La norma “ASTM C177-19 Método de prueba estándar para mediciones de flujo de calor en estado estacionario y conductividad térmica por medio de aparatos de placa caliente protegida” desarrollada por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) describe criterios para la medición en laboratorio del flujo de calor en estado estacionario a través de muestras planas y homogéneas cuando están en contacto con límites sólidos y paralelos cuyas superficies se mantienen a temperaturas constantes.
El aparato de prueba diseñado para este propósito se conoce como aparato de placa caliente protegida y es un método primario (o absoluto). Este método de prueba es comparable, pero no idéntico, al método de prueba estándar ISO 8302.
Este método de prueba establece los requisitos generales de diseño necesarios para fabricar y operar un dispositivo de placa calefactora protegida satisfactorio. Cubre una amplia gama de estructuras de dispositivos, condiciones de prueba y condiciones de funcionamiento. No se proporcionan diseños detallados adecuados para este método de prueba, pero deben desarrollarse dentro de las limitaciones de los requisitos generales. En la norma se incluyen ejemplos de herramientas de análisis, conceptos y procedimientos utilizados en el diseño, la construcción, la calibración y el funcionamiento de un dispositivo de placa caliente protegida (Recursos).
Este método de prueba cubre los modos de medición de una sola cara y de doble cara. Se permiten diseños de placas calefactoras protegidas tanto con fuente de línea como distribuidas. El usuario debe consultar las normas ASTM C1044 y ASTM C1043 para obtener más detalles sobre estos diseños de calentadores.
El aparato de placa calefactora blindada puede funcionar con flujo de calor vertical u horizontal. Sin embargo, se advierte al usuario que si se produce un flujo de calor convectivo dentro de las muestras, los resultados de la prueba obtenidos de las dos orientaciones pueden diferir.
Aunque no se puede dar un límite superior absoluto para la magnitud de la conductividad de la muestra que se puede medir en la placa caliente protegida, por razones prácticas la conductividad de la muestra debe ser menor que el valor dado en la norma.
Este método de prueba es aplicable a la medición de una amplia variedad de muestras, desde sólidos opacos hasta materiales porosos o transparentes, y una amplia gama de condiciones ambientales, incluidas mediciones a temperaturas extremas y con diversos gases y presiones.
Las inhomogeneidades perpendiculares a la dirección del flujo de calor, como las estructuras en capas, se pueden evaluar con éxito utilizando este método de prueba. Sin embargo, probar muestras con inhomogeneidades en la dirección del flujo de calor, como un sistema de aislamiento con puente térmico, puede producir resultados específicos de la ubicación y no se debe intentar con este tipo de dispositivo. La norma ASTM C1363 es válida para probar estos sistemas.
El cálculo de las propiedades de transferencia de calor basado en mediciones realizadas utilizando este método debe realizarse de acuerdo con la norma ASTM C1045.
Para garantizar el nivel esperado de precisión y exactitud, quienes apliquen esta norma deben tener conocimientos sobre los requisitos para las prácticas de medición y prueba térmica y la aplicación práctica de la teoría de transferencia de calor en lo que respecta a los materiales y sistemas de aislamiento térmico. Deben estar disponibles procedimientos operativos detallados, incluidos diagramas de diseño y dibujos eléctricos, para cada dispositivo a fin de garantizar que las pruebas cumplan con este método de prueba. Además, los sistemas automatizados de recopilación y procesamiento de datos conectados al dispositivo deben validarse para garantizar su precisión. Esto se puede hacer ingresando conjuntos de datos asociados con la calibración y resultados conocidos en programas de computadora.
No es práctico que un método de prueba de este tipo especifique detalles y procedimientos de diseño y construcción para cubrir todas las contingencias, lo que sería difícil para una persona sin conocimientos técnicos de la teoría del flujo de calor, mediciones de temperatura y prácticas de prueba generales. El usuario también puede encontrar necesario ser diseñador o fabricante, o ambos, al reparar o reemplazar el dispositivo, donde las demandas de comprensión fundamental y técnica experimental cuidadosa son mayores. La estandarización de este método de prueba no pretende restringir de ninguna manera el desarrollo futuro de dispositivos o procedimientos nuevos o mejorados.
Este método de prueba no especifica todos los detalles necesarios para que el dispositivo funcione. Las decisiones relacionadas con el muestreo, la selección de muestras, el preacondicionamiento, el montaje y posicionamiento de las muestras, la selección de las condiciones de prueba y la evaluación de los datos de prueba deben seguir los métodos de prueba, las pautas, las prácticas o las especificaciones del producto o las regulaciones reglamentarias de ASTM aplicables. Si no hay ninguna norma aplicable disponible, se debe utilizar y documentar un criterio de ingeniería sólido que refleje los principios aceptados de transferencia de calor.
Este método de prueba permite utilizar una amplia gama de diseños de instrumentos y precisiones de diseño para satisfacer los requisitos de problemas de medición específicos. El cumplimiento de este método de prueba requiere una declaración de la incertidumbre de cada variable informada en el informe.
La figura de la norma muestra los componentes principales del sistema idealizado: dos conjuntos de superficies frías isotérmicas y una placa caliente protegida. Es posible que algunos dispositivos tengan más de un protector. La placa de protección caliente consta de una sección dosificada aislada térmicamente de la protección primaria concéntrica mediante una separación o espacio especificado. Algunos dispositivos pueden tener más de un protector. La muestra de prueba se coloca entre estas tres unidades. En el modo de medición de doble cara, la muestra en realidad consta de dos partes. En este caso la medición produce un resultado que es el promedio de las dos partes y por lo tanto es importante que las dos partes estén muy próximas entre sí. Cuando se utiliza el modo de medición de un solo lado, se aplica la norma ASTM C1044. Para el uso de una placa calefactora protegida que incluye el uso de un calentador de suministro de línea, se aplica la norma ASTM C1043.
La placa calefactora protegida proporciona la energía (flujo de calor por unidad de tiempo) para la medición y define el volumen de prueba real, es decir, la porción de la muestra que realmente se mide. La función del blindaje primario del aparato de placa calefactora blindada y de cualquier blindaje coplanar adicional, si está presente, es proporcionar condiciones térmicas apropiadas dentro del volumen de prueba para reducir el flujo de calor lateral dentro del aparato. Las condiciones idealizadas se muestran en la figura mediante la configuración de superficies isotérmicas y líneas de flujo de calor constante dentro de la muestra.
Las desviaciones de la configuración idealizada son causadas por: inhomogeneidades de la muestra, diferencias de temperatura entre la sección medida y la protección (desequilibrio del espacio) y diferencias de temperatura entre el borde exterior del conjunto y el entorno controlado circundante (desequilibrio del borde).
Se diseñan tres dispositivos de calentamiento/enfriamiento para crear superficies isotérmicas en las superficies de las muestras dentro de la sección transversal medida. Las dos superficies designadas como conjuntos de superficies frías se configuran a la misma temperatura para el modo de funcionamiento de doble cara. En la práctica, se produce cierto flujo de calor lateral porque las placas y las muestras son de tamaño finito y el entorno externo controlado suele estar a una temperatura diferente a la del borde de la sección medida. La protección primaria de la placa calefactora blindada limita la magnitud del flujo de calor lateral en la sección transversal medida. La eficacia de la protección primaria está determinada, en parte, por la relación entre su dimensión lateral, el tamaño de la sección medida y el espesor de la muestra.
El cumplimiento de este método de prueba requiere: establecer condiciones de estado estable y medir el flujo de calor unidireccional a través de la sección medida, el área de la sección medida, el gradiente de temperatura a través de la muestra en términos de la temperatura de la superficie caliente y la temperatura de la superficie fría (o equivalentemente, la temperatura entre las dos superficies), el espesor de cada muestra y el equilibrio de protección entre la sección medida y la protección primaria.
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