Introducción
La técnica del medidor de flujo térmico (HFM) es un método bien conocido y aceptado para determinar la conductividad térmica de materiales aislantes como el EPS, la lana de roca o las placas de fibra de vidrio. También pueden investigarse con el HFM materiales de construcción como el hormigón, con una conductividad térmica más elevada y una estructura rígida. El kit de instrumentación amplía el rango de medición hasta 2 W/(m∙K). Esta nota de aplicación describe detalladamente el Kit de Instrumentación y presenta los datos obtenidos en Pyrex® con el HFM 436/3/1 (figura 1). Su eficacia se demuestra correlacionando los datos con la técnica de Análisis de Destello Láser (LFA, figura 2).
Kit de instrumentación
Cuando se ensayan materiales aislantes con la técnica HFM, las resistencias térmicas de interfaz entre la probeta y las placas HFM suelen ser despreciables, en relación con la resistencia térmica de la probeta. En el caso de muestras muy conductoras y/o rígidas, esta suposición deja de ser válida. Incluso si las superficies de la muestra son muy planas y planoparalelas, siempre quedan algunos espacios de aire small en la interfaz, lo que provoca diferencias significativas entre las temperaturas de las placas y de la superficie de la muestra, y un flujo de calor no homogéneo a través de la muestra. Para evitar estas deficiencias, es necesario el Kit de Instrumentación. Consta de dos termopares externos y de dos capas de interfaz (figura 3). Las capas de interfaz mejoran el contacto térmico entre las placas y la muestra, mientras que los termopares externos están en contacto directo con las superficies de la muestra (figura 4) y, por tanto, miden las temperaturas superficiales exactas y "verdaderas" (figura 5).
Comparación de los datos de medición en Pyrex® utilizando HFM with Instrumentation Kit y la técnica LFA
El rendimiento del Kit de Instrumentación se demuestra con Pyrex®, un material de referencia de conductividad térmica homogéneo, químicamente estable y bien conocido desde la década de 1960, con una conductividad térmica de aproximadamente 1,14 W/(m∙K) a 23°C [1].
Los datos comunicados se realizaron en probetas de 300 mm x 300 mm x 20 mm con y sin kit de instrumentación. La calibración de los sensores de flujo térmico se logró con una placa de fibra de vidrio certificada por el NIST (1450D) sin kit de instrumentación, de acuerdo con la norma ASTM C 518. Se ensayaron tres muestras Pyrex diferentes (A, B, C) del mismo lote. También se prepararon dos muestras (1, 2) con un diámetro de 12,7 mm y un grosor de 2,5 mm del mismo lote para los ensayos LFA. Las mediciones se realizaron con el LFA467 Hyperflash.
La Tabla 1 muestra los resultados a 23°C de diferentes pruebas HFM y LFA. La desviación estándar de small (1,7%) de las pruebas HFM demuestra la buena reproducibilidad del método. La conductividad térmica media de 1,15 W/(m∙K) muestra una desviación de sólo el 0,88% con respecto al valor medio del LFA y la bibliografía. Esto demuestra la precisión de las mediciones HFM con el Kit de Instrumentación.
Tabla 1: Conductividad térmica de Pyrex® a 23°C utilizando HFM y LFA
Método | Muestra/Medida | Conductividad térmica W/(m∙K) | Conductividad térmica media W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Pyrex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex sin kit de instrumentación | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Sin el Kit de Instrumentación, la elevada resistencia térmica de contacto y las temperaturas desconocidas de la superficie conducen a una conductividad térmica de 0,53 W/(m∙K), significativamente inferior al valor esperado.
La figura 6 muestra los resultados de 10°C a 65°C con el HFM, el LFA y los valores de la bibliografía (barras de error ± 5%). En todo el intervalo de temperaturas, los resultados del HFM y el LFA concuerdan bien con los valores de la bibliografía (desviación máxima del 2,8% - LFA y del 3,9% - HFM).
Resumen
La conductividad térmica de materiales rígidos de hasta 2 W/(m∙K) puede investigarse de forma fiable con el HFM, siempre que las temperaturas superficiales se midan con precisión. Esto se consigue con el Kit de Instrumentación, que garantiza un flujo de calor homogéneo y temperaturas superficiales reales de la muestra. Los datos de las mediciones del HFM con el Instrumentation Kit son altamente reproducibles y concuerdan bien con los resultados de la técnica LFA y la bibliografía. Además, la estabilidad a largo plazo califica a Pyrex® como material de elección para verificar el rendimiento del HFM con Instrumentation Kit antes de medir muestras desconocidas de alta conductividad.