Rendimiento y eficiencia de las aletas

Last updated on marzo 13th, 2024 at 02:50 am

Las aletas se utilizan para mejorar la transferencia de calor en una superficie aumentándola para que se produzca la transferencia de calor. 

Se encuentran comúnmente en radiadores y serpentines de aire acondicionado, donde mejoran significativamente la disipación de energía térmica.

Para la transferencia de calor por convección desde una superficie, la ecuación controladora es

Q=h*A*(Ts-Tinf)

Donde Q es la tasa de transferencia de calor de una superficie a un fluido, h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, A es el área de contacto entre la superficie y el fluido, Ts es la temperatura de la superficie y Tinf es la temperatura del fluido.  

Mientras que la adición de una aleta a una superficie plana aumenta la superficie expuesta al fluido (A), cualquier material de esta que no tenga una conductividad térmica infinita provoca una caída de la temperatura a lo largo de la aleta. Esto disminuye la T sobre una porción de A. Además, la presencia de la aleta puede cambiar o interrumpir el flujo de fluido. Lo que puede disminuir el coeficiente de transferencia de calor por convección (h).  En un caso extremo, es posible incluso que la presencia de aletas disminuyala transferencia de calor de una superficie.  Por ello, es importante poder evaluar cuantitativamente el rendimiento de una aleta propuesta.

Medidas de rendimiento de las aletas

Hay dos medidas comunes para evaluar el rendimiento de las aletas.  La eficacia de la aleta se define como la relación entre la cantidad de calor que pasa a través de la aleta y la cantidad que se habría transferido sin esta:

εf = Qf /(h*Ab*(Ts-Tinf))

Donde Qf es la transferencia de calor real a través de la aleta, y Ab es la superficie ocupada por la base de la aleta.  Por supuesto, es deseable que la eficacia de las aletas sea lo más grande posible.  Una eficacia de las aletas superior a 2 es un requisito habitual para añadir aletas a una superficie.

Es útil considerar un ejemplo concreto de la eficacia de las aletas.  Para el caso particular de una aleta de sección transversal constante, y con la suposición de un coeficiente de transferencia de calor por convección igual para los casos con y sin aletas, y utilizando el resultado de Qf para una longitud de aleta infinita, se puede expresar así la eficacia de la aleta:

εf = (k*P/(h*Ab))^0.5

donde k es la conductividad térmica del material de la aleta, y P es el perímetro de la aleta que circunscribe el área de la sección transversal de la aleta (que es Ab, ya que estamos hablando de una aleta de sección transversal constante).

Obviamente, en este caso, la eficacia de la aleta aumenta en proporción directa a la conductividad térmica del material de la aleta.  El costo, la fabricabilidad, la durabilidad y otras consideraciones son importantes para el diseño. Pero estrictamente desde la perspectiva del rendimiento térmico, cuanto mayor sea la conductividad térmica de la aleta, mejor.  

Espesor de la aleta

De esta ecuación también se desprende que un valor grande de la relación P/Ab aumentará la eficacia de las aletas.  Las aletas finas suelen ser más convenientes que las gruesas.  Por último, nótese que el coeficiente de transferencia de calor por convección está en el denominador, lo que demuestra por qué la adición de aletas es más recomendable cuando el coeficiente de transferencia de calor es bajo, y para el lado del gas en los intercambiadores de calor de gas-líquido.

Una segunda medida para evaluar el rendimiento de las aletas es la eficiencia de las aletas.  Se define como la relación entre el flujo de calor real, y el flujo de calor máximo posible, a través de la aleta.  

ηf=Qf/Qmax

Donde Qmax, el máximo flujo de calor posible, se produciría si toda la superficie de la aleta estuviera a la temperatura de la base.  Para una aleta recta de sección transversal uniforme, la eficiencia de la aleta será 1 para una aleta de longitud cero (es decir, sin aleta en absoluto, por lo tanto, sin mejora de la transferencia de calor) y será 0 para una aleta de longitud infinita (es decir, una aleta con el potencial teórico, Qmax, de transferencia de calor infinita).  Las aletas reales y útiles estarán entre estos extremos de eficiencia.

De forma pragmática, la eficiencia de las aletas puede calcularse a partir de un análisis de transferencia de calor de una configuración de aletas concreta. Y luego se traza en función de los parámetros de diseño de las aletas.  El gráfico resultante se puede utilizar en el proceso de diseño de las aletas.

Eficacia y eficiencia de las aletas

La eficacia y la eficiencia de las aletas son dos formas muy diferentes, pero complementarias, de considerar el rendimiento de las aletas.  Para un diseñador de aletas, es importante tener en cuenta ambos indicadores al evaluar los atributos térmicos de la aleta.  Como se ha mencionado anteriormente, muchas consideraciones no térmicas pueden influir en gran medida en el diseño final.  Entre ellos se encuentran el costo, la durabilidad, la facilidad de fabricación, el peso, la resistencia al ensuciamiento, la compatibilidad con los fluidos y muchos otros.

Biografía 

James Stevens es profesor del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Colorado en Colorado Springs.  Su formación se centra en el análisis numérico y analítico de la transferencia de calor. Abarca tanto situaciones estables como transitorias con aplicaciones a la historia térmica, la respuesta térmica, la refrigeración electrónica, los perfiles de temperatura, el diseño térmico, la determinación del flujo de calor, etc. También trabaja en termodinámica aplicada con aplicaciones para las energías renovables, la climatización, los motores de aire, los nuevos motores térmicos, etc. Tiene más de 30 años de experiencia en la enseñanza superior impartiendo clases de pregrado y postgrado. Realiza investigaciones, desarrolla cursos y planes de estudio y asesora a los estudiantes.