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MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

TÉRMICA DE MATERIALES UTILIZADOS EN EDIFICACIONES

D L l Li C t

UTILIZADOS EN EDIFICACIONES.

Dr. Leonel Lira Cortes

Laboratorio de Propiedades Termofísicasp

División de Termometría

Área de Metrología Eléctrica

Centro Nacional de MetrologíaCentro Nacional de Metrología

Contenido

• IntroducciónIntroducción.• Patrón de Conductividad Térmica de

materiales sólidos aislantesmateriales sólidos aislantes.• Criterios de diseño.• Resultados.• ConclusionesConclusiones.

En México la Secretaria de Energía promueve el ahorro yg p yuso eficiente de la energía, a través de la CONAE. Estacomisión desarrolla diferentes programas, entre ellos, laelaboración de NOM de eficiencia energética. EstasNOM son obligatorias en la República Mexicana.

NOM-008 ENER-2001 NOM-018 ENER-1997 NOM-020-ENER-2008

Estas normas requieren de la determinación depropiedades físicas de materiales, en particular laconductividad térmica

• Adicionalmente, el FIDE (fideicomiso de ahorro de energía)implemento un programa llamado hipoteca verde que otorgaapoyo a fabricantes, constructores y adquirientes de viviendanueva, que utilicen materiales certificados, uno de los

i it t l l d l d ti id d té i drequisitos es respecto al valor de la conductividad térmica deladrillos, block, techos, plafones, etc.

• Lo cual implica medir la conductividad térmica de diferentes• Lo cual implica medir la conductividad térmica de diferentes materiales sólidos, no solo aislantes.

METALES PUROSZinc Plata

ALEACIONES

Plásticos Hielo Óxidos

Níquel Aluminio

SÓLIDOS NO METALICOS

Espumas Fibras

Óxidos

LÍQUIDOS

SISTEMAS AISLANTES

Aceites Agua Mercurio

GASES

LÍQUIDOSDióxido de

carbono Hidrógeno

0,01 0,1 1 10 100 1000λ (W/m K)

Diagrama de valores de conductividad térmica para diversos materiales a temperatura y presión ambiente.

En el Centro Nacional de Metrología(CENAM) fue desarrollado un instrumentoprimario para medir la conductividad demateriales sólidos aislantes. El instrumento esdenominado Aparato de Placa Caliente conGuarda (APCG), que es el Patrón Nacional deConductividad Térmica de Materiales SólidosAislantes.

λ : 0,03 a 0,17 W/mK(M t i l Sólid Ai l t )(Materiales Sólidos Aislantes)

• En México existen dos laboratorios• En México existen dos laboratoriosacreditados y aprobados para la medición de

d ti id d té i d t i l ólidconductividad térmica de materiales sólidosaislantes.

• Dos laboratorios que pueden medir laconductividad térmica de materiales aislantesconductividad térmica de materiales aislantes.

• Tres de ellos utilizan un método secundario yé d i iuno un método primario.

Patrón Nacional de Conductividad Térmica

Patrón Nacional de Conductividad TérmicaPatrón Nacional de Conductividad Térmica

Alcance del patrónp

C d ti id d té i (λ) dConductividad térmica (λ) demateriales aislantes (W m-1 K-1) 0,03< λ <0,17E (L) d l t ( ) L < 47Espesor (L) de la muestra (mm): L < 47Temperatura (Tm) de medición (K): 268 < Tm < 335I tid b l tiIncertidumbre relativa con unnivel de confianza del 95 % : entre 0,8% y 2%

Patrón Nacional de Conductividad Térmica

Para desarrollar el método primario se realizaron variosestudios y caracterizaciones al aparato de placay p pcaliente con guarda, algunos de ellos son :

• del efecto de borde para obtener criterios de diseño ydel efecto de borde para obtener criterios de diseño yparámetros para la evaluación teórica del error.

• de la distribución del campo de temperatura en el• de la distribución del campo de temperatura en elplato caliente y la guarda de forma teórica yexperimentalexperimental.

• de la transferencia de calor en el espacio anular.

Patrón Nacional de Cond cti idad TérmicaPatrón Nacional de Conductividad Térmica

d

Q gb

Guarda Área de medición Guarda

MuestraL Q bQ e

Plato Frío

Estudio del efecto de Borde

El efecto de borde se define como:

EB = (Qi-Qe) / Qi = Qb / Qi

La ecuación a resolver para evaluar este efecto es:p f

0

z

Tk+

rTr

rrrkZ

=∂

∂

∂∂

∂∂

2

21 z∂

Las condiciones de frontera son:

z = 0 0 ≤ r ≤ d T = V = TC - TA z = L 0 ≤ r ≤ d T = U = TF - TA

0 ≤ z ≤ L r = d 0 = k dT/dr + hT 0 ≤ z ≤ L r d 0 kr dT/dr + hT

Estudio del efecto de Borde, .

La solución esta dada por:

)()(

0)1-(

z

nasenr

nwI

UnV

∑∞

1

)()()(

02)-(

= ++=

n dwIh

dwIw

nnn

a

rLk

h

L

zUVVT

)(0

)()(1

+

dn

wIr

kd

nwI

nwr

La cual se puede escribir como:)k/k,kh/d/b,L/b,EE(X,=EE rZZ

BX+A=EE

X = (TH+ TC -2 TA)/TH -TC

Resultados: EB = A + B X

0 05 0 6

h / Kz = 196.5 m-1

0.04

0.05

d/b=1.5

d/b=2 0

0.5

0.6

d/b=1.5

d/b=2.0

d/b 2 5

0.03

A

d/b 2.0

d/b=2.5

0.3

0.4

B

d/b=2.5

0.02

A

0.2

0

0.01

0

0.1

0 4 0 8 1 2 1 6 2

Contribución del efecto de Borde como función de L/b el espesor

0.4 0.8 1.2 1.6 2

L / b

0.4 0.8 1.2 1.6 2

L / b

Contribución del efecto de Borde como función de L/b, el espesory el radio del área de medición

Resultados: EB = A + B X

0.05 0 6

h / Kz = 49.0 m-1

0.04

d/b=1.5d/b=2.0d/b=2.5 0.5

0.6d/b=1.5

d/b=2.0

d/b=2.5

0.03

A 0.3

0.4

B

0.02

A

0.2

0.3

0

0.01

0

0.1

Contribución del efecto de borde como función de L/b espesor y

00.4 0.8 1.2 1.6 2

L / b0.4 0.8 1.2 1.6 2

L / b

Contribución del efecto de borde como función de L/b, espesor yradio de medición

ResultadosResultados

• Utilizando los criterios de diseño, efecto de borde seevaluó el error que se comete al medir materiales noaislantes y con espesores mayores a los del diseñopara aislantes.

• Se han evaluado distintas muestras de materialesaislantes y de construcción .

Resultados

• Aislantes:

• Poliestireno• Fibra de Vidrio• Fibra de Vidrio• Material SRM1450 • Fibra Mineral• Referencia para medidores de flujo de calor

Resultados

• Construcción

• Panel de poliuretano con PVC de 20 cm de espesor.• Panel de PVC.• Ladrillo de tabique rojo de 14 cm de espesor.• Block de Construcción de 10, 14 y 8 cm de espesor.• Losa de Barro de 5 cm de espesor.• Panel de yeso de 19 mm.• Placa de concreto para losa de 3 y 10 cm.

ResultadosResultados

• Valores de conductividad térmica para algunos materiales

Muestra Espesor/ mm Temperatura/ ºC

Conductividad térmica

t / W (K

Incertidumbre expandida / W (K

)-1aparente/ W (K m )-1

m ) 1

(k=2)

Lamina-poliuretano

101.7 22.0 0.0551 10 %

PVC con poliuretano

105.0 18.1 0.0244 10 %

SRM1450 25.48 27.7 0.0340 1.5 %

Poliestireno 23.5 28.8 0.0326 1.5 %

Yeso 17.8 7.7 0.178 5 %

Ladrillo 100.5 29.45 0.391 10%

Materiales

Construcción Aislantes

ConclusionesConclusiones

• Se midió la conductividad térmica de materiales deconstrucción; ladrillo, block, yeso que demandan losfabricantes.

• Para la medición se utilizaron los criterios de diseñodel instrumento y el patrón nacional.

• Para reducir la incertidumbre es necesario contar conPara reducir la incertidumbre es necesario contar conun instrumento que nos permita manejar muestras demayor espesor.mayor espesor.

AgradecimientosAgradecimientos

• Dr. Edgar Mendez-Lango• Ing Oscar Gonzalez RodriguezIng. Oscar Gonzalez Rodriguez• P.I. Ruth Paulina Rendón Trujillo