Propuesta de ensayo para determinar empricamente las propiedades termo-acsticas resistentes

Las propiedades trmicas y acsticas se correlacionan muy fuerte, es por eso que al medir una de ellas, se mesura la otra indirectamente. En este caso se propondr slo un ensayo para la verificacin de las primeras cualidades, por medio de la conductividad trmica. El ensayo que permite determinar la conductividad trmica esta normado por NCh850 y se detalla a continuacin:

1. Resumen

Una placa metlica (placa caliente, generalmente de forma cuadrada o circular) provista de calefaccin elctrica, est rodeada de otra placa, en forma de marco, (anillo de guarda) que puede ser calentada independientemente. Dos probetas del material en prueba de iguales dimensiones y de caras planas y paralelas se colocan a cada lado de las placas calientes. Dos placas metlicas, refrigeradas por corriente de agua u otro lquido (placas fras), se encuentran ajustadas a las caras fras de las probetas. El conjunto forma una especie de emparedado en ntimo contacto.

Al efectuar un ensayo, el anillo de guarda es mantenido a la misma temperatura que la placa caliente; por consiguiente, hay el mismo gradiente de temperatura en el material que se encuentra junto a l, que en la proximidad de la placa caliente. En estas condiciones, el flujo trmico es perpendicular con respecto a las superficies. Adems, no hay prdida de calor en los bordes de la placa caliente. Al llegar al rgimen estacionario, se determina el flujo trmico ( = potencia elctrica disipada en la placa caliente) que atraviesa el rea correspondiente de las dos probetas y el gradiente medio de temperatura a travs de stas. La conductividad trmica del material se calcula segn frmula:

en que:

=conductividad trmica, W/(m K) (nota 1);

=potencia elctrica, W, disipada en la placa caliente;

=espesor, m, promedio de ambas probetas;

A= rea, m2, de la placa de calentamiento, correspondiente al rea promedio entre la superficie de la placa caliente y la de la abertura central del anillo de guarda;

T2 T1

=temperaturas de las caras calientes y fras, respectivamente (K). 2. Significado

El mtodo permite determinar la conductividad trmica en probetas de materiales de construccin, en particular, de aislantes trmicos y de otros materiales, en forma de planchas, siempre que su coeficiente de transmisin trmica no exceda 60 W/(m2 K) y que el espesor de las probetas cumpla con los requisitos de 6.1. Los resultados de las mediciones de la conductividad trmica, son aplicables slo a las muestras en las condiciones en que han sido ensayadas, por esto es indispensable indicar las caractersticas de los materiales sometidos a ensayo. La conductividad trmica del material puede variar debido a:

a) variaciones de material en las probetas;

b) diferencias en el contenido de humedad;

c) alteraciones sufridas por variaciones de temperaturas;

d) otras causas.

NOTA - Algunos materiales no son istropos con respecto a la conductividad trmica, circunstancia que debe tomarse en cuenta para su aplicacin en los informes que de ellos se haga (9.1).

3. Aparato

El esquema del aparato de placas trmicas con anillo de guarda, est representado en la figura 1.

Figura 1 - Esquema del aparato de placas trmicas con anillo de guarda

3.1.1 En general, las placas son de forma cuadrada o circular.

3.1.2 La unidad de calentamiento consta de la seccin central (seccin de medicin) y de la seccin de guarda. Cada una de las secciones consiste en un calentador y dos placas de superficie.

3.1.3 En el diseo de los calefactores y dispositivos de refrigeracin se tendrn en cuenta las temperaturas a las cuales deben usarse y las capacidades adecuadas al uso previsto.

3.2 Acabado de las superficies

3.2.1 Las superficies de las unidades de calefaccin y refrigeracin sern planas, con desviacin no superior a 0,3 mm/m.

NOTA - Para comprobar la desviacin del plano, se usa una regla de acero aplicada sobre la superficie. Mirando hacia una fuente luminosa, cuyos rayos estn rozando la superficie, pueden observarse desviaciones hasta de 0,03 mm.

3.2.2 Las superficies de todas las placas estarn sometidas a un tratamiento de modo que su emisividad total sea superior a 0,8 a la temperatura de ensayo.3.3 La separacin entre la seccin central y la seccin de guarda, no ser superior a 3 mm.

NOTA - En todo caso, el rea entre ambas secciones no ser superior al 6% del rea de la seccin central (de medida).

3.4 La unidad de calentamiento (placas caliente y de guarda) sern, preferiblemente, de cobre y estarn provistas de calefactores elctricos. La separacin entre los arrollamientos de calefaccin en la placa caliente y en el anillo de guarda, no ser superior a 20 mm, siempre que estas placas sean de cobre. En caso contrario, la separacin entre arrollamientos ser de 3 mm, aproximadamente.

3.5 Las placas fras tendrn un rea igual a la de la unidad de calentamiento. Sern de metal de alta conductividad trmica y refrigeradas.

3.6 Dispositivos de medicin de temperaturas

3.6.1 La temperatura superficial de la unidad de calentamiento en la seccin central, se medir con termopares, instalados en nmero igual o superior a 10 A con un mnimo de 2 (A = rea, en de la placa de superficie central) en cada una de las placas de superficie. Un nmero igual de termopares se instalar en las placas de superficie de la unidad de refrigeracin, en la posicin similar correspondiente que las enfrenta.

3.6.2 La disposicin de los termopares, indicada en 5.6.1 servir para medir la diferencia de temperaturas a travs de las probetas de caras planas y paralelas de conductividad trmica inferior a 10 W/(m2 K). En probetas rgidas, podrn usarse termopares instalados en la superficie de las probetas.

3.6.3 Para medir la diferencia de temperaturas entre la seccin central y la de guarda, los puntos de medida se distribuirn en forma que registren la distribucin perifrica de la temperatura de la seccin central.

3.6.4 La medicin de las temperaturas podr efectuarse en forma individual, o bien, diferencial. Para la medicin de diferencias de temperaturas, los termopares se conectarn de modo que formen un par termoelctrico diferencial.

3.6.5 Las mediciones de temperaturas se realizarn con sensibilidad no inferior a 0,1 K ( 0,1 C).NOTA - La medicin de temperaturas puede estar dificultada por las causas siguientes:a) distorsin del flujo trmico por el termopar mismo;b) mala ubicacin de la soldadura del termopar;c) falta de homogeneidad del material, en el lugar en que se encuentra la soldadura del termopar.

3.6.6 Los termopares usados para la medicin de temperaturas de las placas, se confeccionarn con alambres de dimetros inferiores a 0,6 mm y para la medicin de temperaturas de la superficie de las probetas, se usarn alambres de dimetro inferior a 0,3 mm.

3.6.7 Para medir la fuerza electromotriz de los termopares, se usar un sistema potenciomtrico o galvanomtrico con sensibilidad mejor que 1 V, u otro instrumento equivalente.

3.7 Aislacin de los bordes

3.7.1 Para restringir las prdidas de calor por los bordes exteriores de la seccin de guarda y de las probetas, se aplicar una aislacin adecuada. Tambin podr instalarse un dispositivo que permita regular la temperatura del aire en contacto con estas partes del aparato, de modo que se reduzcan las prdidas de calor.El coeficiente de aislacin trmica mnima (M) de la aislacin se calcular segn la frmula.

en que:M=coeficiente de aislacin trmica mnima, m2 K/W;x=espesor medio de las probetas, mm;y=espesor, mm, de la unidad de calentamiento;g=longitud, mm, del lado exterior (o dimetro) del anillo de guarda;=conductividad trmica, W/(m K) de la probeta;Tm=temperatura media, C, de la probeta; Ta = temperatura, C, del aire alrededor del aparato;T = diferencia de temperaturas, C, a travs de las probetas.

NOTA - Como M aumenta con la diferencia de temperaturas Tm Ta , conviene que sta sea muy pequea a fin de reducir las prdidas por los bordes del aparato.3.8 Caja protectora

3.8.1 Conviene usar una caja protectora que rodee el aparato de placas trmicas. Esta caja puede proveerse de un dispositivo que permita mantener la temperatura interior deseada.

NOTA - Si los ensayos se ejecutan a temperaturas que difieren mucho de la del ambiente, es indispensable usar caja protectora, en particular, para evitar condensaciones de vapor de agua.

4. Preparacin de las probetas

4.1 Tamao

Preparar dos probetas de cada muestra que sean lo ms idnticas posibles, con un espesor suficien te par que representen realmente el promedio de la muestra y de un tamao tal que alcancen a cubrir completamente la unidad de calentamiento. Cuidar que la relacin entre el espesor mximo de la probeta y las medidas lineales mnimas de la placa de guarda, cumplan los requisitos de la tabla.

Tabla - Relacin entre espesor mximo de la probeta y las dimensiones mnimas de la placa de guarda

4.2 Acabado de las caras

Terminar las superficies de los materiales dejndolas, en lo posible, perfectamente planas. Para materiales rgidos, las caras deben quedar planas dentro de 0,3 mm/m.

4.3 Peso y secamiento

Determinar el peso de las probetas, antes y despus de secarlas hasta peso constante, en una estufa ventilada, entre 374 K (101C) y 394 K (121C) (Nota). A partir de los pesos as determinados, calcular el porcentaje de humedad que corresponde al momento de recepcin de los materiales. Inmediatamente despus de la ltima pesada, colocar las probetas en el aparato, teniendo cuidado de evitar todas las prdidas de material y la absorcin de humedad.

NOTA - Un material que se altera al calentarlo hasta 101 C, se seca en un secador a una temperatura entre 55 C y 60 C.

4.4 Dimensiones lineales de las probetas

Determinar las dimensiones lineales de las probetas al final del ensayo y, a partir de estos datos, calcular su volumen; con el peso determinado en 6.3 y el volumen, calcular la densidad de las probetas.

4.5 Probetas de material suelto de relleno

Tomar una porcin representativa de la muestra, poco mayor a la necesaria para el ensayo. Pesar y secar esta porcin, de acuerdo con 6.3. Pesar la cantidad de material exactamente requerida para llenar los espacios a ambos lados de la unidad de calentamiento. Inmediatamente despus de la pesada, colocar el material en los espacios previstos, protegindolo contra la absorcin de humedad.Un anillo de cartn rgido u otro elemento similar har las veces de contenedor del material en prueba.

5. Procedimiento

5.1 La diferencia de temperatura a travs de las muestras no ser inferior a 5 K (5 C), ni superior a 15 K (15 C), la cual, una vez establecida, no debe variar en 0,5 % por hora.

5.2 Energa suministradaRegular en lo posible automticamente el suministro de energa elctrica a la placa caliente, de modo que sta pueda ser medida con precisin de 0,5 %, y que las fluctuaciones de tensin no produzcan una variacin mayor en la diferencia de temperaturas que la sealada en 7.1. Del mismo modo, regular (de preferencia automticamente) el suministro de energa elctrica a la placa de guarda, de modo que no se produzcan variaciones con respecto a la temperatura de la placa caliente.

5.3 Etapa previa

Ajustar las temperaturas de las placas fras, de modo que las diferencias de temperaturas a travs de ambas probetas no sean superiores al 1%. Las temperaturas de las placas fras no deben variar, en el lapso de 1 h, en ms de 0,5% de la diferencia de temperaturas entre placas calientes y fras.

5.4 Etapa principal

Despus de llegar al rgimen estacionario, continuar con el ensayo, efectuando las lecturas necesarias para determinar: las diferencias de temperaturas a travs de las probetas, las temperaturas de las placas calientes y fras, el equilibrio trmico entre la placa caliente y el anillo de guarda y la potencia elctrica suministrada a la seccin central del aparto. Efectuar estas determinaciones a intervalos no menores de 30 min, hasta que cuatro series de lecturas consecutivas, proporcionen valores de conductividad trmica que no difieran entre s, en ms del 1%.

5.5 Al trmino del ensayo, medir sin demora, el espesor de las probetas y determinar su peso.

6. Expresin de resultados

6.1 Clculo

6.1.1 Calcular la conductividad trmica del material en examen segn frmula (1).

6.1.2 Calcular los datos siguientes, segn frmulas (3) a (6).

6.1.2. Contenido de humedad del material al recibirlo:

6.1.2.1 Densidad aparente del material seco, al ensayarlo:

6.1.2.2 Humedad recuperada por el material durante el ensayo, referida al peso en seco:

6.1.2.3 4 Humedad recuperada por el material durante el ensayo, referida al volumen en seco:

en que:H=humedad contenida en el material al recibirlo, en % del peso en seco;=densidad aparente, kg/m3, del material seco, al ensayarlo;

H p =humedad recuperada por el material durante el ensayo, en % de su peso en seco;Hv =humedad recuperada por el material durante el ensayo, en % de su volumen en seco;V=volumen, m3, ocupado por el material de las probetas, al ensayarlo;m1=masa, kg, del material al recibirlo;m2=masa, kg, del material despus de secarlo;m3=masa, kg, del material seco de las probetas;m4=masa, kg, del material de las probetas, inmediatamente despus del ensayo.

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