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Mecanismos de Transferencia de Calor: Conducción Superficies extendidas (aletas) Ejercicio guiado 2 Curso de adaptación a Grado de Ingeniería Mecánica

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Page 1: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

Mecanismos de Transferencia de Calor: Conducción

Superficies extendidas

(aletas)

Ejercicio guiado 2

Curso de adaptación a Grado de Ingeniería Mecánica

Page 2: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

El vapor de un sistema de calefacción fluye por tubos cuyo

diámetro exterior es de 2,5 cm y cuyas paredes se mantienen a

180 C. Al tubo se le sujetan aletas circulares de la aleación de

aluminio (k = 186 /m ·C), de diámetro exterior de 5 cm y

espesor constante de 1 mm. El espacio entre las aletas es de 4

mm y, por tanto, se tienen 200 aletas por metro de longitud del

tubo. El calor se transfiere al aire circundante que está a T =

20 C, con un coeficiente de transferencia de calor de 50

W/m2·ºC.

Determine el aumento en la transferencia de calor desde el

tubo, por metro de longitud, como resultado de la adición de

las aletas

Enunciado

Page 3: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

La conductividad térmica del aluminio

es de kAl = 186 W/mºC

planteamiento

1. Dibuja el esquema del problema

2. Introduce las condiciones de

contorno y las propiedades de los

materiales y fluido

3. Dibuja el esquema del resistencias

térmicas

Rconv, int

Rcond, tubo

Rcond, aletas

Rconv, superficie

tubo

Rconv, superficie aletas

T

atm

T

atm

T

base

T

fluido

T tubo

interior

Page 4: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

Rconv, int

Rcond, tubo

Rcond, aletas

Rconv,

superficie tubo

Rconv, superficie

aletas

T atm

T atm

T base

T fluido

T tubo interior

planteamientoA pesar de plantear el esquema de

resistencias térmicas, no lo usaremos así.

Dividiremos el esquema en dos partes

T base

Parte 1: tubo.

Conocido el calor y la temperatura del

fluido, calculamos la temperatura en la

base de la aleta, que es la misma que

en el exterior del tubo

Parte 2: aletas y superficie del tubo.

A pesar de que no sabemos cuánto es

cada uno, el calor que sale por las aletas

más el que sale por la superficie del tubo

ha de sumar el calor total. Sale por

CONVECCION.

Page 5: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

Rconv, int

Rcond, tubo

Rcond, aletas

Rconv,

superficie tubo

Rconv, superficie

aletas

T atm

T atm

T base

T fluido

T tubo interior

planteamientoA pesar de plantear el esquema de

resistencias térmicas, no lo usaremos así.

Dividiremos el esquema en dos partes

T base

A pesar de que no sabemos cuánto es cada

uno, el calor que sale por las aletas más el que

sale por la superficie del tubo ha de sumar el

calor total. Sale por CONVECCION.

En este caso, dado que conocemos la

temperatura en la superficie exterior

del tubo, NO es necesario analizar

la primera parte, la del tubo

Page 6: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

1. Condiciones de operación estacionarias

2. El coeficiente de convección es constante y uniforme en toda las superficies de

las aletas

3. La conductividad térmica se mantienen constante

4. La transferencia de calor por radiación es despreciable.

planteamiento

4. Define las hipótesis

5. Identifica las cuestiones: ¿qué es lo

que se pide?

Calor transferido (por unidad de

longitud) sin aletas

Calor transferido (por unidad de

longitud) con aletasDado que se pide el calor por unidad de

longitud, podemos usar q/L o podemos

suponer que L=1m.

Page 7: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

sin aletas

)(aletassin aletassin TThAQ b

resolución

W31,628C)20180)(m 078,0)(C· W/m50()(

m 078,0)m 1)(m 025,0(

22

aletassin aletassin

2

1aletassin

TThAQ

LDA

b

6. Plantea la formulación del

esquema de resistencias del

circuito equivalente

En este caso, dado que

conocemos la temperatura en la

superficie del tubo, no es

necesario plantear la

conducción

Page 8: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

con aletas resolución

7. Plantea la formulación del

esquema de resistencias del

circuito equivalente

aletas laspor aletassin libre superficie lapor aletascon QQQ

W4,520

C)20180)(m 0628,0)(C· W/m50()(

m 0628,0m) 101200-m)(1 025,0(

boporción tu

22

_del_tubosuperficieboporción tu

23-

_______suptubo

Q

TThAQ

nbLD

AAA

b

b

aletaslasocupanquelotubodeltotalerficie

8. Si conocemos la geometría,

resolvemos el calor que se evacúa

por la superficie

Page 9: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

con aletas

1. Buscar gráficas de eficiencia de las aletas circulares (también llamadas

anulares)

Dichas gráficas piden calcular los siguientes parámetros para obtener

la eficiencia:

975.0

29,02

225,1

5,2

aletas

kb

hL

r

rL

CF

b

ext

resolución

9. Planteamos el calor evacuado por

las aletas. Para ello, lo primero es

calcular la eficiencia de UNA aleta

Page 10: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

brrrA bext 2

22

fin 2)(2

resolución

2. Calcular el área de la aleta. ¡No olvidar que cada aleta tiene 2 caras!

con aletas

W18,24

C)20180)(m 101,3)(C· W/m50(975,0

)(

232

aletaaletamaxaleta,aletaaleta TThAQQ b

3. Calcular el calor que sale por la área de cada aleta.

2322 m 101,3)001,0)(025,0(2)0125,0025,0(2

Page 11: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

W728.4

32,6284,356.5

incremento

aletassin aletastotal,incremento

Q

QQQ

En un metro caben 250 aletas. La razón de transferencia de calor total del tubo

aleteado se determina de forma:

W4,356.54,52018,24200tuboaletaaletastotal, QQnQ

resolucióncon aletas

10. Calcular el calor total teniendo en cuenta el

número total de aletas

11. Realizar la comparación entre ambos casos,

incluyendo porcentaje de incremento

Page 12: Eg035 conduccion superficies extendidas 2

www.mondragon.edu/muplus

gracias