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Aletas

Date post: 17-Feb-2016
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Description:
Aletas Transferencia de Calor
Popular Tags:
32
Centro de Estudios Energéticos Departamento de Ingeniería Mecánica Dirección de Investigación y Postgrado UNEXPO Vicerrectorado de Puerto Ordaz Transferencia de Calor Avanzada Conducción Unidimensional Estacionaria. Hay dos forma de incrementar la transferencia de calor a través de una superficie; una es aumentando el coeficiente de convección y la otra es aumentando el área de la superficie convectiva, siendo ésta última normalmente la más conveniente. El aumento del área convectiva se logra con aletas (ver Figura) o superficies extendidas. Aletas.
Transcript
Page 1: Aletas

Cen

tro

de E

stud

ios

Ener

gétic

osD

epar

tam

ento

de

Inge

nier

ía M

ecán

ica

Dire

cció

n de

Inve

stig

ació

n y

Post

grad

oU

NEX

PO V

icer

rect

orad

o de

Pue

rto

Ord

az

Tran

sfer

enci

a de

Cal

or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.

Hay

dos

form

a de

incr

emen

tar l

a tra

nsfe

renc

ia d

e ca

lor a

trav

és d

e un

a su

perfi

cie;

una

es

aum

enta

ndo

el c

oefic

ient

e de

con

vecc

ión

y la

otra

es

aum

enta

ndo

el á

rea

de la

sup

erfic

ie c

onve

ctiv

a, s

iend

o és

ta ú

ltim

a no

rmal

men

te la

más

con

veni

ente

. El a

umen

to d

el á

rea

conv

ectiv

a se

lo

gra

con

alet

as (v

er F

igur

a) o

sup

erfic

ies

exte

ndid

as.

Ale

tas.

Page 2: Aletas

Cen

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Ener

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ento

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nier

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Dire

cció

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stig

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n y

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grad

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NEX

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rect

orad

o de

Pue

rto

Ord

az

Tran

sfer

enci

a de

Cal

or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.A

leta

s.Pa

ra o

bten

er la

ecu

ació

n ge

nera

l de

la a

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, se

cons

ider

ará:

-R

égim

en tr

ansi

torio

.

-G

ener

ació

n de

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or u

nifo

rme.

-El

esp

esor

de

la a

leta

es

pequ

eño

en c

ompa

raci

ón c

on s

u lo

ngitu

d (n

o ha

y gr

adie

ntes

de

tem

pera

tura

en

la s

ecci

ón

trans

vers

al d

e la

ale

ta).

La e

cuac

ión

de e

nerg

ía p

ara

éste

ca

so e

s:

Tx

TA

hQ

sc

)(

xQ

xx

Q

QtT

mc v

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o de

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rto

Ord

az

Tran

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enci

a de

Cal

or A

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Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.A

leta

s.T

xT

Ah

Qs

c)

(

xQ

xx

QAl

apl

icar

la e

cuac

ión

de e

nerg

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l ele

men

to d

ifere

ncia

l, se

tien

e:

xA

qQ

QQ

tTxc

Ac

xx

xp

'

Aq

xT

TA

hx

QQ

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sx

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p'

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xAT

Th

dxQdtT

Acs

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'

Aq

TT

dxdsP

hdxdT

kAdxd

tTAc

p'

xsP

xA s

x

ys

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naria

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leta

s.

TT

TT o

TT

Aq

dxdsP

hdxd

kAdxd

tAc

op

'

En te

rmin

o de

la te

mpe

ratu

ra a

dim

ensi

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:

Para

est

ado

esta

cion

ario

, la

ecua

ción

se

redu

ce a

:

TT

Aq

dxdsP

hdxd

kAdxd

o

'

Para

est

ado

esta

cion

ario

y s

in

gene

raci

ón d

e ca

lor s

e tie

ne:

0dxds

Ph

dxdkA

dxd

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Uni

dim

ensi

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Est

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naria

.A

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s.Pa

ra e

stad

o es

taci

onar

io, s

in g

ener

ació

n de

cal

or, c

on s

ecci

ón tr

ansv

ersa

l y

cond

uctiv

idad

con

stan

te, s

e tie

ne:

02

2

kAPh

dxd

Con

dici

ones

de

Bord

e pa

ra a

leta

s:

-CB

en la

bas

e (x

= 0

):

1)0

()0

(x

óT

xT

o

-CB

en la

pun

ta (x

= L

): En

est

e ca

so s

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esen

tan

cuat

ro (4

) tip

os,

que

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ale

ta c

on te

mpe

ratu

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efin

ida,

ale

ta in

finita

, ale

ta

adia

bátic

a y

alet

as c

onve

ctiv

a.

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s.

0)

()

(x

óT

xT

* Ale

ta in

finita

men

te la

rga

(

)

:L

00

Lx

Lx

dxdó

dxdT* A

leta

adi

abát

ica

en la

pun

ta:

Lx

Lx

Lx

Lx

hdxd

TT

hdxdT

k

* Ale

ta c

onve

ctiv

a en

la p

unta

:

* Te

mpe

ratu

ra e

n la

pun

ta:

TT

TT

Lx

óT

Lx

ToL

LL

)(

)(

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or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

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Est

acio

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.A

leta

s co

n Se

cció

n Tr

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ersa

l Con

stan

te.

Las

alet

as d

e se

cció

n tra

nsve

rsal

con

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te s

on

com

o la

s m

ostra

da e

n la

Fi

gura

. La

ecua

ción

di

fere

ncia

l de

éste

tipo

de

alet

a es

:

02

2

kAPh

dxd

Hac

iend

o:

kAPh

20

22

2 dxd

)(2

tw

Pwt

A

DP

2

4D

A

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Ord

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a de

Cal

or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.A

leta

s co

n Se

cció

n Tr

ansv

ersa

l Con

stan

te.

xc

xc

óe

ce

cx

xco

shse

nh2

12

1

Lueg

o:

La s

oluc

ión

de é

sta

ecua

ción

tien

e la

form

a:

Para

el a

nális

is d

e la

ale

ta in

finita

men

te la

rga,

se

aplic

an la

s si

guie

ntes

co

ndic

ione

s de

bor

de:

11

10

21

)0(2

)0(1

cc

ec

ec

x

00

02

)(

2)

(1

ce

ce

cx

11c

Ento

nces

:x

o

xe

TT

TT

óe

Not

a:

2se

nhx

xe

ex

2co

shx

xe

ex

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onal

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n Tr

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l Con

stan

te.

El fl

ujo

de c

alor

se

pued

e ca

lcul

ar p

or:

En té

rmin

o de

la v

aria

ble

de te

mpe

ratu

ra a

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ensi

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:

Ento

nces

, par

a la

ale

ta d

e se

cció

n co

nsta

nte

el fl

ujo

de c

alor

ser

á:

Lx

Ax

fT

TAh

dAT

Th

dxdTkA

Qs

0

Con

ducc

ión

en la

bas

eC

onve

cció

nLa

tera

l

Con

vecc

ión

en la

pun

ta

Lx

oA

ox

of

AhT

TdA

hT

Tdxd

kAT

TQ

s0

kAhP

TT

kAT

TkA

Qo

of

TT

hkA

PQ

of

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ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.A

leta

s co

n Se

cció

n Tr

ansv

ersa

l Con

stan

te.

La s

oluc

ión

para

los

otro

s tip

os d

e al

etas

, es:

* Ale

ta c

on T

empe

ratu

ra e

n la

pun

ta:

L

xL

xT

TT

T

TT

TT

oL

ose

nh

senh

senh

LT

TT

TL

TT

hkA

PQ

oL

of

senh

cosh

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l Con

stan

te.

* Ale

ta a

diab

átic

a en

la p

unta

:

,co

shco

shL

xL

TT

TT o

LT

Th

kAP

Qo

fta

nh

* Ale

ta c

onve

ctiv

a en

la p

unta

:

Lk

hL

xL

kh

xL

TT

TT o

senh

/co

shse

nh/

cosh

Lk

hL

Lk

hL

TT

hkA

PQ

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senh

/co

shco

sh/

senh

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n Tr

ansv

ersa

l Var

iabl

e.A

nális

is d

e un

a al

eta

anul

ar :

0kP

hdxd

Adxd

La e

cuac

ión

dife

renc

ial q

ue s

e de

be re

solv

er e

s:

xP

xtA

4,

21R

2R

L

t

xdx

Don

de:

Lueg

o:

02

xkth

dxdx

dxd

Hac

iend

o:

02

22

xdxd

xdxd

kth

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l Var

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ecu

ació

n di

fere

ncia

l ant

erio

r es

un ti

po d

e ec

uaci

ón d

e B

esse

l, cu

ya fo

rma

gene

ral e

s la

si

guie

nte:

1R2

R

L

t

xdx

La s

oluc

ión

de la

ecu

ació

n an

terio

r tie

ne d

os

form

a, s

egún

sea

el v

alor

del

term

ino

(-

+2):

Solu

ción

par

a el

cas

o de

que

-

+2 0

:

02 x

dxdx

dxd

1

22

1

11

xY

Cx

YC

x

21

,2

2,

21

Don

deY

1y

Y2

son

func

ione

s de

Bes

sel y

las

cons

tant

e y

son:

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ducc

ión

Uni

dim

ensi

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Est

acio

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.A

leta

s co

n Se

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n Tr

ansv

ersa

l Var

iabl

e.Se

gún

los

valo

res

y, s

e tie

ne:

Las

func

ione

s de

Bes

sel e

stán

exp

resa

das

en té

rmin

os d

e se

ries:

Y 1Y 2

Real

Frac

ción

JJ -

(ó Y

)C

ero

o en

tero

JY

Imag

inar

ioFr

acci

ónI

I -(ó

K)

Cer

o o

ente

roI

K

0

2

2)1

(!

1)1

()

(k

kk

xk

kx

J

Don

de:

ente

ron

Para

nn

nn

1!0

)1(,!

)(

)1(

frac

ción

Para

sen

)(

, )(

)1(

)(

21

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vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

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Est

acio

naria

.A

leta

s co

n Se

cció

n Tr

ansv

ersa

l Var

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e.Ta

mbi

én:

Por o

tra p

arte

:

,2

)1(

!1

)1(

)(

0

2

k

kk

xk

kx

J0

2

2)1

(!

1)

(k

kx

kk

xI

,)

()

()

()

cos(

)(

sen

xJ

xJ

xY

)(

)(

)(

2)

(se

nx

Ix

Ix

K

)(

)(

)(

)(

)(

)1(

)(

)(

)1(

)(

xI

xI

xK

xK

xY

xY

xJ

xJ

nn

nn

nn

n

nn

n

dxduu

Ku

Ku

Kdxd

dxduu

Iu

Iu

Idxd

dxduu

Yu

Yu

Ydxd

dxduu

Ju

Ju

Jdxd

u

uuu

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

1

111

Don

den

es u

n en

tero

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or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

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Est

acio

naria

.A

leta

s co

n Se

cció

n Tr

ansv

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l Var

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e.Lo

s Va

lore

s nu

mér

icos

de

las

func

ione

s de

Bes

sel:

xJ o(

x)J 1(

x)0,

001,

0000

0,00

000,

100,

9975

0,04

990,

200,

9900

0,09

950,

300,

9776

0,14

830,

400,

9604

0,19

600,

500,

9385

0,24

230,

600,

9120

0,28

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s U

nidi

men

sion

al.

El fl

ujo

de c

alor

en

la a

leta

se

pued

e co

nsid

erar

un

idim

ensi

onal

si q

x>>

q y.

Esto

se

logr

a si

ocu

rre q

ue: 1

tanh

LhAkP

qyq

xq

Para

el c

aso

de u

na a

leta

de

secc

ión

rect

angu

lar c

onst

ante

, sol

o es

ne

cesa

rio q

ue:

1kht

Y si

la a

leta

de

secc

ión

circ

ular

con

stan

te, e

nton

ces

se d

ebe

cum

plir:

1khD

Page 23: Aletas

Cen

tro

de E

stud

ios

Ener

gétic

osD

epar

tam

ento

de

Inge

nier

ía M

ecán

ica

Dire

cció

n de

Inve

stig

ació

n y

Post

grad

oU

NEX

PO V

icer

rect

orad

o de

Pue

rto

Ord

az

Tran

sfer

enci

a de

Cal

or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.D

esem

peño

de

las

Ale

tas.

El d

esem

peño

de

una

alet

a se

mid

e m

edia

nte

la e

fect

ivid

ad o

la e

ficie

ncia

.

TT

Ah

Q ob

ff

Don

deA

bes

el á

rea

cond

uctiv

a en

la b

ase

de la

ale

ta.

Des

de e

l pun

to d

e vi

sta

en in

geni

ería

el u

so d

e al

eta

se ju

stifi

ca s

i f>

2.D

e la

ecu

ació

n de

efe

ctiv

idad

se

pued

e de

mos

trar q

ue:

Efec

tivid

ad:E

s la

razó

n en

tre la

tran

sfer

enci

a de

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or q

ue d

isip

a la

ale

ta

y la

tran

sfer

enci

a de

cal

or q

ue d

isip

aría

la s

uper

ficie

sin

la a

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. Est

o es

:

alet

ala

deco

nduc

tiva

Res

ist.

alet

asi

nsu

perfi

cie

lade

conv

ectiv

aR

esist

.1

,, cond

t

conv

t

f

o

bf

RR

QT

TA

h

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Cen

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de E

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ios

Ener

gétic

osD

epar

tam

ento

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Inge

nier

ía M

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ica

Dire

cció

n de

Inve

stig

ació

n y

Post

grad

oU

NEX

PO V

icer

rect

orad

o de

Pue

rto

Ord

az

Tran

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a de

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or A

vanz

ada

Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

onal

Est

acio

naria

.D

esem

peño

de

las

Ale

tas.

bf

tf

o

Ah

RQ

TT

1

Sim

ilarm

ente

, par

a la

ale

ta a

diab

átic

a, la

efe

ctiv

idad

ser

á:

0Tf

QT

bf

Ah1

TT

Ah

LT

Th

kAP

o

of

tanh

LA

hkPf

tanh

La e

fect

ivid

ad p

ara

la a

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infin

itaes

:

TT

Ah

TT

hkA

P

o

of

AhkP

f

Elci

rcui

to té

rmic

o de

la a

leta

en té

rmin

o de

la e

fect

ivid

ad e

s:

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Cen

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de E

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gétic

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nier

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ica

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cció

n de

Inve

stig

ació

n y

Post

grad

oU

NEX

PO V

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rect

orad

o de

Pue

rto

Ord

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Tran

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a de

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or A

vanz

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Con

ducc

ión

Uni

dim

ensi

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Est

acio

naria

.D

esem

peño

de

las

Ale

tas.

Efic

ienc

ia:S

e de

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com

o la

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n en

tre la

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enci

a de

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que

disi

pa la

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ta y

la m

áxim

a tra

nsfe

renc

ia d

e ca

lor q

ue é

sta

podr

ía

disi

par.

La m

áxim

a tra

nsfe

renc

ia d

e ca

lor s

e lo

grar

ía s

i la

alet

a tu

vier

a un

a re

sist

enci

a té

rmic

a de

con

ducc

ión

nula

(Ale

ta id

eal).

Ent

once

s:

TT

Ah

Q os

ff

Don

deA

ses

el á

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de la

sup

erfic

ie c

onve

ctiv

a (s

uper

ficie

ext

erna

de

la a

leta

).

sf

tf

o

Ah

RQ

TT

10T

fQ

T

sf

Ah1

Elci

rcui

to té

rmic

o de

la a

leta

en té

rmin

o de

la e

ficie

ncia

es:

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vanz

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ducc

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Uni

dim

ensi

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Est

acio

naria

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las

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tas.

La e

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ncia

en

una

alet

a in

finita

de

secc

ión

trans

vers

al c

onta

nte

es:

Lf

1

Para

una

ale

ta a

diab

átic

a en

la p

unta

de

secc

ión

trans

vers

al c

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se ti

ene:

TT

Ah

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P

os

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kAPh

Don

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= P

Ly

LL

fta

nhT

TA

hL

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P

oso

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nh

Para

una

ale

ta a

nula

r adi

abát

ica

en la

pun

ta, s

e tie

ne:

10

21

10

21

11

21

11

21

2 12 2

12

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RK

RK

RI

RI

RK

RK

RI

RR

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ión

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dim

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acio

naria

.U

so d

e la

s Ec

uaci

ones

de

Ale

tas

Adi

abát

icas

.En

la p

ráct

ica,

las

alet

as ti

enen

con

vecc

ión

en la

pu

nta

pero

sus

ecu

acio

nes

son

un p

oco

com

plej

as,

en e

se s

entid

o se

pue

den

usar

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cion

es d

e al

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adia

bátic

a si

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hace

un

corre

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n en

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punt

a de

la a

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(ver

Fig

ura)

. Est

o es

:

PAL

L c

LL

Para

una

ale

ta d

e se

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n re

ctan

gula

r con

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te:

Para

una

ale

ta d

e se

cció

n ci

rcul

ar c

onst

ante

:2t

LL c

4DL

L c

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Cen

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L

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ducc

ión

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dim

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acio

naria

.

w

L

t

wL

t

wL

2

12

Lxt

y

Res

umen

de

Efic

ienc

ia d

e A

leta

s A

diab

átic

a.

kthL

L

c

cf

2,

tanh

cfc

wL

At

LL

22

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L

c

cf

4,

tanh

cfc

DL

AD

LL

4

kthL

IL

IL

ccf

2,

221

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22

2t

Lw

Af

kth

Lf

2,

12

1

22

21

12

21

1

ln

Lt

C

CL

tt

LL

Cw

Af

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naria

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esum

en d

e Ef

icie

ncia

de

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tas

Adi

abát

ica. ,

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21

10

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21

2 12 2

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RI

RK

RK

RI

RI

RK

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RR

Rf

kDhL

IL

IL

f4

,22

2

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22

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LD

Af

kDh

Lf

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D

L

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L1

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L

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3

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28

LD

CL

DC

CLDC

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Af

2,

22

22 1

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rr

rr

Ac

cf

kth2

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dim

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Est

acio

naria

.Ef

icie

ncia

Glo

bal e

n Su

perf

icie

s A

lete

adas

.La

Efic

ienc

ia G

loba

l de

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supe

rfici

e al

etea

da

com

o la

mos

trada

en

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gura

se

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mo

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entre

al c

alor

dis

ipad

o (o

abs

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por l

a su

perfi

cie

y el

máx

imo

calo

r que

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a pu

dier

a di

sipa

r.

Ates

el á

rea

tota

l de

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uper

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con

vect

iva,

y e

sta

dada

por

:

TT

Ah

Q ot

oT

h,

fb

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AA

AD

onde

Ab

es e

l áre

a de

la b

ase

sin

alet

as, A

fel

áre

a su

perfi

cial

de

una

alet

a tip

o y

Nel

núm

ero

tota

l de

alet

as.

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s A

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.E

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Glo

bal d

e un

Sis

tem

a de

Ale

tas

Fund

idas

: Es

cuan

do la

s al

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ndid

as

dire

ctam

ente

en

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ase.

En é

ste

caso

, el c

ircui

to té

rmic

o eq

uiva

lent

e es

:

ftf

oANA

11

Th

,

Al re

solv

er e

l circ

uito

térm

ico

se p

uede

de

mos

trar q

ue:.

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Q

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fQ

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Ah1bA

h1

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fQ

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onal

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ncia

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n Su

perf

icie

s A

lete

adas

.E

ficie

ncia

Glo

bal d

e un

Sis

tem

a de

Ale

tas

Peg

adas

o S

olda

das:

Es

cuan

do la

s al

etas

est

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pega

das

a la

bas

e, y

por

lo ta

nto

entre

la b

ase

y la

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ta h

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na re

sist

enci

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con

tact

o, R

’’ c.En

ést

e ca

so, e

l circ

uito

térm

ico

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nte

es:

Th

,

et

oR

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1

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Ah

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Ah1

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sist

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