La transferencia de calor en un medio poroso como el suelo puede ser un proceso complejo. El calor se conduce a través de los sólidos y el agua del suelo, pero también se transporta como calor latente en los poros del suelo. Esto hace que la modelización del flujo de calor en el suelo sea tan interesante como compleja, ya que implica procesos térmicos e hidráulicos.
El movimiento del vapor a través de los poros puede transportar cantidades sustanciales de calor latente, pero si el suelo alrededor de la fuente de calor no está lo suficientemente húmedo como para que el agua se mueva hacia atrás y se evapore de nuevo, el suelo en la fuente de calor se secará. Si el suelo se seca alrededor de una fuente de calor, como un cable eléctrico, puede producirse un desbordamiento térmico que provoque la rotura del cable. Conocer la estabilidad térmica del suelo puede ayudar a los ingenieros a diseñar con mayor precisión los sistemas de distribución de energía para evitar el desbordamiento térmico.
El apéndice B del Código Eléctrico Nacional (B.310.15(B)(2)) establece que "los valores típicos de resistividad térmica (rho) son los siguientes:
Sin embargo, como han descubierto muchos ingenieros que han utilizado "90" como valor rho seguro y típico, el NEC es sencillamente erróneo. Estos números carecen esencialmente de sentido porque no existe un "suelo medio", húmedo o seco.
Cuarenta años de investigación térmica del suelo lo demuestran:
Incluso en un sistema de cables subterráneos bien diseñado, el suelo puede representar la mitad o más de la resistencia térmica total. Las propiedades térmicas del suelo y del relleno no deben darse por supuestas. Estas propiedades son relativamente fáciles de medir sobre el terreno y en el laboratorio. Una instalación segura y profesional requiere la medición y evaluación real de la rho térmica.
Si un informe de resistividad térmica del suelo sólo dice "El suelo X tiene una resistividad térmica de XXX °C-cm/W", pida una aclaración. ¿Cuál era el contenido de humedad? ¿Qué densidad tenía? ¿Hay componentes orgánicos en el suelo? La humedad, la densidad y la composición del suelo son factores críticos a la hora de determinar su resistividad térmica. Cualquier informe sobre la resistividad térmica con fines de diseño debe incluir datos sobre el contenido de humedad y la densidad(véase el ejemplo). También debe incluirse una descripción física del suelo. La curva de secado térmico es la forma más completa de informar sobre la resistividad térmica del suelo. Las curvas de secado térmico pueden generarse automáticamente con el instrumento de laboratorioVARIOS .
Vea aquí cómo el analizador de propiedades térmicas de campoTEMPOS cumple las normas ASTM e IEEE.
El capítulo 5 de los Métodos de Análisis del Suelo, Parte 4, de la Soil Science Society of America (SSSA) trata del calor del suelo. En TEMPOS y VARIOS los tamaños de aguja de la sonda, los tiempos de calentamiento, las especificaciones de precisión y el análisis interno de datos cumplen o superan las recomendaciones descritas en los métodos de la SSSA.
El TEMPOS es un analizador de propiedades térmicas de campo totalmente portátil. El instrumento de laboratorioVARIOS mide la resistividad térmica en función del contenido de agua y genera curvas de secado térmico sencillas y automatizadas. Ambos utilizan el método de fuente de calor de línea transitoria, que reduce el movimiento del agua para una mayor precisión y acelera el tiempo de medición. El sofisticado análisis de datos se basa en más de 40 años de experiencia en investigación sobre transferencia de calor y masa en suelos y otros materiales porosos.
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Medir con precisión las propiedades térmicas de los materiales es fácil con TEMPOS, pero establecer un protocolo de medición eficaz y controlar cuidadosamente los factores importantes que afectan a las propiedades térmicas puede ser todo un reto y llevar mucho tiempo.
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La física del suelo es cada vez más crítica en el diseño e implementación de sistemas subterráneos de transmisión y distribución de energía.
No hay forma de medir las propiedades de materiales húmedos y porosos con el método de estado estacionario (placa caliente protegida). Sin embargo, el método de la fuente de calor en línea transitoria es capaz de medir las propiedades térmicas de materiales húmedos y porosos, e incluso puede medir la conductividad térmica y la resistividad térmica en fluidos.
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