Midiendo flujos de calor

Han transcurrido cientos de años desde que el ser humano comenzó a realizar mediciones, utilizando métodos rudimentarios como la comparación entre objetos.

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Por: Dr. Manuel H. De la Torre Ibarra

Han transcurrido cientos de años desde que el ser humano comenzó a realizar mediciones, utilizando métodos rudimentarios como la comparación entre objetos. Desde entonces las técnicas para medir han evolucionado y se han perfeccionado de tal manera, que en la actualidad es posible medir desde distancias subatómicas, hasta separaciones estelares de millones de años luz.

Sin embargo, aunque las técnicas de medición usadas regularmente cumplen su objetivo básico, algunas de ellas son limitadas si se busca realizar mediciones de mayor exactitud. Por ejemplo, para medir un flujo de calor. Este último es el que observamos que se forma por una flama o mortero cuando están encendidos. En este tipo de flujos de calor, las imágenes térmicas se ven comprometidas, ya que al tratarse de un gas en combustión el calor no se refleja como lo haría en un sólido. Por otro lado, si esa misma medición se hace empleando equipo electrónico equipado con sensores cerámicos o de fibra (que pueden ser tan pequeños como un grano de arroz), la medición se obtiene de forma puntual a medida que se colocan en distintas partes de la flama. Pero su exactitud depende mucho de la habilidad del operador del equipo para colocarlos dentro de la flama.

En este contexto, en el laboratorio de Metrología Óptica del Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (CIO) Unidad Aguascalientes (figura 1), se ha desarrollado un sistema óptico que hace posible medir un flujo de calor en campo completo, a través de una imagen. Este sistema permite medir la temperatura en el flujo y además ver la forma que adquiere en distintos momentos. La alta resolución en la imagen que se obtiene, es posible gracias al uso de un haz láser de alta potencia que atraviesa dicho flujo.

Este arreglo óptico representa un gran avance en la aplicación de técnicas ópticas en la industria, pues al tratarse de una prueba óptica, resulta ser no invasiva y no destructiva, además, con este sistema se pueden efectuar mediciones de forma remota, lo que constituye una ventaja, ya que no desvía o perturba el flujo de calor.

Una ventaja adicional es que se puede realizar el post-procesamiento de los resultados obtenidos del flujo y con base en ello, obtener otra clase de información de gran utilidad y relevancia como son: las zonas de concentración de calor, forma, velocidad, etc., la cual sería imposible recabar si se usaran las técnicas clásicas de visualización de flujo como la técnica Schlieren (por citar un ejemplo) que tiene más de 100 años de haber sido inventada. De ahí la importancia de seguir impulsando la investigación en metrología óptica para áreas clásicas de la ingeniería, que al ser desarrolladas permiten nuevas aplicaciones en análisis de propagación térmica en combustibles no fósiles alternativos, disipación de calor en celdas fotovoltaicas de nueva generación, etc.

El sistema óptico propuesto en el CIO es un interferómetro que usa un haz laser dividido en dos caminos. Uno de ellos es el que viaja a través del flujo mientras que el segundo llega sin perturbaciones a un sensor. En el sensor se miden estas diferencias y se pueden expresar como cambios de temperatura. El interferómetro puede medir en áreas grandes, manteniendo una resolución micrométrica, lo que permite analizar con detalle flujos complejos y sus interacciones. Adicionalmente, se han estudiado reacciones químicas en donde se libera CO2, así como cambios de temperatura en líquidos.

La información recabada ha servido para observar la interacción de medios con distinta viscosidad y densidad. De acuerdo con los resultados obtenidos, se tiene una expectativa bastante positiva del impacto que tendría este sistema en el futuro al usarse en áreas como biología, medicina e ingeniería.

Figura 1. Arreglo experimental en el Laboratorio de Metrología Óptica de la Unidad Aguascalientes.

Figura 2. Imagen interferométrica en alta definición del flujo calorífico emitido por una lámpara de alcohol.

El Dr. Manuel H. De la Torre Ibarra es investigador en el Centro de Investigaciones en Óptica A.C. (CIO) especializado en pruebas ópticas no destructivas usando interferometría en materiales biológicos y artificiales. Pertenece al sistema nacional de investigadores (SNI) nivel II. Es editor asociado de la revista applied optics de la Optica publishing group.

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