimiento se realiz con las probetas de lana de vidrio. Las

dimensiones, masas en la tabla 4.3. Y el procesamiento de datos en tabla 4.4.

Tabla 4.3. Dimensiones fsicas y masas de la lana de vidrio.

Desprendiendo los valores de la tabla 4.4 y las ecuaciones (4.1) y (4.2). Se

consigui la densidad del material seco al ensayarlo = 18,02 kg/m3y su humedad W =1,1 %.

Tabla 4.4. Procesamiento de datos lana de vidrio.

1 1 2 2

10000 14000

21000

24000

33500

1 2

()

()

()

()

()

()


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Tabla 4.4. Procesamiento de datos lana de vidrio (continuacin).

1 2 1 2

10000

14000

21000

24000

32500

0,045

En la figura 4.7. Se observa que llegar rgimen estacionario (temperatura

constante) se legr en mayor tiempo que en el poliestireno expandido. Esto se debe a

que la lana de vidrio posee una densidad mayor.

Figura 4.7. Temperatura en el Tiempo.


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Figura 4.8. Temperatura en el Tiempo.

Figura 4.9. Grfico conductividad Trmica en el Tiempo.


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CAPTULO V.

CONCLUSIONES.


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Captulo V. Conclusiones


5 Captulo V. Conclusiones

Este experimento es el principio para el estudio del comportamiento trmico de los

materiales en diferentes condiciones. Por ejemplo materiales saturados, diferentesdosificaciones, nuevos etc.

El poliestireno expandido ensayado arroj valores de conductividad trmica de

0,049 W/(mC) y una densidad de 7,4 kg/m3, al comparar estos resultados con la tabla

3.5. Donde se hace referencia a los coeficientes de conductividad trmica del

poliestireno a distintas densidades, se concluye que el ensayo entreg un ndice de

conductividad muy similar al comercial (0,043 W/(m C) y = 10 kg/m3).

Por otro lado la lana de vidrio tambin entreg resultados similares al compararla

con los comerciales. Siendo el valor comercial 0,039 W/(m C), de conductividad

trmica y densidad = 16 kg/m3(obtenidos de tabla 3.5). En tanto que los resultadosdel experimento fueron 0,045 W/(mC) y = 18,02 kg/m3. Respectivamente.

El sistema de enfriamiento necesita ser mejorado, ya que no se ha implementado

un sistema de calibracin de temperatura. El hielo en la experiencia se derrite en

aproximadamente una hora (2 litros de volumen), lo que implica cierta inestabilidad de

la temperatura.


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BIBLIOGRAFA.


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Bibliografa.


6 Bibliografa.

www.i-on.cl. (3 de Diciembre de 2011). Recuperado el 3 de Diciembre de 2011

www.isotest.es. (22 de Noviembre de 2011). Recuperado el 22 de Noviembre de 2011

www.osb-info.org. (2 de Diciembre de 2011). Recuperado el 2 de Diciembre de 2011

www.precolo

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Desarrollo Experimental Para Medición de Conductividad Térmica en Materiales