Aleta (superficie extendida)

Algunos elementos con aletas

En el estudio de la transferencia de calor , las aletas son superficies que se extienden desde un objeto para aumentar la tasa de transferencia de calor hacia o desde el entorno mediante el aumento de la convección . La cantidad de conducción , convección o radiación de un objeto determina la cantidad de calor que transfiere. Aumentar el gradiente de temperatura entre el objeto y el entorno , aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección o aumentar el área de superficie del objeto aumenta la transferencia de calor. A veces no es factible o económico cambiar las dos primeras opciones. Por lo tanto, agregar una aleta a un objeto aumenta el área de superficie y, a veces, puede ser una solución económica para los problemas de transferencia de calor.

Los disipadores de calor con aletas de una sola pieza se producen mediante extrusión , fundición , desbaste o fresado .

Caso general

Para crear una ecuación manejable para la transferencia de calor de una aleta, es necesario hacer muchas suposiciones:

1. Estado estable
2. Propiedades materiales constantes (independientes de la temperatura)
3. Sin generación de calor interno
4. Conducción unidimensional
5. Área de sección transversal uniforme
6. Convección uniforme en toda la superficie

Con estos supuestos, la conservación de la energía se puede utilizar para crear un balance energético para una sección transversal diferencial de la aleta: ^[1]

${\displaystyle {\dot {Q}}(x+dx)={\dot {Q}}(x)+d{\dot {Q}}_{conv}.}$

La ley de Fourier establece que

${\displaystyle {\dot {Q}}(x)=-kA_{c}\left({\frac {dT}{dx}}\right),}$

donde es el área de la sección transversal del elemento diferencial. Además, el flujo de calor convectivo se puede determinar mediante la definición del coeficiente de transferencia de calor h, ${\displaystyle A_{c}}$

${\displaystyle q''=h\left(T-T_{\infty }\right),}$

donde es la temperatura del entorno. El flujo de calor convectivo diferencial se puede determinar a partir del perímetro de la sección transversal de la aleta P, ${\displaystyle T_{\infty }}$

${\displaystyle d{\dot {Q}}_{conv}=Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.}$

La ecuación de conservación de energía ahora se puede expresar en términos de temperatura,

${\displaystyle -kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x+dx}=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x}+Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.}$

Reorganizando esta ecuación y utilizando la definición de la derivada se obtiene la siguiente ecuación diferencial para la temperatura,

${\displaystyle k{\frac {d}{dx}}\left(A_{c}{\frac {dT}{dx}}\right)-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0}$;

La derivada de la izquierda se puede expandir a la forma más general de la ecuación de fin,

${\displaystyle kA_{c}{\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}+k{\frac {dA_{c}}{dx}}{\frac {dT}{dx}}-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0.}$

El área de la sección transversal, el perímetro y la temperatura pueden ser funciones de x.

Área de sección transversal uniforme

Si la aleta tiene una sección transversal constante a lo largo de su longitud, el área y el perímetro son constantes y la ecuación diferencial para la temperatura se simplifica enormemente a

${\displaystyle {\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}={\frac {hP}{kA_{c}}}\left(T-T_{\infty }\right).}$

donde y . Las constantes y ahora se pueden encontrar aplicando las condiciones de contorno adecuadas. ${\displaystyle m^{2}={\frac {hP}{kA_{c}}}}$ ${\displaystyle \theta (x)=T(x)-T_{\infty }}$ ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

Soluciones

La base de la aleta se suele ajustar a una temperatura de referencia constante, . Sin embargo, existen cuatro posibles condiciones de la punta de la aleta ( ): la punta puede estar expuesta a transferencia de calor por convección, aislada, mantenida a una temperatura constante o tan alejada de la base que alcance la temperatura ambiente. ${\displaystyle \theta _{b}(x=0)=T_{b}-T_{\infty }}$ ${\displaystyle x=L}$

Para el primer caso, la segunda condición de contorno es que haya convección libre en la punta. Por lo tanto,

${\displaystyle hA_{c}\left(T(L)-T_{\infty }\right)=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x=L},}$

Lo cual se simplifica a

${\displaystyle h\theta (L)=-k\left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}.}$

Las dos condiciones límite ahora se pueden combinar para producir

${\displaystyle h\left(C_{1}e^{mL}+C_{2}e^{-mL}\right)=km\left(C_{2}e^{-mL}-C_{1}e^{mL}\right).}$

Esta ecuación se puede resolver para las constantes y para encontrar la distribución de temperatura, que se muestra en la siguiente tabla. ${\displaystyle C_{1}}$ ${\displaystyle C_{2}}$

Se puede utilizar un enfoque similar para hallar las constantes de integración para los casos restantes. Para el segundo caso, se supone que la punta está aislada, o en otras palabras, que tiene un flujo de calor de cero. Por lo tanto,

${\displaystyle \left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}=0.}$

En el tercer caso, la temperatura en la punta se mantiene constante, por lo que la condición de contorno es:

${\displaystyle \theta (L)=\theta _{L}}$

Para el cuarto y último caso, se supone que la aleta es infinitamente larga. Por lo tanto, la condición de contorno es:

${\displaystyle \lim _{L\rightarrow \infty }\theta _{L}=0\,}$

Finalmente, podemos utilizar la distribución de temperatura y la ley de Fourier en la base de la aleta para determinar la tasa general de transferencia de calor.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{total}}={\sqrt {hPkA_{c}}}(C_{2}-C_{1}).}$

Los resultados del proceso de solución se resumen en la siguiente tabla.

Actuación

El rendimiento de las aletas se puede describir de tres formas diferentes. La primera es la eficacia de las aletas. Es la relación entre la tasa de transferencia de calor de las aletas ( ) y la tasa de transferencia de calor del objeto si no tuviera aletas. La fórmula para esto es: ${\displaystyle {\dot {Q}}_{f}}$

${\displaystyle \epsilon _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{c,b}\theta _{b}}},}$

donde es el área de la sección transversal de la aleta en la base. El rendimiento de la aleta también se puede caracterizar por la eficiencia de la aleta. Esta es la relación entre la tasa de transferencia de calor de la aleta y la tasa de transferencia de calor de la aleta si toda la aleta estuviera a la temperatura base, ${\displaystyle A_{c,b}}$

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{f}\theta _{b}}}.}$

${\displaystyle A_{f}}$En esta ecuación, es igual al área de superficie de la aleta. La eficiencia de la aleta siempre será menor que uno, ya que si se supone que la temperatura en toda la aleta es la temperatura base, se incrementaría la tasa de transferencia de calor.

La tercera forma en que se puede describir el rendimiento de las aletas es mediante la eficiencia general de la superficie,

${\displaystyle \eta _{o}={\frac {{\dot {Q}}_{t}}{hA_{t}\theta _{b}}},}$

donde es el área total y es la suma de la transferencia de calor desde el área de la base sin aletas y todas las aletas. Esta es la eficiencia para una matriz de aletas. ${\displaystyle A_{t}}$ ${\displaystyle {\dot {Q}}_{t}}$

• 
  Disipador de calor de aluminio con aletas de enfriamiento de baja eficiencia
• 
  Disipador de calor de aluminio con aletas de refrigeración de alta eficiencia.

Aletas invertidas (cavidades)

Las cavidades abiertas se definen como las regiones formadas entre aletas adyacentes y representan los promotores esenciales de la ebullición nucleada o condensación. Estas cavidades se utilizan generalmente para extraer calor de una variedad de cuerpos generadores de calor. Desde 2004 hasta ahora, muchos investigadores se han visto motivados a buscar el diseño óptimo de las cavidades. ^[2]

Usos

Las aletas se utilizan con mayor frecuencia en dispositivos de intercambio de calor, como radiadores de automóviles, disipadores de calor de CPU de computadoras e intercambiadores de calor en plantas de energía . ^{[3] [4]} También se utilizan en tecnologías más nuevas, como las celdas de combustible de hidrógeno . ^[5] La naturaleza también ha aprovechado el fenómeno de las aletas; las orejas de las liebres y los zorros fénec actúan como aletas para liberar calor de la sangre que fluye a través de ellas. ^[6]

Referencias

1. Lienhard, John H. IV; Lienhard, John HV (2019). Un libro de texto sobre transferencia de calor (quinta edición). Mineola, NY: Dover Pub.
2. Lorenzini, G.; Biserni, C.; Rocha, LAO (2011). "Optimización geométrica de cavidades isotérmicas según la teoría de Bejan". Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa . 54 (17–18): 3868–3873. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.042.
3. "Máquina o maquinaria para fabricar aletas de radiador". FinTool International . Consultado el 18 de septiembre de 2006 .
4. "El diseño de intercambiadores de calor de Chart". Chart. Archivado desde el original el 11 de octubre de 2006. Consultado el 16 de septiembre de 2006 .
5. "VII.H.4 Desarrollo de un sistema de gestión térmica y hídrica para pilas de combustible PEM" (PDF) . Guillermo Pont . Consultado el 17 de septiembre de 2006 .
6. Hill, R.; Veghte, J. (1976). "Orejas de liebre: temperaturas superficiales y respuestas vasculares". Science . 194 (4263): 436–438. Bibcode :1976Sci...194..436H. doi :10.1126/science.982027. PMID  982027.

• Incropera, Frank ; DeWitt, David P.; Bergman, Theodore L.; Lavine, Adrienne S. (2007). Fundamentos de transferencia de calor y masa (6.ª ed.). Nueva York: John Wiley & Sons. págs. 2–168. ISBN 978-0-471-45728-2.