Calor en aletas

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR[pic 1]

PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”

MARACAIBO

Examen II corte 20% - Calor en Aletas

Maracaibo, junio 2025

Desarrollo

1. Desarrolle los usos prácticos de elementos extendidos de transferencia de calor en la industria. 1 Puntos.

Los elementos extendidos de transferencia de calor, comúnmente conocidos como aletas, tienen un papel crucial en la eficiencia térmica de muchos procesos industriales. Su función principal es aumentar la superficie de contacto para mejorar la disipación o absorción de calor. Detro de los usos mas comunes se tienen:

Usos prácticos en la industria

Enfriadores de aire y condensadores

Las aletas se utilizan para transferir calor desde un fluido caliente (como agua o refrigerante) hacia el aire ambiente. Esto es común en sistemas HVAC, plantas petroquímicas y centrales eléctricas.

Evaporadores y refrigeradores en seco

En sistemas de refrigeración, las aletas permiten que el refrigerante absorba calor del entorno de manera más eficiente, acelerando el proceso de evaporación.

Intercambiadores de calor

Se emplean en intercambiadores de carcasa y tubos o de placas para mejorar la eficiencia térmica sin aumentar significativamente el tamaño del equipo.

Sistemas de secado industrial

En la industria alimentaria, textil y farmacéutica, las aletas ayudan a eliminar humedad de productos mediante transferencia de calor por convección.

Turbinas y motores térmicos

Las aletas disipan el calor generado por la fricción y la combustión, protegiendo componentes críticos y mejorando el rendimiento.

1. Clasifique los tipos de elementos extendidos de transferencia de calor. 1 Puntos.

1. Aletas longitudinales

Se extienden en línea recta desde superficies planas o cilíndricas, estos son comunes en radiadores y disipadores de calor. También pueden tener sección constante (rectangulares) o variable (cónicas).

2. Aletas radiales

Se colocan alrededor de superficies cilíndricas, como tubos o ejes, estas son utilizadas en motores, intercambiadores de calor y ventiladores industriales. Así mismo, estas distribuyen el calor de forma circular desde el centro hacia afuera.

3. Aletas tipo aguja

Tienen forma cónica o cilíndrica delgada y se usan cuando se requiere disipar calor en espacios reducidos o con flujo de aire direccional.

4. Aletas de espina o pin fin: Son pequeñas protuberancias distribuidas en una superficie y se usan en aplicaciones electrónicas y aeroespaciales por su alta eficiencia en poco espacio.

5. Aletas rectangulares o planas: tienen una sección transversal constante y son fáciles de fabricar y analizar, ideales para estudios académicos y aplicaciones estándar.

1. Explique los procedimientos analíticos para los cálculos de elementos extendidos de transferencia de calor para aletas infinitamente larga, aletas aisladas, aletas finitas. 1 Puntos 

Los procedimientos analíticos para calcular la transferencia de calor en aletas dependen de las condiciones de frontera y la geometría.

Aleta infinitamente larga

Supuestos:

• La aleta es tan larga que su extremo nunca alcanza la temperatura ambiente.
• La temperatura en el extremo tiende a la del fluido circundante.

Ecuación de temperatura:

[pic 2]

Tasa de transferencia de calor:

[pic 3]

2. Aleta de longitud finita con extremo aislado

Condición de frontera: No hay flujo de calor en el extremo (derivada de temperatura = 0).

Ecuación de temperatura:

[pic 4]

Tasa de transferencia de calor:

[pic 5]

Aleta de longitud finita con extremo convectivo

Condición de frontera: El extremo pierde calor por convección.

Ecuación de temperatura:

[pic 6]

Tasa de transferencia de calor:

[pic 7]

1. Explique por qué el cálculo de la eficiencia de la aleta para los diferentes casos. 1 Puntos

La eficiencia de una aleta se calcula para medir qué tan bien está funcionando en comparación con su rendimiento ideal. En otras palabras, responde a esta pregunta: ¿cuánto calor transfiere realmente la aleta frente a cuánto podría transferir si toda ella estuviera a la temperatura de la base?

¿Por qué es importante calcular la eficiencia?

Porque en la práctica, la temperatura de la aleta disminuye a lo largo de su longitud, lo que reduce su capacidad de transferir calor. La eficiencia nos ayuda a:

• Evaluar si una aleta está bien diseñada.
• Comparar distintos tipos de aletas.
• Optimizar el uso de material y espacio.

Fórmula general de eficiencia

𝜂=Calor real transferido por la aleta

Calor máximo posible si toda la aleta estuviera a 𝑇𝑏

Casos comunes y su eficiencia

Aleta infinitamente larga

• Tiene la eficiencia más baja.
• El extremo está tan lejos que su temperatura se aproxima a la del ambiente.
• Se usa como caso límite para simplificar cálculos.

Aleta finita con extremo aislado

• Tiene mayor eficiencia que la infinita.
• El extremo no pierde calor, lo que mejora el rendimiento global.
• Muy común en aplicaciones reales.

Aleta finita con extremo convectivo

• Es el caso más realista.
• El extremo también transfiere calor por convección.
• Su eficiencia depende del equilibrio entre conducción y convección en el extremo.

 ¿Qué afecta la eficiencia?

Longitud de la aleta: más larga no siempre es mejor.

Conductividad térmica del material: materiales como el cobre o aluminio mejoran la eficiencia.

Coeficiente de convección: si el fluido enfría bien, la aleta será más eficiente.

Forma geométrica: aletas delgadas y bien distribuidas suelen ser más efectivas.

1. Explique por qué el cálculo de la efectividad de la aleta para los diferentes casos. 1 Puntos

La efectividad de una aleta responde a una pregunta clave: ¿vale la pena usar una aleta en esta situación? Es decir, ¿realmente mejora la transferencia de calor en comparación con no usarla?

La efectividad

Se define como:

[pic 8]

Donde:

𝑞aleta: calor transferido con la aleta.

𝑞sin aleta=ℎ𝐴𝑏(𝑇𝑏−𝑇∞): calor que se transferiría solo con la base, sin aleta.

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