Aletas para la Mejora de la Transferencia de Calor

1. Explicación de la Mejora y Disminución de la Transferencia de Calor por Aletas

La adición de **superficies extendidas**, conocidas como aletas, mejora la **transferencia de calor (Q)** al incrementar significativamente la **superficie de intercambio** disponible entre la superficie primaria y el medio circundante. Una **eficiencia** de aleta mayor que 1 indica que las aletas están mejorando la transferencia de calor.

Sin embargo, el uso de aletas solo se justifica si su **eficiencia** es mayor que 1, ya que esta es la única manera de compensar su coste. Por otro lado, si la eficiencia de una aleta es menor que 1, esta estaría afectando negativamente la transferencia de calor, ya que actuaría como un **aislante**, reduciendo la disipación térmica en lugar de aumentarla.

2. Condiciones para Transferencia de Calor Nula desde la Punta de una Aleta

El área de superficie de transferencia de calor de una aleta es igual a la suma de todas las superficies de las aletas expuestas al medio circundante, incluida la superficie de la punta de la aleta. Las condiciones bajo las cuales la transferencia de calor desde la punta de la aleta es cero o despreciable son:

• Para una **aleta infinitamente larga**: En este caso, la temperatura de la punta de la aleta se aproxima a la temperatura del medio ambiente, lo que resulta en una transferencia de calor nula.
• Para **puntas de aleta aisladas** (condición adiabática): No hay transferencia de calor a través de la punta debido al aislamiento.
• Cuando la **temperatura de la punta de la aleta es igual a la temperatura ambiente**, y por lo tanto, la transferencia de calor por convección y radiación es nula.
• Cuando la **temperatura de la aleta es uniforme y coincide con la temperatura del medio circundante** a lo largo de toda su longitud L.

3. Eficiencia y Efectividad de una Aleta

• La **eficiencia de la aleta** es la relación entre la **transferencia de calor real** desde la aleta y la **transferencia de calor ideal** que se produciría si toda la aleta estuviese a la temperatura de la base (Q_real / Q_ideal).
• La **efectividad de la aleta** es la relación entre la **transferencia de calor de la superficie con aletas** y la **transferencia de calor de la superficie sin aletas** (Q_aleta / Q_{sin aleta}).

4. Aletas Soldadas y Fundidas

Las **aletas fundidas** son generalmente consideradas mejores porque se comportan como una aleta **homogénea** del mismo material, asegurando una excelente **conductividad térmica** a lo largo de toda su estructura. En contraste, a las **aletas soldadas** se les añade un **material de aporte** para realizar la soldadura, y este material puede disminuir la conductividad térmica en la unión, lo que a su vez puede reducir la **eficiencia** global de la aleta.

Conducción de Calor Transitoria y Parámetros Adimensionales

1. El Número de Fourier y su Relación con el Tiempo

El **Número de Fourier (Fo)** es un **número adimensional** que caracteriza la **conducción de calor transitoria**. Representa la relación entre la **velocidad de conducción de calor** y la **velocidad de almacenamiento de energía** dentro de un cuerpo. Es directamente proporcional al tiempo, por lo que si el tiempo se duplica, el Número de Fourier también lo hará. Su fórmula es Fo = (α * t) / L², donde α es la **difusividad térmica**, t es el tiempo y L es la longitud característica.

2. Enfriamiento de Esfera y Cilindro de Igual Volumen

Considere una esfera y un cilindro de iguales volúmenes hechos de hierro, inicialmente a la misma temperatura y expuestos a convección en el mismo entorno. Para determinar cuál se enfría más rápido, analizamos sus áreas superficiales:

• Área superficial de una esfera (A_esfera) = 4πR²
• Área superficial de un cilindro (A_cilindro) = 2πRL + 2πR²

Si el calor transferido se define como Q = h * A_s * ΔT, y asumiendo que para volúmenes iguales el **cilindro** suele tener una **mayor área superficial (A_s)** expuesta al medio que la **esfera** (dependiendo de las dimensiones específicas del cilindro), entonces Q_cilindro > Q_esfera. Por lo tanto, el **cilindro se enfría más rápido** debido a su mayor superficie de contacto para la transferencia de calor.

3. El Número de Biot

El **Número de Biot (Bi)** es la razón de la **resistencia interna** de un cuerpo a la **conducción de calor** con respecto a su **resistencia externa** a la **convección de calor**. Un Número de Biot pequeño (Bi < 0.1) representa poca resistencia a la conducción de calor dentro del cuerpo, y por lo tanto, causa un **gradiente de temperatura** pequeño o despreciable dentro del mismo. Su fórmula es Bi = h * L_c / k, donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, L_c es la longitud característica y k es la conductividad térmica del material.

4. Análisis de Sistemas Concentrados

El **análisis de sistemas concentrados** (o de capacitancia global) se basa en la suposición de que la **temperatura interior** de un cuerpo permanece **uniforme** en todo momento y solo cambia con el tiempo. Este tipo de análisis se acepta solo si el **Número de Biot (Bi)** es menor o igual a 0.1, lo que indica que las resistencias a la conducción interna son despreciables en comparación con las resistencias a la convección externa.

y 4: Intercambiadores de Calor

1. Capacidad Calorífica en Intercambiadores de Calor

La **capacidad calorífica (C = ṁc_p)** de una corriente de fluido en un intercambiador de calor representa la **velocidad de transferencia de calor** necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1 ºC conforme fluye por el intercambiador. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de un fluido, menores serán los cambios de temperatura que experimentará para una cantidad de calor transferida dada.

Si los dos fluidos (caliente y frío) en un intercambiador de calor tienen la **misma capacidad calorífica (C_h = C_c)**, entonces los **cambios de temperatura** de ambos fluidos serán idénticos (ΔT_h = ΔT_c).

Una **capacidad calorífica de infinito** para un fluido en un intercambiador de calor significa que el fluido absorbe o libera una gran cantidad de calor a **temperatura constante** durante un **proceso de cambio de fase** (por ejemplo, ebullición o condensación). La razón de capacidad calorífica de un fluido durante un proceso de este tipo tiende al infinito porque el cambio en la temperatura (ΔT) es casi cero, mientras que la cantidad de calor transferido es significativa.

2. Diferencias entre Intercambiadores de Flujo Cruzado y Contraflujo

• El **intercambiador de calor de flujo cruzado** hace circular los fluidos de forma **perpendicular** entre sí.
• El **intercambiador de calor de contraflujo** hace circular los fluidos en **dirección contraria** entre sí, haciéndolos entrar por cada extremo opuesto del intercambiador.

Diferencia entre Flujos Mezclados y No Mezclados en Flujo Cruzado:

• El **flujo mezclado** tiene libertad para moverse en la dirección transversal al flujo principal.
• El **flujo no mezclado** está obligado por aletas o particiones a circular por un espacio definido entre ellas, lo que le impide su movimiento en la dirección transversal.

3. Función de los Separadores o Bafles en Intercambiadores de Carcasa y Tubo

Los **separadores o bafles** en un **intercambiador de calor de carcasa y tubo** se colocan de forma que fuerzan al fluido a moverse de forma **transversal** a los tubos. Esto tiene dos funciones principales:

• **Aumentar la transferencia de calor (Q)**: Al forzar al fluido a moverse en dirección transversal a la carcasa, se incrementa la turbulencia y se mejora el coeficiente de transferencia de calor.
• **Mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos**: Esto asegura la integridad estructural y un flujo adecuado.

La presencia de los bafles, si bien mejora la transferencia de calor, también **afecta las necesidades de potencia de bombeo** al aumentar la caída de presión del fluido a través del intercambiador.

4. Métodos de Análisis de Intercambiadores de Calor

Método LMTD (Diferencia de Temperatura Media Logarítmica):

Este método se utiliza principalmente para **seleccionar o diseñar un intercambiador de calor** que logre un **cambio de temperatura específico** de una corriente de fluido con masa conocida. Requiere conocer las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos.

Método NTU (Número de Unidades de Transferencia):

El **Método NTU** se emplea cuando se necesita conocer el **área de la superficie para la transferencia de calor**, pero se **ignoran las temperaturas de salida** de uno o ambos fluidos. Permite determinar el rendimiento del intercambiador con respecto a la transferencia de calor. La **efectividad energética** del intercambiador dependerá de su configuración geométrica. Para su aplicación, es fundamental conocer el **Número de Unidades de Transferencia (NTU)** y la relación de capacidades caloríficas.

5. Tipo de Intercambiador con Factor de Corrección F=1

Si el **Factor de Corrección F** (utilizado en el método LMTD para intercambiadores que no son de contraflujo puro) es igual a 1, el intercambiador de calor se comporta como un **intercambiador de contraflujo puro**. Si el factor F fuese menor que 1, indicaría que se trata de un intercambiador de **flujo cruzado** o de **carcasa y tubo de pasos múltiples**, donde la diferencia de temperatura media logarítmica debe ser corregida.