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  • Aletas 


 

 

 DISIPACIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE ALETAS

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

                      

 

 

 Objeto: 

Analizar el comportamiento de una aleta recta de sección constante sometida a convección-radiación. Obtener el perfil de temperaturas longitudinal en la aleta y compararlo con los resultados teóricos. Calcular el flujo de calor transmitido así como la eficiencia de aleta.

Material:

El banco de ensayo es de diseño propio, y está compuesto por una varilla recta de aleación de aluminio de 350 mm de longitud efectiva y 10 mm de diámetro que está calefactada en uno de sus extremos (base de la aleta) por una resistencia eléctrica. La varilla simula una aleta en forma de aguja cilíndrica que se encuentra en posición horizontal, suspendida en voladizo desde el extremo calentado. Un ventilador de flujo variable permite modificar el valor del coeficiente de convección en la superficie de la aleta.

La potencia suministrada a la resistencia eléctrica puede variarse mediante un reóstato, por lo que se pueden obtener distintas temperaturas en la base de la aleta.

Las temperaturas en distintos puntos de la aleta y la temperatura ambiente se miden mediante termopares tipo K conectados al instrumento de medida. En este caso el instrumento utilizado es un data-logger que permite la transmisión de datos a un PC, en el que de manera gráfica se pueden observar la evolución de las temperaturas en tiempo real, y determinar el instante a partir del cual el régimen se puede considerar permanente.

Se dispone de seis termopares en la varilla espaciados cada 7 cm, que toman la temperatura superficial de la aleta. Para asegurar un buen contacto térmico termopar-varilla se ha utilizado pasta térmica de transmisión del calor. Hay además un termómetro adicional para medir la temperatura ambiente.

Fundamento teórico:

Las aletas son superficies adicionales o extendidas que se instalan para incrementar el flujo calorífico desde un determinado componente hacia el medio que le rodea. Sobretodo se utilizan cuando el coeficiente de convección (h) entre el sólido y el medio fluido es bajo, caso éste muy habitual en la transmisión de calor a gases y muy especialmente cuando se utiliza la convección natural.

El bajo coeficiente de película se compensa con un aumento en el área expuesta al fluido.

Las formas que adoptan las aletas son muy variadas, y dependen en gran medida de la morfología del sólido y de la aplicación concreta. La aleta se denomina "aguja" o "pin" cuando la superficie extendida tiene forma cónica o cilíndrica. La expresión "aleta longitudinal" se aplica a superficies adicionales unidas a paredes planas o cilíndricas. Las "aletas anulares" van unidas coaxialmente a superficies cilíndricas (tuberías generalmente).

Al colocar aletas sobre una superficie primaria, la temperatura superficial media del conjunto resulta ser menor, por lo que al reducir la diferencia media de temperatura entre la superficie y el fluido, puede ocurrir que el aumento de superficie no produzca un incremento notable en el flujo de calor disipado o incluso que éste disminuya, es decir, que las aletas aíslen térmicamente la superficie. Resulta importante pues, determinar el campo de temperaturas resultante al instalar las aletas.

Método operativo:

Conectar la alimentación eléctrica y ajustar los reóstatos a la posición deseada. Dejar transcurrir el tiempo necesario hasta que todas las temperaturas sean estables, es decir, hasta que se alcance el régimen permanente en la transmisión del calor. Se pueden ahora anotar las temperaturas en los distintos puntos de la aleta y la temperatura ambiental. Repetir el ensayo a otra temperatura de base en la aleta o con convección forzada.

Datos útiles:

- Material de la aleta: Aleación de aluminio

- Diámetro, D: 10 mm

- Longitud, L: 350 mm

- Conductividad térmica, k: 164 W/mºC

- Coeficiente medio de convección o de película - h - para aire en calma :

Experimentalmente se ha comprobado que 12 < h < 15 W/m2 ºC. Este coeficiente es en realidad de convección-radiación. Se puede despreciar la convección en el extremo (he ), puesto que la aleta tiene el extremo aislado.

Trabajo de gabinete

Realizar el informe del ensayo según las normas generales de los siguientes apartados:.

Estimar el coeficiente de convección medio (h) al que está sometida la aleta.

Representar en una gráfica el perfil de temperaturas obtenido y el perfil de temperaturas calculado mediante las expresiones de:

a) Aleta aislada en el extremo.

b) Aleta de longitud infinita. Determinar el error máximo (e%) cometido respecto del caso anterior.¿Qué longitud mínima debería tener la aleta para poder considerarla en la práctica como aleta de longitud infinita?

Nota: el empleo de calculadoras programables o con funciones hiperbólicas simplificará mucho el trabajo.

Calcular analíticamente el calor transmitido por la aleta. Suponer extremo aislado.

a) Calor disipado en toda la aleta.

b) Calor disipado en los últimos 17'5 cm de aleta.

c) Calor disipado en los primeros 17'5 cm de aleta.

Para el apartado b), obtener también la solución por métodos gráficos, trazando la recta tangente y calculando su pendiente en el punto solicitado de la curva de perfil de temperaturas (derivada).

Calcular analíticamente el rendimiento de la aleta (ha ) y el valor del coeficiente de disipación (e). Comparar los resultados con los obtenidos a través de las gráficas disponibles en el anexo. Para obtener altos coeficientes de disipación, ¿cómo interesa que sean los valores de k y de h?

Calcular por integración gráfica la diferencia de temperatura media entre la aleta y el ambiente. Comparar este resultado con el obtenido utilizando la expresión de ha

Calcular por métodos numéricos (aproximación por diferencias finitas), las temperaturas en los nodos 2, 3, y 4 y el calor transmitido en los últimos 6 cm de aleta. Tomar como dato la temperatura en x= 29 cm.

Utilizar también el método analítico, y determinar el error cometido (e %) en el cálculo del calor disipado.

 

Práctica Virtual:

Hay posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica.

 

                      

 

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José A. Millán