Diseño y construcción de un aparato portátil medidor de conductividad térmica de materiales sólidos

Abstract

La presente tesis consiste en el diseño e implementación de un aparato portátil que permite medir la conductividad térmica de materiales usados en la construcción de viviendas. Esta tesis plantea la importancia de obtener la conductividad térmica de los materiales de construcción, como parámetro físico determinante para alcanzar el confort térmico al interior de una edificación. Se enfatiza, además, que el equipo a ser empleado, para obtener la conductividad térmica, debe ser transportable, lo que permitiría que las mediciones se realicen en los lugares donde se desarrolla el trabajo de campo que, en los trabajos de investigación de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería, son zonas Altoandinas de difícil acceso. En la sección de los antecedentes (Capítulo 1), se presentan los estudios sobre la medición de la conductividad térmica de materiales aislantes realizados a nivel mundial y nacional. En el Capítulo 2, se presenta la definición de los tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Y, luego, se comentan los métodos para medir la conductividad térmica de materiales aislantes, en particular se detallan, el método de la placa caliente con guarda (ASTM C177) y el método medidor de flujo de calor (ASTM C518). El Capítulo 3 está dedicado a explicar el trabajo de diseño y construcción del equipo (empleado para medir la conductividad térmica de materiales), y se comentan los factores que determinaron el uso del Método medidor de Flujo de Calor ASTM C518, para el cual se optó por la configuración que usa dos transductores de flujo de calor y se mide una probeta. En este capítulo, también, se detalla la selección de la instrumentación, en la que destacan los transductores de flujo de calor, que son los que definen el área de medición y el espesor de la muestra. Así mismo, se describe la implementación del control de temperatura para las placas fría y caliente, lo cual se realizó mediante circuitos electrónicos y usando el software libre KiCad. El Capítulo 4 presenta las medidas de conductividad térmica de diversos materiales, entre los que figuran: drywall, adobe con Stipa ichu, lana de vidrio, ladrillo pastelero y madera Capirona; los resultados obtenidos para los materiales fueron 0,265 W m-1K-1, 0,357 Wm_1K- , 0,0435 wm-1K-1, 0,556 wm-1 K-1 y 0,171 wm-1K-1, respectivamente. En este capítulo también, se presenta la simulación de las medidas experimentales de la conductividad térmica obtenidas con en el aparato portátil (denominado Lambda Portátil UNI). Para dicha simulación se usó el software COMSOL MULTIPHYSICS

The present thesis consists of the design and construction of a portable device that allows to measure the thermal conductivity of materials used in the construction of houses. The thesis highlights the importance of obtaining the thermal conductivity of building materials, as a determining physical parameter to achive thermal comfort inside a building. It is also emphasized that the equipment to be used, to obtain the thermal conductivity, must be transportable, which would allow the measurements to be carried out in the places where the work is performed. For instace places of difficult access in high Andean areas where the National University of Engineering is working though many research projects. In the background section (Chapter 1) are presented studies on the measurements of thermal conductivity of insulating materials carried out at the global and national level. In Chapter 2 and Chapter 3, Also, the definition of the three heat transfer mechanism is presented: conduction, convection, and radiation. And, then the methods for measuring the thermal conductivity of insulating materials are discussed, in particular, the Hot Plate Method with Guard (ASTM Cl77) and the Method of Heat Flowmeter (ASTM C518). Chapter 3 is devoted to explaining the design and construction of the equipment (used to measure the thermal conductivity of materials), and the factors that determined the use of the ASTM C5 l 8 Heat Flow Method are discussed, for which it was chosen the setup that uses two heat flow transducers and one specimen is measured. This chapter also details the selection of the instrumentation, in which the heat flow transducers stand out, which are the ones that define the measurement area and the thickness of the sample. Likewise, the implementation of the temperature control for the hot and cold plates is described, which was carried out through electronic circuits and using the free KiCad software. Chapter 4 presents the thermal conductivity measurement of various materials such as drywall, adobe with Stipa ichu, glass wool, brick clay and Capirona wood; the results obtained for the materials were 0,265 W m_1K- , 0,357 W m_1K- , 0,0435 W m_1K_1 0,556 W m- 1K-1 y 0,171 W m_1K-1, respectively. This chapter also presents the modeling of the experimental measurements obtained with the portable system (named Lambda Portátil UN/) was carried out using the COMSOL MULTIPHYSICS software. Keywords: portable, thermal conductivity, COMSOL MULTIPHYSICS, ASTM C518