Diseño, optimización, fabricación de un sistema medidor de conductividad térmica construido bajo la norma ASTM C177

• Autor: Piñas Moya, Mc Joshua Miguel
• Formato: tesis de maestría
• Fecha de Publicación: 2020
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/21833
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/21833
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Conductividad térmica; Normas ASTM C177; Estudio de sensibilidad; Conductímetro; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#1.03.03

Para el presente trabajo de investigación se utilizó herramientas computacionales aplicadas y el desarrollo experimental de tres sistemas medidores de conductividad térmica: LAMBDA-UNI, Portátil LAMBDA-UNI y Portátil LAMBDA-CERTES. La cronología de las actividades no ha sido la óptima pero las idas y vueltas entre modelización y experimentos ha permitido mejorar nuestros conocimientos metodológicos y prácticos. La lógica de ese trabajo fue de encontrar, dentro de los límites establecidos por las normas, cuáles son los parámetros óptimos de diseño que reducen al mínimo los errores de evaluación de la conductividad térmica de una muestra de material. Por lo tanto, en paralelo de las tareas experimentales, utilizamos la modelización para realizar estudios de sensibilidad con el fin de evaluar cuales son las configuraciones y el diseño que reduce el flujo de pérdida de calor por las laterales de las muestras, tomando en cuenta las dimensiones de las muestras, la posición de las resistencias que calientan las muestras, entre otros aspectos. En primer lugar, se realizó modificaciones importantes en el sistema de refrigeración, cambios de las fuentes de alimentación y de termopares del sistema LAMBDA-UNI, entre otros aspectos. Luego, se realizaron con ese dispositivo mediciones experimentales de conductividad térmica considerando como material de análisis Ignimbrita Aeropuerto de Arequipa. Posteriormente a la experimentación, se modeló el sistema LAMBDA-UNI con el software COMSOL MULTIPHYSICS, tomando en cuenta para cada componente el material, sus dimensiones y propiedades físicas. De esta forma, se logró hacer varios modelos, siendo la 4a versión del modelo la “definitiva”. La cual consideró el estado estacionario, la generación de energía y las condiciones de frontera. Con respecto a las simulaciones con LAMBDA UNI, primero se realizó un estudio para encontrar los espesores y radios óptimos del material de análisis tomando en cuenta las pérdidas de calor axial lateral. Posteriormente, se realizó el análisis comparativo del error relativo de la conductividad térmica siendo posible encontrar el espesor y radio óptimo de 30 mm y 75 mm, respectivamente. Luego, con estos valores óptimos se procedió a realizar el análisis de sensibilidad de la conductividad térmica. Seguidamente, se realizó otra simulación para estudiar el efecto del valor de la conductividad térmica del material aislante que rodea a la muestra y se determinó que es recomendable usar poliestireno extruido por su valor de conductividad térmica de 0,041 W/ m K. Por último, se realizó el análisis comparativo de la data experimental con la simulada del modelo 4 de LAMBDA-UNI obteniendo un error relativo de 4,7 %, siendo de esta manera un resultado confiable y demostrando la eficiencia del modelado con elementos finitos del modelo propuesto. También se realizaron simulaciones con el sistema Portátil LAMBDA-UNI para compararlo con LAMBDA-UNI y se determinó que en ambos sistemas es necesario agregar un aislante que bordee la placa caliente y placas frías para mantener el perfil de temperatura axial lo más homogéneo posible. Luego, se logró determinar un rango de espesor del material a medir entre 10 mm y 20 mm tal que la diferencia del flujo conductivo en la componente z entre el material de análisis sea menor al 5%. Finalmente, se realizó una comparación de los resultados simulados con los experimentales del sistema Portátil LAMBDA-CERTES y se determinó un valor de 0,254 W/ m K con un error relativo de 6,54%, nuevamente se corroboró la fiabilidad del modelado con COMSOL MULTIPHYSICS. También se realizó el análisis comparativo del error relativo de la conductividad térmica encontrando los óptimos del espesor y la longitud de la muestra en 12 mm y 45 mm, respectivamente y por último se realizó el análisis de sensibilidad.