Cálculo numérico de las propiedades térmicas efectivas de un compuesto por elementos finitos
Barra lateral del artículo
Publicado:
Jul 1, 2017
Palabras clave:
conductividad térmica, difusividad térmica, propiedades térmicas, compuesto, simulación, elementos finitos.
Contenido principal del artículo
Resumen
El desarrollo de nuevos métodos para determinar las propiedades térmicas de materiales compuestos está siempre en constante avance. En este estudio se propone un método unidimensional para el cálculo numérico de la conductividad y difusividad térmicas efectivas en materiales sólidos heterogéneos (compuestos), entre [10--20 °C], mediante el uso del programa Solidworks 2016, el cual se basa en el método de cálculo de elementos finitos. Primero, se obtiene la distribución de temperatura en función de la coordenada y el tiempo; luego, se ajusta el modelo teórico, la ecuación parabólica de difusión del calor en una dimensión, a los datos obtenidos en la simulación para obtener la solución. Inicialmente, se modela la distribución de temperatura en una barra sólida de cobre homogénea, material conocido, bajo un flujo de calor constante en $x = L$, arrojando valores de conductividad y difusividad térmicas de acuerdo con los reportados en la literatura, con un error relativo de 0,01 % y 0,7 % respectivamente. Luego se modela la distribución de temperatura en una barra sólida heterogénea a base de cobre (65,7 %)-plomo (34,3 %) y, bajo la misma condición de flujo de calor, se obtienen los valores simulados de temperatura en función del tiempo con los cuales se calculan la conductividad y difusividad térmicas efectivas de este compuesto. Los resultados obtenidos muestran consistencia y confiabilidad pues se encuentran dentro del rango establecido por estudios anteriores.
Detalles del artículo
Sección
Artículo Científico
La Universidad Politécnica Salesiana de Ecuador conserva los derechos patrimoniales (copyright) de las obras publicadas y favorecerá la reutilización de las mismas. Las obras se publican en la edición electrónica de la revista bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento / No Comercial-Sin Obra Derivada 4.0 Ecuador: se pueden copiar, usar, difundir, transmitir y exponer públicamente.
El autor/es abajo firmante transfiere parcialmente los derechos de propiedad (copyright) del presente trabajo a la Universidad Politécnica Salesiana del Ecuador, para las ediciones impresas.
Se declara además haber respetado los principios éticos de investigación y estar libre de cualquier conflicto de intereses.
El autor/es certifican que este trabajo no ha sido publicado, ni está en vías de consideración para su publicación en ninguna otra revista u obra editorial.
El autor/es se responsabilizan de su contenido y de haber contribuido a la concepción, diseño y realización del trabajo, análisis e interpretación de datos, y de haber participado en la redacción del texto y sus revisiones, así como en la aprobación de la versión que finalmente se remite en adjunto.
Referencias
[1] W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler, and G. L. Abbott, “Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity”, Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. 1679-1684, 1961.
[2] A. Bouguerra, “Measurement of termal conductivity, thermal diffusivity and heat capacity of highly porous building materials using transient plane source technique”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 28, pp. 1065-1078, 2001.
[3] J. K. Carson, S. J. Lovatt, D. J. Tanner and A. C. Cleland, “Thermal conductivity bounds for isotropic porous materials”. International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 2150-2158, 2005.
[4] J. Hone, M. Whitney, C. Piskoti, A. Zettl, “Thermophysical properties of masonry units Accurate characterization”, The American Physical Society, vol. 59, pp. 2514-2516, 1999.
[5] J. A. P. Lima, E. Marín, O. Correa, M. G. da Silva, S. L. Cardoso, C. Gatts, C. E. Rezende, H. Vargas, L. C. M. Miranda, “Measurement of the thermal properties of liquids using a thermal wave interferometer”, Meas. Sci. Technol, vol. 11, pp. 1522-1526, 2000.
[6] L. Lira, O. J. González, E. Méndez, “Medición de la Conductividad Térmica 2008,” Simposio de Metrología SM2008-S4C2, México 2008.
[7] L. Lira, S. García, E. Méndez, E. González, “Conductividad Térmica en materiales,” Simposio de Metrología SM2010-Car-29, México 2010.
[8] A. Corona, G. Martínez, “Conducción térmica en una varilla de cobre”, Lat. Am. J. Phys. Educ. vol. 5, pp. 820-823, 2011.
[9] J. A. Gutiérrez, A. D. González, “Determinación experimental de conductividad térmica de materiales”, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol.16, pp. 0841-0848, 2012.
[10] M. E. González, A. Denis, A. Soba, “Modelización de la conductividad térmica del UO2 y (U,Gd)O2 bajo irradiación. Implementación en el código Dionisio”, ANALES AFA, vol. 25, pp. 211-213, 2014.
[11] A. R. Warrier, R. Jayakrishnan, T. T. John, C. S. Kartha, K. P. Vijayakumar, “Study on optical, electronic and thermal properties of ?-In2S3 thin films using photothermal beam deflection technique” J Mater Sci: Mater Electron, DOI 10.1007/s10854-015-4201-y, 2015.
[12] K. Martínez, E. Marín, C. Glorieux, A. Lara, A. Calderónn, G. Peña, R. Ivanov, “Thermal diffusivity measurements in solids by photothermal infrared radiometry: Influence of convectioneradiation heat losses”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 98, pp. 202-207, 2015.
[13] L. Velasco, L. Goyos, R. Delgado, L. Freire, "Instalación para medición de conductividad térmica en composites basados en residuos de biomasa", Enfoque UTE, vol.7, pp.69-81, 2016.
[14] N. Cobîrzan, A. A. Balog, B. Belean, G. Borodi, D. Dadârlat, M. Streza, "Thermophysical properties of masonry units: Accurate characterization by means of photothermal techniques and relationship to porosity and mineral composition", Construction and Building Materials, vol. 105, pp. 297–306, 2016.
[15] J. A. Ibáñez, F. J. Abellán, R. P. Valerdi, J. A. García, "Conductividad térmica de una barra de cobre. Estudio experimental del transitorio", Lat. Am. J. Phys. Educ., vol. 2, pp. 259-267, 2008.
[16] S. E. Gustafsson, “Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials”, Review of Scientific Instruments, vol. 62, pp.797-804, 1991.
[17] R. L. Hamilton, O.K. Crosser, “Thermal Conductivity of Theory of Heterogeneus Two-Componet System”, I ? EC FUNDAMENTALS, vol. 1, pp. 187-190, 1962.
[18] Maxwell, J.C., “A trasient on Electricity and Magnetism” 2da ed., vol. 1, Ed. Clarendon Press, U.K., 1881, p. 435.
[19] L. Sassi, F. Mzali, A. Jemnia and S. B. Nasrallah, “Hot-Wire Method for Measuring Effective Thermal Conductivity of Porous Media”, Journal of Porous Media, vol. 8, pp. 97-113, 2005.
[20] G. Peña et al., “Conductividad térmica efectiva promedio de polvos de arcillas Utilizadas en la industria cerámica del área metropolitana de san José de Cúcuta”. Revista Colombiana de Física, vol. 40, pp. 278-280, 2008.
[21] N. Wakao, K. Kato, "Effective thermal conductivity of packed beds", Journal of Chemical Engineering of Japan”, vol. 2, pp.24-33, 1969.
[22] D. R. Shonnard, S. Whitaker, "The effective thermal conductivity for a pointcontact porous medium: an experimental study", Inl. J. Hear Mass Transfer, vol. 32, pp. 503-512, 1989.
[23] N. Shemeena, B. Rajesh, A. Kurian, S. D. George, "Thermal conductivity measurement of organic solvents incorporated with silver nanoparticle using photothermal techniques," International Conference on Materials Science and Technology, India 2012
[24] J. Bravo, R. Guinovart, G. López, R. Rodríguez, F. J. Sabina, "Acerca de la homogeneización y propiedades efectivas de la ecuación del calor", Revista Visión Electrónica, vol. 7, pp. 149-159, 2013.
[25] S. Nie, C. Basaran, “A micromechanical model for effective elastic properties of particulate composites with imperfect interfacial bonds”, International Journal of Solids and Structures, vol. 42, pp. 79-91, 2005.
[26] G. Peña, A. Calderón, R. A. Muñoz, A. Florido, O. Flores, C. Falcony, "Influencia del tamaño de grano en la conductividad térmica a altas temperaturas en polvos aislantes de MgO", Superficies y Vacío, vol. 14, pp. 44-48, 2002.
[27] W. Benenson, J.W. Harris, H. Stöcker, H. Lutz, "Handbook of physics", 1ra ed., vol. 2, Ed. Springer-Verlag, USA, 2002, pp. 788-795.
[28] R. P. A. Rocha, M. E. Cruz, “Computation of the effective conductivity of unidirectional fibrous composites with an interfacial thermal resistance. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications”, International Journal of Computation and Methodology, vol. 39, pp. 179-203, 2001.
[29] G. López, J. Bravo, M. E. Cruz, R. Guinovart, R. Rodríguez, "Cotas variacionales para coeficientes efectivos en compuestos con contacto imperfecto", Revista Visión Electrónica, vol. 7, pp. 53-64, 2013.
[2] A. Bouguerra, “Measurement of termal conductivity, thermal diffusivity and heat capacity of highly porous building materials using transient plane source technique”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 28, pp. 1065-1078, 2001.
[3] J. K. Carson, S. J. Lovatt, D. J. Tanner and A. C. Cleland, “Thermal conductivity bounds for isotropic porous materials”. International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 2150-2158, 2005.
[4] J. Hone, M. Whitney, C. Piskoti, A. Zettl, “Thermophysical properties of masonry units Accurate characterization”, The American Physical Society, vol. 59, pp. 2514-2516, 1999.
[5] J. A. P. Lima, E. Marín, O. Correa, M. G. da Silva, S. L. Cardoso, C. Gatts, C. E. Rezende, H. Vargas, L. C. M. Miranda, “Measurement of the thermal properties of liquids using a thermal wave interferometer”, Meas. Sci. Technol, vol. 11, pp. 1522-1526, 2000.
[6] L. Lira, O. J. González, E. Méndez, “Medición de la Conductividad Térmica 2008,” Simposio de Metrología SM2008-S4C2, México 2008.
[7] L. Lira, S. García, E. Méndez, E. González, “Conductividad Térmica en materiales,” Simposio de Metrología SM2010-Car-29, México 2010.
[8] A. Corona, G. Martínez, “Conducción térmica en una varilla de cobre”, Lat. Am. J. Phys. Educ. vol. 5, pp. 820-823, 2011.
[9] J. A. Gutiérrez, A. D. González, “Determinación experimental de conductividad térmica de materiales”, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol.16, pp. 0841-0848, 2012.
[10] M. E. González, A. Denis, A. Soba, “Modelización de la conductividad térmica del UO2 y (U,Gd)O2 bajo irradiación. Implementación en el código Dionisio”, ANALES AFA, vol. 25, pp. 211-213, 2014.
[11] A. R. Warrier, R. Jayakrishnan, T. T. John, C. S. Kartha, K. P. Vijayakumar, “Study on optical, electronic and thermal properties of ?-In2S3 thin films using photothermal beam deflection technique” J Mater Sci: Mater Electron, DOI 10.1007/s10854-015-4201-y, 2015.
[12] K. Martínez, E. Marín, C. Glorieux, A. Lara, A. Calderónn, G. Peña, R. Ivanov, “Thermal diffusivity measurements in solids by photothermal infrared radiometry: Influence of convectioneradiation heat losses”, International Journal of Thermal Sciences, vol. 98, pp. 202-207, 2015.
[13] L. Velasco, L. Goyos, R. Delgado, L. Freire, "Instalación para medición de conductividad térmica en composites basados en residuos de biomasa", Enfoque UTE, vol.7, pp.69-81, 2016.
[14] N. Cobîrzan, A. A. Balog, B. Belean, G. Borodi, D. Dadârlat, M. Streza, "Thermophysical properties of masonry units: Accurate characterization by means of photothermal techniques and relationship to porosity and mineral composition", Construction and Building Materials, vol. 105, pp. 297–306, 2016.
[15] J. A. Ibáñez, F. J. Abellán, R. P. Valerdi, J. A. García, "Conductividad térmica de una barra de cobre. Estudio experimental del transitorio", Lat. Am. J. Phys. Educ., vol. 2, pp. 259-267, 2008.
[16] S. E. Gustafsson, “Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials”, Review of Scientific Instruments, vol. 62, pp.797-804, 1991.
[17] R. L. Hamilton, O.K. Crosser, “Thermal Conductivity of Theory of Heterogeneus Two-Componet System”, I ? EC FUNDAMENTALS, vol. 1, pp. 187-190, 1962.
[18] Maxwell, J.C., “A trasient on Electricity and Magnetism” 2da ed., vol. 1, Ed. Clarendon Press, U.K., 1881, p. 435.
[19] L. Sassi, F. Mzali, A. Jemnia and S. B. Nasrallah, “Hot-Wire Method for Measuring Effective Thermal Conductivity of Porous Media”, Journal of Porous Media, vol. 8, pp. 97-113, 2005.
[20] G. Peña et al., “Conductividad térmica efectiva promedio de polvos de arcillas Utilizadas en la industria cerámica del área metropolitana de san José de Cúcuta”. Revista Colombiana de Física, vol. 40, pp. 278-280, 2008.
[21] N. Wakao, K. Kato, "Effective thermal conductivity of packed beds", Journal of Chemical Engineering of Japan”, vol. 2, pp.24-33, 1969.
[22] D. R. Shonnard, S. Whitaker, "The effective thermal conductivity for a pointcontact porous medium: an experimental study", Inl. J. Hear Mass Transfer, vol. 32, pp. 503-512, 1989.
[23] N. Shemeena, B. Rajesh, A. Kurian, S. D. George, "Thermal conductivity measurement of organic solvents incorporated with silver nanoparticle using photothermal techniques," International Conference on Materials Science and Technology, India 2012
[24] J. Bravo, R. Guinovart, G. López, R. Rodríguez, F. J. Sabina, "Acerca de la homogeneización y propiedades efectivas de la ecuación del calor", Revista Visión Electrónica, vol. 7, pp. 149-159, 2013.
[25] S. Nie, C. Basaran, “A micromechanical model for effective elastic properties of particulate composites with imperfect interfacial bonds”, International Journal of Solids and Structures, vol. 42, pp. 79-91, 2005.
[26] G. Peña, A. Calderón, R. A. Muñoz, A. Florido, O. Flores, C. Falcony, "Influencia del tamaño de grano en la conductividad térmica a altas temperaturas en polvos aislantes de MgO", Superficies y Vacío, vol. 14, pp. 44-48, 2002.
[27] W. Benenson, J.W. Harris, H. Stöcker, H. Lutz, "Handbook of physics", 1ra ed., vol. 2, Ed. Springer-Verlag, USA, 2002, pp. 788-795.
[28] R. P. A. Rocha, M. E. Cruz, “Computation of the effective conductivity of unidirectional fibrous composites with an interfacial thermal resistance. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications”, International Journal of Computation and Methodology, vol. 39, pp. 179-203, 2001.
[29] G. López, J. Bravo, M. E. Cruz, R. Guinovart, R. Rodríguez, "Cotas variacionales para coeficientes efectivos en compuestos con contacto imperfecto", Revista Visión Electrónica, vol. 7, pp. 53-64, 2013.