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´ de la conductividad termica ´ Evaluacion de desechos agr´ıcolas para uso como aislantes ´ termicos Francisco Terneus, Yolanda Quezada, Reinaldo Moreira y Alex Aldas A. Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE ´ de equipamiento y viviendas Resumen—Frente a la necesidad de desarrollar materiales aislantes para la construccion en el Ecuador aprovechando el potencial de sus propios desechos agr´ıcolas, nace este estudio cuyo objetivo es la ´ del equipo de medicion ´ de conductividad termica ´ construccion (GHP) llamado comunmente de placa caliente, para ´ ´ ´ determinar la conductividad termica de este tipo de materiales. Basicamente consiste en dos placas con un diferencial ´ de temperatura. La primera con una zona central, donde se toma la medida de potencia electrica y gracias a que ´ ´ esta cubierta por una guarda que esta a la misma temperatura que la zona central, reduce el flujo radial de calor. La segunda, al otro lado del espec´ımen de prueba, es la placa fr´ıa que se mantiene a una temperatura menor que ´ interior de un fluido. En condiciones ideales, el flujo de calor viaja, independiente la anterior debido a la circulacion ´ perpendicular a las placas. Bajo estas condiciones la aparente conductividad termica ´ del tiempo, en direccion k se determina con el flujo de calor Qe , la diferencia de temperaturas (∆T = Tc − Tf ), el ancho L del espec´ımen y la superficie de la placa central A, aplicando la Ley de Fourier. Como espec´ımen de pruebas se utilizo´ una mezcla ´ importantes que tiene el Ecuador y que hasta de cascarilla de arroz, que es uno de los desechos agr´ıcolas mas ´ practica. ´ ´ el momento, no tiene una aplicacion Las pruebas arrojan como resultado una conductividad termica de la cascarilla de arroz de ......, lo cual difiere en un .... Se recomienda utilizar el equipo motivo de este trabajo para futuras ´ investigaciones con aislantes termicos en base de desechos agr´ıcolas. ´ Index Terms—GHP, aislamientos termicos, fibras vegetales, transferencia de calor.
F
1.
´ I NTRODUCCI ON
E
L Ecuador continental se encuentra dividido por la cordillera de los Andes, lo cual marca tres regiones perfectamente diferencia´ das, costa, sierra y oriente. La sierra o region andina por su geograf´ıa presenta, dependiendo ˜ y la hora del d´ıa, presenta de la e´ poca del ano temperaturas ambientales muy por debajo de la zona de confort. Esta caracter´ıstica tan propia del entorno, que ha marcado las costumbres y usos de las poblaciones a lo largo del ca´ interandino, demanda el uso de aislanllejon • F. Terneus es Profesor del Departamento de Energ´ıa y Mec´anica. E-mail:
[email protected] • Yolanda Quezada es egresada de la Maestr´ıa de Energ´ıas Renovables en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. E-mail:
[email protected] • R. Moreira y A. Aldas son alumnos de la Carrera de Ingenier´ıa Mecatr´onica en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Manuscript received March 05, 2014; revised January 11, 2007.
tes t´ermicos. Estos pueden ser obtenidos de desechos agr´ıcolas considerando que el Ecuador toma su nombre por ubicarse justamente en la zona ecuatorial que se caracteriza por ´ exuberante y la alta pluviosidad, la vegetacion su biodiversidad reconocida mundialmente [1]. Entre los desechos agr´ıcolas m´as importantes ˜ de azucar, ´ se destacan la cana la cascarilla de arroz y de caf´e, y el raquis de la palma africana. ˜ Cabe senalar que el volumen de cascarilla de arroz es considerable, puesto que esta gram´ınea es el cultivo m´as extenso del Ecuador y ocupa m´as de la tercera parte de la superficie de productos transitorios del pa´ıs. Actualmente para este desecho no existe un uso pr´actico, ´ en la costa ecuatoriana por lo que es comun ver mont´ıculos inciner´andose en los patios de las piladoras.[2] Al aprovechar los desechos agr´ıcolas como aislantes t´ermicos, se estar´ıa alineado con el tercer eje para la transforma-
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´ productiva declarado por la SENPLADES, cion ´ de importaciones.[3]. como es la substitucion Con el fin de determinar la conductividad t´ermica en aislantes, existen algunos m´etodos, la mayor´ıa de estos est´an basados en flujo estable unidireccional. Dentro de estos hay dos, ´ El primero el absoluto y el de comparacion. determina la potencia de calor que fluye por el espec´ımen directamente de las variables el´ectricas. El segundo utiliza un material referencial de coeficiente de conductividad conocido. Para seleccionar uno u otro entran varios factores en ´ deseada, el juego como puede ser la precision rango de temperaturas, el tipo de espec´ımen, el ´ etc. En t´erminos generales costo, la fabricacion, el m´etodo absoluto es el m´as utilizado. Dentro de los m´etodos absolutos, el de placa caliente, GHP por las siglas de guarded hot plate en ingl´es, es el m´as ampliamente utilizado y ´ preciso. Ha sido adoptado por la Asociacion Americana de Normas y materiales (ASTM) y est´a cubierto bajo la norma C177 que fue ´ en 1942 y ha publicada por primera ocasion sido actualizada en el 2013 [4]. El GHP basicamente consiste en una placa caliente y una fr´ıa. La primera con una zona central, donde se toma la medida de potencia el´ectrica est´a cubierta por una guarda, que est´a a la misma temperatura que la zona central, con una rendija de aire entre ambas. La guarda reduce el flujo radial de calor desde la placa central. Al otro lado del espec´ımen de prueba se encuentra la placa fr´ıa que mantiene la temperatura por debajo de la caliente gracias ´ de un fluido. La funcion ´ del a la circulacion GHP es la de mantener el gradiente de temperatura en el espec´ımen [5] En condiciones ideales, los platos se encuentran en perfecto contacto t´ermico con el espec´ımen, el flujo de calor viaja, independiente ´ z ( perpendicular a del tiempo, en la direccion las placas ) de la caliente a la fr´ıa. Bajo estas condiciones la aparente conductividad t´ermica kz se determina con el flujo de calor Qe , la diferencia de temperaturas (∆T = Tc − Tf ) entre la placa central caliente y la fr´ıa, el ancho L del espec´ımen y la superficie de ´ (1) que se la placa central A , en la ecuacion obtiene a partir de la Ley de Fourier.
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L (1) A∆T El GHP es ampliamente conocido en la comunidad cient´ıfica y existen diferentes investigaciones al respecto, destacamos a continua´ aquellas que se refieren a la metodolog´ıa cion ´ de construccion. El art´ıculo elaborado en la Universidad Nacional del Nordeste en Argentina, denominado Fabricaci´on de un equipo de placa caliente para determinaci´on de la conductividad t´ermica de materiales. Uso en investigaci´on y docencia [7], adem´as de basarse en la norma ASTM C177 utiliza la espec´ıfica argentina IRAM 11.549. Este trabajo se destaca por ser didactico, pero la placa caliente y la guarda no son ensambladas lo que dificulta su uso. En contraste con el anterior, en el Departa´ mento de energ´ıa de la Universidad Autonoma Metropolitana Azcapotzalco, se desarrollo un Equipo para evaluar en forma experimental el coeficiente de conductividad t´ermica de los materiales de construcci´on [8], que es compacto y permite su maniobrabilidad, en este caso se tiene una c´amara de vac´ıo para evitar las p´erdidas late´ del rales. En lo que se refiere a la aplicacion GHP para determinar la conductividad t´ermica en desechos agr´ıcolas, destaca Carolina Cadena de la Universidad del Norte con el Estudio de la variaci´on en la conductivida t´ermica de la cascarilla de arroz aglomerada con fibras vegetales [9], en donde utiliza un equipo de placa caliente para desarrollar materiales de ingenier´ıa que permitan disminuir el impacto ambiental. En el Ecuador destaca un proyecto de fin de carrera, elaborado en la Universidad de las Fuerzas Armadas [10], con los ingenieros Jos´e Guasumba y Francisco Terneus como directores, que lleva por t´ıtulo: Desarrollo experimental de un aislante t´ermico utilizando cascarilla de arroz y aglutinantes naturales, en planchas r´ıgidas. Este es un primer ´ de intento por construir un equipo de medicion conductividad t´ermica para desechos agr´ıcolas y espec´ıficamente para cascarilla de arroz considerando que es uno de los desechos agr´ıcolas m´as abundantes en nuestro pa´ıs, pero que pese a ello no tiene una utilidad pr´actica [1]. ´ ha quedado A lo largo de esta introduccion establecido que el objetivo de este trabajo es ´ de un equipo de placa caliente la construccion kz = Qe
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para realizar pruebas de aislantes t´ermicos a 2.2.1. Placa y guarda caliente base de desechos agr´ıcolas. ´ de la placa y la guarda Para la construccion 3 de marzo del 2014 se considero´ el punto 6.3.2.1 de la norma [4]. La placa central consta de dos placas de aluminio, en medio de las cuales se coloco´ una ´ 2. M ATERIALES Y CONSTRUCCI ON resistencia, mientras que el anillo est´a formado por dos placas de aluminio con un agujero 2.1. Materiales cuadrado y centrado de 153x153mm (ver figura 1), y en medio de estas cuatro resistencias de COMPLETAR ESTA TABLA igual valor. Elemento Placa Central Guarda Placa Fr´ıa Tuber´ıa Refrigerante
Material aluminio aluminio aluminio cobre
Caracter´ısticas 150 x 150 x 3 mm 300 x 300 x 3 mm 300 x 300 x 10 mm φ9.5mm
Cuadro 1: Tabla de materiales
2.1.1.
Cascarilla de arroz
Se selecciono´ como espec´ımen de prueba a la cascarilla de arroz, por ser uno de los desechos agr´ıcolas mas abundantes que existen en el Ecuador y sobre el cual no existe actualmente ´ una utilidad pr´actica. Por ello es muy comun ˜ ver en las piladoras de arroz montanas de cascarilla quem´andose. La cascarilla de arroz es un recubrimiento natural cuyas medidas var´ıan entre 5 y 11 mm dependiendo del tipo . Posee una superficie a´ spera y abrasiva, es muy resistente a la de´ natural y es ign´ıfugo. Posee un 54 % gradacion ´ de silicio de espacio vac´ıo y una concentracion ´ a manera de oxido del 90 al 97 % [9]. PONER AQUI LO QUE ENVIE YOLANDA QUEZADA
2.2.
Figura 1: Anillo de guarda ´ de 16 Ω y Se utilizo´ hilo enrollado de nicron 250 W como resistencia calefactora en medio de las placas de aluminio. Se dispusieron 4 resistencias en la guarda y una en la placa central de tal manera que ocupen el mayor a´ rea ´ del calor. posible para una mejor distribucion
´ Construccion
´ y operacion ´ del GHP Para la construccion se siguen los lineamientos establecidos en la norma ASTM C177 [4]. Estos equipos pueden ´ de las resistencias Figura 2: Distribucion ser de cara simple o doble, sin embargo la mayor´ıa de dispositivos son de la segunda forma [6] , es decir se coloca las planchas de Para evitar el contacto entre las resistencias y muestra a ambos lados de la placa caliente y las placas de aluminio se uso´ una cinta aislante en los extremos los platos fr´ıos. de fibra de vidrio adherida a las placas.
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Figura 3: Aislante el´ectrico en la guarda
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´ de los pernos de sujecion ´ Figura 5: Distribucion
Entre la placa central y la guarda se mantuvo 2.2.2. Placas fr´ıas un espacio de 3 mm, 1.5mm a cada lado de ´ de los placas fr´ıas se En la construccion la placa central, de tal manera que el a´ rea utilizaron placas cuadradas de aluminio de 300 formada no sea mayor que el 5 % del a´ rea de mm de lado y 40 mm de ancho. la placa central, como indica el punto 6.4 de la norma [4]. En cuanto al material usado se utilizo´ la misma cinta que para el aislamiento el´ectrico distribuida de tal forma que aumente la dimen´ de la placa central en 3mm (de 150x150mm sion a 153x153mm)
Figura 6: Placas fr´ıas sin maquinar Se realizo´ 8 ranuras distribuidas uniformemente a lo largo de las placas fr´ıas de 10mm de ancho y 6mm de profundidad.
Figura 4: Espacio entre la placa central y la guarda (Gap) Para unir las placas se utilizaron pernos de ´ cabeza conica de 1/8 de pulgada que se colocaron de manera distribuida. El numeral 6.3.1.2 de la norma [4] indica que las temperaturas entre la placa caliente y la guarda no pueden diferir entre ellas en m´as de 0.2 grados celsius, por ello se elaboro´ un Figura 7: Fresado de placas fr´ıas ´ de ancho circuito de control de modulacion de pulso PWM regulable tanto para la placa Se colocaron tuber´ıas de 380mm de largo y central como para la guarda. φ 9.5, para mantener la temperatura a 20 C
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aproximadamente por las cuales circulaba agua como refrigerante.
´ de soldadura en las unioFigura 11: Operacion nes de las tuber´ıas de cobre Figura 8: Tuber´ıas de cobre cortadas y distribuidas a trav´es de los canales
Unir las placas principales (de 10mm de espesor) con las placas secundarias (de 2mm de Se usaron uniones tipo T para enlazar las espesor) mediante pernos de 1/8 de pulgada. tuber´ıas
Figura 9: Uniones tipo T Unir las tuber´ıas de cobre mediante las uniones tipo T del mismo material.
´ de las placas principales y Figura 12: Union secundarias Subsection text here.
3.
R ESULTADOS
Da cuenta de que se encontro, cada resultado debe estar justificado, se puede incluir tablas, practicas, infografias, cuadros e ilustraciones.
4.
´ D ISCUSI ON
Se plantean respuestas posibles a la pregunta ´ se da cuenta de resultados Figura 10: Tuber´ıas de cobre unidas y colocadas de investigacion, anomalos, se menciona las limitaciones de la en la placa fr´ıa investigacion, se establecen lineas para investiSoldar las tuber´ıas y las uniones gaciones futuras
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C ONCLUSIONES
Da una respuesta a la pregunta de investigacion, aparecen las ideas elaboradas durante la investigacion, las conclusiones se desprenden naturalmente del articulo, aqui no se debe poner nada que no haya sido desarrollado en el articulo. Las conclusiones se realizan en tres pasos: primero se hace un resumen de todo el estudio presentado, luego se hace una valoracion del trabajo y finalmente se redacta las conclusiones propiamente dichas. Appendix one text goes here. Appendix two text goes here. Los autores agradecemos a la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, que nos ha dado el apoyo y las facilidades para realizar las investigaciones dentro del a´ rea de Energ´ıa y Mec´anica.
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R EFERENCIAS [1] R. Sierra, Propuesta Preliminar de un Sistema de Clasificaci´on de Vegetaci´on para e Ecuador Continental, Proyecto INEFAN/GEF-BIRF y EcoCiencia Quito, Ecuador, 1999. [2] Clotario Tapia, Cecilia Paredes, Carlos Correa (2009) Comparaci´on de las propiedades de compuestos en base de polipropileno en mezcla con diversos residuos agroindustriales del Ecuador , Tesis de pregrado, Ecuador: Escuela Politecnica del Litoral, citado el 17/01/2014, disponible en internet: http://www.dspace.espol.edu.ec [3] SENPLADES, Transformaci´on de la matriz productiva. Revoluci´on productiva a trav´es del conocimiento y el talento humano, Ediecuatorial, Quito, 2012 [4] Norma ASTM C177,2013, Standard test method for steadystate heat flux measurements and thermal transmission properties by means of the guarded-hot-plate apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1942, DOI: 10.1520/C0177-13, www.astm.org [5] J. Xaman, L. Lira, J. Arce, Analysis of the temperature distribution in a guarded hot plate apparatus for measuring thermal conductivity, Applied Thermal Engineering, vol. 29, 2009, pp. 617-623 [6] A.W.. Pratt, Heat transmission in low conductivity materials, Chapter 6 in thermal Conductivity, Vol 1, R.P. Type, Ed., New York, NY: Academic Press Inc; 1969, pp. 338 - 357 [7] P. Martina, A. Aeberhard, M. Aeberhard, J. Corace, Fabricaci´on de un equipo de placa caliente para determinaci´on de la conductividad t´ermica de materiales. Uso en investigaci´on y docencia., Universidad Nacional del Nordeste, Comuni´ caciones cient´ıficas y tecnologicas 2003. ´ [8] R. Lopez, J. Morales, A. D´ıaz, A. Linardi, Equipo para evaluar en forma experimental el coeficiente de conductividad t´ermica de los materiales de construcci´on, Revista Mexicana de F´ısica, vol. 47(2), 2000, pp. 148 - 152 [9] C. Cadena, A. Silvera, estudio de la variaci´on en la conductividad t´ermica de la cascarilla de arroz aglomerada con fibras vegetales, Ingenier´ıa y Desarrollo. Universidad del norte, vol. 12, 2002, pp. 8 - 9 [10] F. Calero, L. V´asconez, Desarrollo experimental de un aislante t´ermico utilizando cascarilla de arroz y aglutinantes naturales, en planchas r´ıgidas, Tesis de grado, Universidad de las Fuerzas Armadas, 2013. [11] Norma ASTM C1044,2012, Standard practice for using a guarded-hot-plate apparatus or thin-heater apparatus in the single-sided mode, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1985, DOI: 10.1520/C1044-12, www.astm.org
´ MSc Ing. Carlos Francisco Terneus Paez Docente del Departamento de Energ´ıa y ´ Mecanica de la Universidad de las Fuerzas Armadas. Egresado de la Maestr´ıa de Energ´ıas Renovables en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE.
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Yolanda Quezada
Reinaldo Moreira Estudiante de la Carre´ ra de Ingenier´ıa Mecatronica en la universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Alex Aldas Estudiante de la Carrera de ´ Ingenier´ıa Mecatronica en la universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
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