Computational study of transient conjugate conductive heat transfer in light porous building walls

Estudio computacional transiente de conducción conjugada en paredes de materiales porosos ligeros

El presente trabajo surgió originalmente como un proyecto de un curso de transferencia de calor para estudiantes de ingeniería en climatización. El objetivo del proyecto era introducir a los estudiantes al uso de una herramienta computacional comercial, ANSYS / Transient thermal, para analizar el proceso de transferencia de calor transiente en aplicaciones de su interés profesional. Detrás de este objetivo principal, hay una serie de atividades que condujeron a los estudiantes al aprendizaje de lecciones importantes relacionadas con simulación computacional: modelamiento matemático y físico, validación, medición de propiedades termofísicas y análisis de tamaño de malla. Específicamente, el trabajo trata de la simulación computacional del proceso transiente de enfriamiento de dos compuestos ligeros de construcción inicialmente a 20 ºC. El proceso de enfriamiento comienza al imponer condiciones de borde de tercera clase en las superfícies de las paredes compuestas. Las paredes compuestas están hechas de materiales ligeros: madera OSB y yeso cartón, cuyas propiedades térmicas pueden ser mejoradas embebiéndolas con materiales de cambio de fase (PCM). El coeficiente convectivo de transferencia de calor fue tomado de la Normativa chilena (Nch853-Of91) y algunas propiedades termofísicas fueron determinadas experimentalmente.

INTRODUCCIÓN

En el contexto de un curso de transferencia de calor de pregrado para la ingeniería HVAC-R (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado - Refrigeración), los estudiantes realizaron un proyecto de curso sobre varios temas relacionados con la transferencia de calor y las aplicaciones de HVAC. Uno de ellos fue el estudio del problema de transferencia de calor transitoria en una pared de un edificio, formada por dos tableros de virutas orientadas (OSB) o dos placas de yeso (PB) y una capa de espuma de poliestireno entre ellas. Esta aplicación se considera un proceso de transferencia de calor conjugado ya que existe una discontinuidad en las interfaces de los materiales originada por las diferentes propiedades termofísicas [1].

La implementación y enseñanza de herramientas computacionales para simular problemas de conducción de calor transitorios unidimensionales han sido señalados en trabajos anteriores [2-4]. Antes de la modelación y las simulaciones computacionales, es importante que los estudiantes reconozcan la normativa nacional chilena que regula los procedimientos para calcular las resistencias térmicas de los elementos constructivos, especialmente en las envolventes térmicas, como paredes, techos y pisos que son elementos constructivos cuya funcionalidad es separar dos ambientes diferentes.