ASTM C518-C177

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ciencias Especialidad de Ingeniería Física

NORMAS ASTM C-518 Y C-177  Joshua Piñas

ASPECTOS GENERALES 

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Este méto Este toddo es ap apli liccab able le par araa la me medi dida da de un unaa va vari ried edad ad am ampl plia ia de mat ateeri rial ales es.. A su ve vezz ba bajo jo un ra rang ngoo de co cond ndic icio ione ness am ambi bien enta tale less [1 [1,2 ,2]. ]. Amba Am bass no norm rmas as op oper eran an cuan ando do se ll lleg egaa al est stad adoo es esttab able le de la te temp mper erat atur uraa y se us usaa la le leyy de Fo Four urie ierr pa para ra el ca calc lcul uloo de la co cond nduc ucti tivi vida dadd té térm rmic ica. a. Las propiedades de transmisión térmica de especímenes de un material dado pueden variar debido a la variabilidad de la composición del material; ser afec af ecttad ados os po porr la hu hume meda dadd u ot otra rass co cond ndic icio ione nes; s; ca camb mbia iarr co conn el ti tiem empo po;; ca camb mbio io co conn la temperatura media y diferencia de temperatura; y dependen de la historia térm té rmic icaa pr prev evia ia [1 [1,2 ,2]. ]. Es de dese seab able le cont ntro rola larr el en ento torrno que ro roddea la pr prue ueba ba par araa re redu duci cirr las pér érddid idas as de cal alor or de lo loss bor orde des, s, y es im impo port rtan antte cua uand ndoo la tem empe pera ratu turra med edia ia de la pr prue uebba es infe in feri rior or a la te temp mper erat atur uraa am ambi bien enta tal. l. Para mantener la temperatura temperatura de los platos isotérmicos se debe usar baño de fluido. Para medir medir la temperatura se debe usar termocuplas en el ras con la superficie de trabajo de ambos platos. No indica la cantidad de termocuplas a usar en cada plato. Referencia Referencia 1 por plato si es el mapeo térmico sobre este es homogéneo.

ASPECTOS GENERALES 

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Para asegurar la precisión de la medida, el operador deberá recibir instrucciones completas del funcionamiento del equipo. Además, el equipo deberá ser calibrado adecuadamente con materiales de referencia que tengan una características de transferencia de calor similar. Las especificaciones del material requieren un acondicionamiento de muestras a 22 ± 5°C y 50 ± 10 % de H.R durante un período de tiempo hasta que se observe menos un cambio de masa del 1% durante un periodo de 24 horas. Antes de iniciar la prueba se debe pesar y medir las dimensiones de la muestra. Luego instalar las muestras dentro del aparato. La prueba requieren el uso de un ambiente controlado por temperatura. Al finalizar la prueba se debe volver a pesar y medir las dimensiones para ver si hubo alguna variación. Un ejemplo de la aplicabilidad de la norma ASTM C-177 es la medición de la conductividad térmica del fibras de ichu [3] y paneles sándwich de ferro cemento lleno de fibra de coco [4]. Por otro lado, un ejemplo de la aplicabilidad de norma ASTM C-518 es la medición de la conductividad térmica de residuos de lana de oveja y fibras de poliestireno recicladas [5].

Arreglo experimental-Gradiente de temperatura , potencia vs tiempo (C-177)

Charca, S., et al. (2015).

Arreglo experimental-Muestra (C-177)

Alavez-Ramirez, R., et al. (2012).

Resultados en varios puntos de temperatura para diferencias muestras (C-518)

Patnaik, A., et al. (2015).

NORMA ASTM C-518-98 

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El aparato medidor de flujo de calor establece estado estacionario flujo de calor unidimensional través de una muestra entre dos pruebas placas paralelas a temperaturas constantes pero diferentes. Este método de ensayo es aplicable a la medición de transmisión térmica a través de una amplia gama de propiedades del espécimen y condiciones ambientales. El método se ha utilizado en condiciones ambientales de 10 °C a 40 °C con espesores de hasta aproximadamente 250 mm, y con temperaturas de placa desde -195 °C a 540 °C a 25 mm de espesor. El aparato de flujo de calor consta de dos conjuntos de placas isotérmicas, uno o más transductores de flujo y equipos para controlar las cuando sea necesario.

NORMA ASTM C-518-98 

Los dos conjuntos de placas deben proporcionar superficies isotérmicas en contacto con cada lado de la muestra de prueba. Los conjuntos consisten en una fuente de calor o sumidero, una superficie de alta conductividad, medios para medir la superficie temperatura y medios de apoyo. Un transductor de flujo de calor puede ser unido a uno, a ambos, o a ninguno de los conjuntos de placas.

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El área definida por el sensor del transductor de flujo de calor se denomina área de medición y el resto de la placa es el área de guardia.

Estructura general ASTM C-518-98

(a)

(c) (b)

(a) Aparato con un transductores de flujo de calor y una muestra, (b) un transductor de flujo de calor y dos muestras, (c) dos transductores de flujo de calor y una muestra. Fuente Norma ASTM C-518

NORMA ASTM C-518-98 

El paralelismo es importante en las placas para mantener el contacto superficial consistente con especímenes y para mantener una diferencia de temperatura uniforme a través de la muestra.

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Las superficies de los conjuntos de placa en contacto con el espécimen (es) deberá estar equipada con sensores de temperatura como termopares, termómetros de resistencia de platino (RTD), termistores. Estos deberán ser montados en las ranuras a fin de estar a ras con la superficie en contacto con la muestra.

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En algunos casos donde el mapeo de temperatura de las superficies de la placa ha indicado uniformidad en todas las condiciones de uso, un sensor térmico en la superficie se ha utilizado satisfactoriamente.

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Es altamente recomendado que el espesor durante la prueba real sea medida.

NORMA ASTM C-518-98 

Para especímenes que se espera tengan una gran resistencia térmica, se recomienda una mayor diferencia de temperatura en la muestra.

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Compruebe la existencia de equilibrio térmico observando y registrando, la fem de salida del transductor de flujo de calor, la temperatura media de los especímenes, la caída de temperatura a través de la muestra, y calcula el valor de la conductividad térmica. Haga observaciones a intervalos de tiempo de al menos 10 minutos hasta cinco observaciones sucesivas.

ANALISIS DE ERROR 

La calibración del transductor de flujo de calor depende de la temperatura y debe tenerse en cuenta si la temperatura del transductor está cambiado.

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El gradiente de temperatura de la muestra puede afectar el factor de calibración.

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La calibración del aparato del medidor de flujo de calor puede ser dependiente del flujo de calor.

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Donde S es un factor de calibración, (W/(m2.V)), E es la salida en el transductor de flujo (V), L es la separación entre las placas caliente y fría (m).

NORMA ASTM C-177-04 

Este método establece criterios para medidas del flujo calor en estado estacionario en muestras planas homogéneas, donde sus superficies están en contacto con fronteras que mantienen la temperatura constante usando el aparato de plato caliente con guarda.

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Este método es aplicable para la medida de una variedad amplia de materiales desde solidos opacos a porosos o transparentes y en un rango de condiciones ambientales incluyendo temperaturas extremas y con varios gases y diferentes presiones.

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Esta consta de un conjunto de superficie caliente compuesto por una zona de medida y una protección primaria, dos conjuntos de superficie fría y protección secundaria en forma de aislamiento de borde , sensores de temperatura y una cámara ambiental.

Estructura general ASTM C177 Fig.1 Arreglo general de los componentes del aparato.

Fuente Tesis Machuca L. , 2016

NORMA ASTM C-177-04 

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El propósito del conjunto de la superficie caliente es producir un flujo de calor unidimensional de estado estacionario a través de las muestras. El propósito del aislamiento del borde, protector secundario, y cámara ambiental es restringir las pérdidas de calor al exterior de la protección primaria. Los conjuntos de superficie fría son disipadores térmicos isotérmicos para eliminar la energía generada por las unidades de calefacción; los conjuntos de superficies frías son ajustados tal que estén a la misma temperatura. El conjunto de la superficie caliente consiste de una sección medidora central y una guardia primaria. La sección medida consiste en un calentador entre placas de superficie de sección medida. La protección primaria está compuesta por uno o más calentadores entre las placas de superficie del protector primario. La sección medida y la protección primaria deben aislarse térmicamente entre sí por medio de un espacio físico o hueco situado entre las secciones. La diferencia de temperatura media entre la placa de superficie de sección medida y la superficie de guardia de primaria no debe exceder en 0,2 °C.

NORMA ASTM C-177-04 

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Una aceptable precisión de medición requiere una geometría de muestra proporción grande de área respecto al espesor. Se seleccionan dos ejemplares sin su uso. Áreas y densidades tan idénticas como sea posible, y una muestra es colocada a cada lado de la placa caliente con guarda. Cualquier no homogeneidad o anisotropía en la muestra debe requerir especial tratamiento experimental para medir el flujo de calor. Las placas de superficie para conjuntos de superficies calientes usadas a temperaturas modestas se han fabricado a partir de cobre y aluminio. Para reducir la diferencia de temperatura lateral entre el medidor y la superficie de guardia primaria, fabricar estas placas a partir de materiales que poseen una alta conductividad térmica.

NORMA ASTM C-177-04 

El tamaño de la sección medida deberá ser lo suficientemente grande como para que la muestra en contacto con la sección medida pueda considerarse representativa del material que se está probando.

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Cuando el aparato de placa caliente con guarda es operado a temperaturas que se desvían de la temperatura ambiente por más de 10 C, el aparato deberá estar equipado con componentes adicionales para reducir las pérdidas en los bordes.

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La protección secundaria se utilizarán para ajustar la temperatura ambiente para aproximar la temperatura media del espécimen de la prueba. Esta se colocará alrededor del conjunto de superficie caliente de manera que se cree una separación uniforme entre los componentes. La altura de la protección secundaria debe ser ajustada de manera que la altura media esté aliada con el centro del espesor del conjunto de la superficie caliente.

NORMA ASTM C-177-04 

El objetivo es medir el gradiente de temperatura dentro de la muestra.

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Las temperaturas superficiales de los especímenes se miden con mayor frecuencia mediante termopares permanentemente montados colocados en ranuras cortadas en las placas superficiales.

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Se recomienda colocar un sensor de temperatura en el centro de la sección medida y un sensor adicional distribuido radialmente.

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La potencia de la sección medida se determina con un vatímetro o de mediciones de voltaje y corriente.

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Permitir al sistema suficiente tiempo para llegar al equilibrio térmico.

NORMA ASTM C-177-04 

Una vez colocado las muestras se debe alimentar el equipo, encender las fuentes de calor. Para la adquisición de data se debe considerar el tiempo de inicio, las mediciones de la temperatura en los 2 disipadores, 2 en la zona de medida y 1 en la zona de primera guarda y la potencia entregada a la zona de medida. Se debe esperar a que se llegue al equilibrio estable, para ello es fundamental ver en tiempo real la gradiente de temperatura y que no debe tener un comportamiento monotomico.

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Se recomienda que la diferencia de temperatura debe ser al menos 10 C a 20 C para minimizar los errores de medición de diferencia de temperatura.

Sistema experimental usado para determinar la conductividad térmica de adobes (o materiales aislantes) de la Universidad de Paris Este - Creteil De arriba abajo: •

- PE 1 - Intercambiador de calor 1 - Fluxómetro 1 - Muestra - Fluxómetro 2 - Intercambiador de calor 2 - Calentador Eléctrico - PE 2

Consideraciones 

Debido al cambio de espesor de los especímenes debido a la temperatura o la presión por los platos se recomienda que el espesor sea medido por el aparato.

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Para disminuir la perdida de calor por los bordes exteriores del aparato y del especímenes se debe incorporar aislantes rodeando la zona de trabajo.

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Factores que alteran la medida: composición del material, humedad, cambio con el tiempo, diferencia de temperatura.

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La precisión del método es función del diseño del aparato, de la instrumentación y del tipo de especímenes a prueba.

Bibliografía [1] ASTM C177, Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurementsand Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-PlatesApparatus. [2] ASTM C518-10, Standard Test Method For Steady-State Thermal TransmissionProperties By Means Of The Heat Flow Meter Apparatus, West Conshohocken,PA, 2010. [3] Charca, S., et al. (2015). "Assessment of Ichu fibers as non-expensive thermal insulation system for the Andean regions." Energy and Buildings 108: 55-60. [4] Alavez-Ramirez, R., et al. (2012). "Thermal conductivity of coconut fibre filled ferrocement sandwich panels." Construction and Building Materials 37: 425-431. [5] Patnaik, A., et al. (2015). "Thermal and sound insulation materials from waste wool and recycled polyester fibers and their biodegradation studies." Energy and Buildings 92: 161-169. [6] Aadmi M, Karkri M, El Hammouti M. Heat transfer characteristics of thermal energy storage of a composite phase change materials: Numerical and experimental investigations. Energy. 2014 8/1/;72:381-92