Guía de arena de relleno térmico para cables y resistividad térmica
¿Por qué es importante la arena de relleno térmico en los cables eléctricos subterráneos? Explicamos la resistividad térmica, la idoneidad de la sílice/cuarzo, el factor crítico de la humedad, el riesgo de dry-out y el ensayo IEEE 442.
El funcionamiento seguro y eficiente de los cables eléctricos subterráneos depende de lo bien que el material de relleno que los rodea conduzca el calor. Los cables se calientan al transportar corriente; si ese calor no se evacúa con rapidez, el cable se sobrecalienta, su capacidad (ampacidad) disminuye e incluso su vida útil se acorta. Es aquí donde entran en juego la arena de relleno térmico y su propiedad más importante: la resistividad térmica. En este artículo explicamos qué es la resistividad térmica, por qué la arena de sílice/cuarzo es adecuada para esta función y el factor crítico de la humedad.
¿Qué es la resistividad térmica?
La resistividad térmica (thermal resistivity) es la medida de la resistencia que ofrece un material al flujo de calor y se expresa en K·m/W (o °C·m/W). Cuanto más bajo es el valor, mejor conduce el material el calor; es decir, más rápido evacúa el calor del cable. Por eso, en el relleno de cables se busca una resistividad térmica baja.
La resistividad térmica es la inversa de la conductividad térmica (λ, W/m·K). Por ejemplo, una resistividad de 0,5 K·m/W corresponde a una conductividad de 2,0 W/m·K. Como referencia, la resistividad térmica del agua en reposo es de aproximadamente 1,65 K·m/W, mientras que la del aire es de unos 40 K·m/W; esta gran diferencia explica por qué la cuestión de la humedad, que veremos enseguida, es tan importante.
¿Por qué es adecuada la arena de sílice/cuarzo?
El mineral de cuarzo posee una conductividad térmica alta entre los materiales naturales; conduce el calor mucho mejor que el feldespato o la arcilla. Por eso, la arena de sílice y cuarzo con alto contenido de SiO₂ es un material físicamente adecuado para el relleno térmico de cables. Además, una arena bien graduada (con una distribución granulométrica amplia), al compactarse, hace que los granos encajen mejor entre sí, se reduzcan los huecos y aumente la conducción de calor.
Sin embargo, hay un detalle crítico: el rendimiento térmico de la arena no se manifiesta en estado seco o suelto, sino en estado húmedo y compactado.
Factor crítico: humedad y compactación
El rendimiento de la arena seca es engañoso. Los huecos entre los granos de la arena seca están llenos de aire, y la resistividad térmica del aire es muy alta. Por eso la arena seca no conduce bien el calor: su resistividad térmica aumenta. Cuando la arena se humedece, el agua llena los huecos entre los granos formando puentes térmicos, y la resistividad disminuye considerablemente. La compactación refuerza el mismo efecto al reducir los huecos; de hecho, la resistividad baja a medida que la arena se compacta.
Aquí existe un riesgo importante denominado "secado térmico" (thermal dry-out): cuando el cable se calienta, puede expulsar la humedad de la arena que lo rodea. Al secarse la arena, su resistividad aumenta, lo que provoca más calentamiento y más secado; si no se controla, puede formarse un círculo vicioso conocido como "fuga térmica" (thermal runaway). Por eso, los proyectos serios evalúan conjuntamente la resistividad del relleno en estado seco y húmedo, junto con una densidad de referencia.
¿Cómo se ensaya?
Para poder garantizar que una arena cumple un determinado valor de resistividad térmica (por ejemplo, 0,5 K·m/W) es necesario medirla. El método estándar es el ensayo de sonda de aguja térmica (thermal needle probe) según IEEE 442 y ASTM D5334. Este ensayo se realiza con humedad y densidad controladas, y con frecuencia se obtiene una "curva de secado térmico" (relación humedad–resistividad). Es decir, para poder afirmar que una arena "cumple 0,5", debe especificarse en qué condiciones de humedad y compactación se obtuvo ese valor.
Cuando se exige garantía en seco: relleno estabilizado
En proyectos críticos donde el valor debe garantizarse también en condiciones secas, independientemente de la humedad, entra en escena el relleno térmico estabilizado (ligado con cemento). Esta solución, conocida como relleno térmico fluido (FTB), es una mezcla vertible como el hormigón compuesta de árido, arena, una pequeña cantidad de cemento, agua y fluidificante. Se asienta sin necesidad de compactación y proporciona una resistividad térmica baja y estable. En este tipo de relleno, el material base sigue siendo la arena de sílice/cuarzo.
Puede consultar las propiedades generales de la arena de sílice y cuarzo en nuestros artículos sobre arena de sílice y arena de cuarzo.
Conclusión
En resumen, el objetivo de la arena de relleno térmico es evacuar rápidamente el calor del cable, y su medida es una resistividad térmica baja. La arena de sílice/cuarzo con alto contenido de SiO₂ y bien graduada es un material adecuado para esta función; sin embargo, la resistividad objetivo solo puede garantizarse en las condiciones correctas de humedad y compactación, junto con la medición. Para definir la solución de relleno térmico adecuada a su proyecto, puede ponerse en contacto con nosotros.