Diseño, construcción y validación de un prototipo modificado de hot box de escala reducida para la evaluación de la conductividad térmica de diferentes materiales aislantes bajo condiciones controladas

Abstract

Este trabajo se centra en el desarrollo y validación de una nueva e innovadora metodología para evaluar y caracterizar térmicamente diferentes materiales aislantes. Para ello, se ha diseñado un prototipo modificado a escala reducida de “hot box”. Un hot box consiste en una cámara fría aislada térmicamente de una cámara caliente a través de un muro que actúa como muestra a caracterizar. El proceso de construcción se ha llevado a cabo y los resultados obtenidos han sido validados mediante comparación con un conductivímetro de flujo de calor comercial. En primer lugar, se ha fijado la metodología y calibrado el prototipo utilizando una muestra de poliestireno extruido (XPS) de 4 cm de espesor. Los ensayos involucran dos periodos estacionarios de diferente amplitud térmica y características, regiones donde se ha analizado la distribución de temperaturas y evaluado la conductividad térmica mediante medidas de temperatura y flujo de calor. En segundo lugar, se ha analizado el comportamiento térmico de muestras de diferentes espesores (1, 2, y 8 cm). Los resultados para los especímenes de pequeñas dimensiones muestran precisiones con errores relativos inferiores al 4 % y 9 % en los intervalos térmicos respectivamente estudiados, mientras que las muestras de grandes dimensiones requieren un estudio particular debido a que los flujos de calor obtenidos son muy bajos. En tercer lugar, se han ensayado y comparado diferentes aislantes térmicos comerciales como el poliuretano (PUR) y reciclado textil, para un espesor fijo de 4 cm. En este caso, los valores obtenidos para el PUR presentan errores relativos del 3 %, mientras que el error relativo para el reciclado textil alcanza cifras que rondan el 15 % debidas al pobre contacto entre la muestra y el sensor. Finalmente, se han explorado nuevas posibles aplicaciones para la técnica donde se ha incluido un estudio gráfico orientado al análisis de propiedades dinámicas. Además, se proponen diversas rutas de mejora del prototipo y líneas de trabajo futuro.

This work aims on the development and validation of a new and innovative methodology to thermally evaluate and characterize different insulating materials and specimens. To achieve this, a modified small-scale prototype of “hot box” was designed. A hot box consists of a cold camera isolated from a hot camera through a wall that acts as the material under characterization. The construction process of this prototype was carried out and the results obtained were validated by comparison with a commercial heat flow meter. First of all, a methodology has been established and the prototype has been calibrated using a 4 cm thick extruded polystyrene (XPS) board. The tests involve two stationary periods of different thermal amplitude and characteristics, regions where the temperature distribution has been analyzed. The thermal conductivity has been evaluated through measurements of temperature and heat flow. Secondly, the thermal behavior of materials with different thicknesses (1, 2, and 8 cm) was analyzed. The results for small-sized specimens showed accuracies with relative errors below 4 % and 9 % in the respective thermal intervals studied. Meanwhile, larger samples require a specific study due to the low heat flow obtained. In the third place, different commercial thermal insulators such as polyurethane (PUR) and recycled textiles have been tested and compared, for a fixed thickness of 4 cm. In this case, the values obtained for the PUR present relative errors around 3 %. However, the relative error for the recycled textile is high (15 %) due to the poor contact between the sample and the sensor. Finally, new potential applications for the technique were explored, including a graphical study that aim to analyze dynamic properties. Additionally, various routes for improvement the device and future work lines are proposed.