Determinación del coeficiente de conductibilidad térmica de la

Determinación del coeficiente de conductibilidad térmica
de la madera de Algarrobo (prosopis)
Aeberhard, R. - Aeberhard, A. - Natalini, M. - Corace, J. - Martina, P. - Ventin, A.
Grupo de Investigación de Energías Renovables (GIDER)
Dpto. de Termodinamica - Facultad de Ingeniería - UNNE.
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RESUMEN
Esta comunicación describe los primeros resultados alcanzados en el estudio de la conductividad térmica de la madera
de Algarrobo (prosopis). Esta tarea corresponde a una de las metas a alcanzar en el Proyecto: “Transferencia
Combinada de Calor y Masa en Maderas Utilizadas como Material de Construcción Poroso e Higroscópico” que se
desarrolla en el Departamento de Termodinámica de la Facultad de Ingeniería. Se exponen los valores del coeficiente
de conductibilidad calorífica interna de la madera de la especie de Algarrobo obtenidos teóricamente en función del
peso específico aparente y se representa la variación del coeficiente de conductibilidad para distintos contenidos de
humedad y porcentaje de volumen de poros
ANTECEDENTES
El coeficiente de conductibilidad calorífica interna ejerce un rol importante en las aplicaciones prácticas de la madera.
Este coeficiente es una constante del material, que depende también de la dirección del flujo de calor, de la
temperatura y del grado de humedad del mismo.
La conductividad térmica de los sólidos porosos depende principalmente de su peso específico. Este efecto queda
explicado teniendo en cuenta que la conductividad térmica del aire que llena los poros es mucho menor que la del
constituyente pesado del material poroso.
La conductividad térmica efectiva de un material poroso depende también en gran medida del contenido de humedad.
Los sólidos porosos secos son muy malos conductores del calor y constituyen excelentes aislantes térmicos.
La conductividad térmica de un material húmedo es mucho mayor que la del material seco y la del agua tomados
individualmente. Este hecho se explica, en parte, por el efecto de la transmisión de calor por convección, debido al
movimiento de agua por capilaridad dentro del material poroso y por el hecho de que las propiedades del agua
absorbidas son distintas de la del agua libre.
Determinación del Coeficiente de Conductibilidad Térmica
Las conductividades caloríficas de los sólidos se determinarán experimentalmente ya que dependen de numerosos
factores que son difíciles de medir o predecir. En el caso de sólidos porosos, la conductividad calorífica depende
significativamente de la fracción de huecos, del tamaño de los poros y del fluido que está contenido en los mismos.
La deducción de una ley física para determinar el coeficiente de conductibilidad térmica presenta grandes dificultades
ya que habría que considerar las dimensiones celulares, los espesores de las capas de moléculas de agua en la
superficie interna, los cosenos en la dirección respecto a las fibras y los coeficientes de conductibilidad caloríficas de
cada una de las partes componentes. En consecuencia es preferible la fórmula empírica siguiente, hallada por vía
estadística:
λ = 0,168 ρ0 + 0,022 [ Kcal/ m h ºC]
[1]
Esta ecuación da resultados aceptables en la práctica para todos los pesos específicos aparentes ρ0
maderas usuales.
[g/cm3]
de las
METODOLOGIA DE TRABAJO
Materiales: el material empleado en los ensayos es madera de la especie forestal denominada comercialmente algarrobo
(prosopis).
En los ensayos se utilizaron probetas cúbicas de algarrobo de 2 cm de arista. En la elección de estas dimensiones se
tuvo en cuenta lo recomendado por la conferencia de Ginebra (1949) y la norma francesa B51-003.
Técnica operatoria: cada ensayo se realizó en condiciones constantes de temperatura, humedad relativa y velocidad del
aire de secado, utilizando 10 probetas obtenidas de muestras de maderas correspondientes a un mismo ejemplar.
Los volúmenes de las probetas se determinaron por medición indirecta mediante la inmersión en líquido. Para evitar la
imbibición de agua por parte de la probeta se empleó como líquido el mercurio, como lo establecen las normas
COPANT 461 IRAM 9543 y francesa 51-006.
Una vez obtenidos los pesos específicos de las muestras en estado anhídro se determinaron los coeficientes de
conductibilidad térmica mediante la ecuación [1] para distintos contenidos de humedad.
RESULTADOS
Se exponen a continuación los valores obtenidos durante los ensayos
Cont. De
Humedad
(%)
Características
Peso Específico
(g/cm3)
Porosidad
(%)
Coef.Conduct.Térmica
(Kcal/mhºC)
25
45
55
65
0,708
0,710
0,730
0,732
52,81
52,63
51,29
51,15
0,1409
0,1413
0,1446
0,1450
Tabla 1
El gráfico 1 indica la variación del coeficiente de conductibilidad térmica en función de la humedad de las muestras. Se
observa el aumento de la conductibilidad térmica conforme aumenta la humedad de la madera.
El gráfico 2 relaciona el coeficiente de conductibilidad térmica en función del peso específico, se deduce que al
aumentar el peso específico de las muestras aumenta también el coeficiente de conductibilidad térmica.
El gráfico 3 representa finalmente la variación del coeficiente de conductibilidad térmica en función del volumen de
poros observándose de que a medida que éste aumenta disminuye el coeficiente de conductibilidad térmica.
Coeficiente de Conductibilidad en Función
de la Humedad
Coeficiente de Conductibilidad Térmica
Coef.de Conductibilidad
Térmica (Kcal/mhºC)
Coef. de Conduct. (Kcal/mhºC)
0,147
0,147
0,146
0,145
0,144
0,143
0,142
0,141
0,14
0,146
0,145
0,144
0,143
0,142
0,141
0,14
0,705
0
20
40
60
80
0,71
0,715
0,72
0,725
Humedad de la madera (%)
Gráfico 1
0,73
Peso Específico (g/cm3)
Gráfico 2
0,735
0,74
Coef. cond.térmica
(Kcal/mhºC)
coeficiente de conductibilidad térmica y
porosidad
0,147
0,146
0,145
0,144
0,143
0,142
0,141
0,14
50,5
51
51,5
52
52,5
53
volumen de poros (%)
Gráfico 3
CONCLUSIONES
Los primeros valores obtenidos son coincidentes con los mencionados en la literatura y responden adecuadamente a la
aplicación en forma empírica de las ecuaciones [1].
Se observa que en el caso de sólidos porosos, como es el caso de la madera, la conductividad calorífica depende en
forma significativa de la fracción de huecos, del tamaño de los poros y del fluido que está contenido en los mismos.
En ensayos posteriores se determinarán experimentalmente el coeficiente de conductividad calorífica con un aparato
de placas, puesto que dicho coeficiente depende de numerosos factores difíciles de medir o predecir.
Los resultados de estos primeros ensayos serán aplicados al modelo de simulación UMIDUS que corresponde a uno de
los objetivos del proyecto “Transferencia Combinada de Calor y Masa en Maderas Utilizadas como Material de
Construcción Poroso e Higroscópico”, que actualmente se está desarrollando en nuestro Departamento.
REFERENCIAS
§
David Himmelblau y Kenneth Bischoff, “Análisis y Simulación de Procesos”, Editorial Reverté ,1992.
§
Bird, Stewart and Ligthfoot “Fenómenos de Transporte”, Editorial Reverté, 1997.
§
Isachenko, Osipova, Sukomel “Transmisión del Calor”, Marcombo. S.A. de Boixareu Editores, 1973
§
Treybal Robert E., “ Operaciones de Transferencia de Masa”, Editorial Mc Graw Hill, 2000.
§
Kollmann, F. Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe. Springer Verlag Berlin.
§
http://fai.unne.edu.ar/biologia/planta/maderas.htm#Crecimiento_Secundario
§
http://www.inia.es/IASPF/1998/vol7/02.G.MOGLIA.pdf
§
http://www.uco.es/jardin-botanico/cd1/Maderas%20CITES/peso.htm