Conductividad térmica del suelo TLS

Publicado en 19 marzo, 2020
Conductividad térmica del suelo TLS-100

Evaluación de las propiedades térmicas de suelos secos y saturados utilizando el medidor de resistividad térmica portátil TLS – 100

Las propiedades del suelo son extremadamente importantes para aplicaciones ambientalmente sensibles en campos agrícolas y de construcción. Como regla general, la conductividad térmica aumenta al aumentar el contenido de humedad. En la industria de la construcción, los cables y tuberías enterrados representan posibles amenazas. Cuando las empresas constructoras están construyendo sistemas subterráneos, deben prestar mucha atención a los niveles de humedad y las propiedades conductoras térmicas del suelo circundante. Si se observa una baja conductividad térmica del suelo, los cables y las tuberías pueden experimentar sobrecalentamiento y potencialmente quemarse. Cuando se trata de tuberías de agua caliente enterradas, se requiere un suelo circundante de baja conductividad térmica para minimizar la pérdida de calor de las tuberías al suelo. Por lo tanto, se requiere de pruebas térmicas precisas y, en última instancia, la selección adecuada de los materiales de relleno, que son clave para el uso y durabilidad de los sistemas subterráneos. Los diseñadores del Medidor de resistividad térmica portátil Thermtest TLS-100 (Figura 1) tenían como objetivo proporcionar un sistema conveniente y fácil de usar para medir las propiedades térmicas de los suelos y otros materiales naturales en el campo. Debido a una extensa investigación y modelado, el TLS-100 es capaz de medir suelos y otros materiales blandos con una excelente precisión del 5% y reproducibilidad del 2%, de acuerdo con ASTM D5334 – Método de prueba estándar para la determinación de conductividad térmica y resistividad térmica de suelo y roca blanda por procedimiento de sonda de aguja térmica. En el diseño del TLS-100 también se tuvo en cuenta la deriva isotérmica de la muestra antes de la medición. La temperatura de la muestra se controla antes de cada prueba y la deriva de temperatura se registra como parte de la medición, para permitir la compensación de deriva si es necesario.
Standard 100 mm Sensor
Figura 1. El medidor de resistividad térmica portátil Thermtest TLS-100 brinda a los usuarios la capacidad de medir propiedades térmicas de suelos, sólidos y polvos con conductividades térmicas que varían de 0.1 a 5 W / m · K y resistividades térmicas que varían de 0.2 a 10 m · K / W, en un rango de temperatura de -40 a 100 ° C.

Las variaciones en las propiedades físicas pueden tener efectos significativos en la conductividad térmica de los suelos. Como regla general, la conductividad térmica es proporcional al contenido de humedad. Por lo tanto, cuanto mayor es el contenido de humedad del suelo, mayor es la conductividad térmica y viceversa. Para este experimento, los investigadores de Thermtest se propusieron investigar la relación de conductividad térmica-humedad del suelo.

Se evaluaron las propiedades térmicas en dos muestras de suelo con dos niveles extremos de humedad (0% y 100%) . Para comenzar, se recogió una muestra de suelo del exterior del laboratorio Thermtest y se dejó secar naturalmente durante tres semanas en condiciones ambientales. Para imitar correctamente una muestra de suelos con densidad conocida de Nuevo Brunswick (Tarnawski, et al. (2015)), se utilizó un método de compactación de impacto para compactar el suelo en el porta muestra en dos capas separadas. Para la muestra de suelo saturado al 0%, la sonda TLS-100 se insertó cuidadosamente en el centro de la muestra seca. Antes de realizar la medición, se estabilizó isotérmicamente el conjunto sonda / muestra durante 10 minutos.

Para la muestra de suelo 100% saturada, se repitió el mismo procedimiento mencionado anteriormente, solamente la muestra se compactó en un porta muestra sin fondo fijado con una gasa. Este nuevo porta muestra se colocó en un plato de mayor diámetro que contenía agua donde permaneció durante 12 horas, lo que permitió que la muestra de suelo alcanzara el 100% de saturación, por capilaridad. Antes de insertar la sonda, el porta muestra se retiró del plato mayor y se colocó en un plato seco. Luego se insertó la sonda TLS-100 en el centro de la muestra y se implementó nuevamente un período de espera de 10 minutos.

prueba de suelo
Figura 2. El medidor de resistividad térmica portátil TLS-100 determina las propiedades térmicas de una muestra de suelo son saturado al 0% (izquierda) y una muestra de suelo saturado al 100% (derecha).

Debido a la naturaleza transitoria de este método, los tiempos de prueba son relativamente bajos (~ 2 minutos), una característica importante cuando se prueban materiales con alto contenido de humedad. Durante la prueba, la sonda TLS-100 insertada produce calor durante un período de tiempo establecido. Durante este período, se registran múltiples lecturas de temperatura a intervalos regulares. A medida que se produce el enfriamiento, las lecturas de temperatura se repiten a intervalos regulares una vez más. La conductividad térmica de la muestra se calcula en función de los registros de temperatura utilizando la siguiente ecuación

k= q/4πa

donde,
k = conductividad térmica
q = Potencia de calefacción de la aguja
a = pendiente del incremento de la temperatura en función del tiempo en escala logarítmica

Conductividad Térmica del suelo

Tabla 1. Propiedades Térmicas de dos muestras de suelos :  0% de saturación y 100% de saturación a temperatura ambiente.

Saturation
(%)		 Temperature
(°C)		 Thermal Conductivity
(W/m·K)		 Thermal Resistivity
(m·K/W)
0 25.8 0.364 2.75
100 21 1.59 0.632

Los resultados recibidos siguen la tendencia de conductividad térmica / humedad mencionada anteriormente. Se logró una lectura de baja conductividad térmica (0.364 W / m · K) con un contenido de humedad del 0%, mientras que la muestra de suelo con una saturación del 100%, mostró una conductividad térmica más alta (1.59 W / m · K). Estos resultados también están dentro de la reproducibilidad declarada del TLS-100. Si bien los resultados de conductividad térmica determinados en este experimento varían ligeramente de los resultados obtenidos por Tarnawski, et al. (2015), mantienen una tendencia similar. La muestra de suelo utilizada en la investigación realizada por Tarnawski, et al. (2015) se recolectó de un área diferente de New Brunswick, lo que podría conducir a variaciones en las lecturas de conductividad térmica determinadas por los científicos de Thermtest.

Al ensayar la conductividad térmica del suelo al 0% y 100% de saturación, con el Medidor de conductividad térmica portátil TLS-100, se comprobó que la conductividad térmica del suelo depende en gran medida de las propiedades físicas, como el contenido de agua. Se deben realizar pruebas adicionales de conductividad térmica con el TLS-100 en el suelo, teniendo en cuenta otras propiedades físicas como la porosidad, el contenido orgánico y la temperatura.

Para obtener más información sobre el TLS-100 o cualquier aplicación, visite Thermtest Portable o contáctenos directamente.

Referencias:

ASTM D5334-22, Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, www.astm.org.

V. R. Tarnawski, T. Momose, M. L. McCombie, and W. H. Leong. 2015. Canadian Field Soils III. Thermal-Conductivity Data and Modeling. International Journal of Thermophysics, 36(1): 119-156.

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