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1 de 28
2. CONDUCCIÓN
UNIDIMENSIONAL EN ESTADO
ESTABLE.
a) LA PARED PLANA
En flujo estable con fuente no distribuida
de energía.
Fluido Fluido
Caliente Ts1 frío
Ts2
T∞1,h1 T∞2,h2
)
(
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2
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2
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x
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k
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dx
d
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

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









RESISTENCIA TÉRMICA
Haciendo una analogía con el sistema eléctrico:
Re → Resistencia eléctrica; V → Voltaje; I → Intensidad de corriente eléctrica
Rt → Resistencia térmica; T → Temperatura; Q → Calor.
A
h
T
T
kA
L
T
T
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T
T
Q
anterior
circuito
el
En
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Q
T
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

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
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


CONTINUA RESISTENCIA TÉRMICA
Que representa la resistencia de un circuito de resistencias en serie.
T∞1 Ts1 Ts2 T∞2 T∞1 T∞2
1/h1A L/kA 1/h2A Rtot
A
h
kA
L
A
h
R
R
T
T
Q
T
T
de
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tot
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






x
Q

x
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PARED COMPUESTA
Para una pared compuesta.
A B C
Ts1 T2
T3 Ts2
T∞1, h1 T∞4;h4
fluido fluido
caliente x frío
Si; U = Coeficiente global de transferencia de
calor, se define:




















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
A
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4
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
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








T
UA
Qx 


CIRCUITO TÉRMICO EN PARALELO
Una pared compuesta como se muestra
A B D
T1 T2
C
El circuito térmico es
RB
RA RD
T1 T2
RC
Se puede representar como:
RA Req RD
Donde.
Y también:
C
B
C
B
eq
R
R
R
R
R


D
eq
A
tot R
R
R
R 


RESISTENCIA DE CONTACTO
Cuando se tienen dos superficies en contacto, debido a sus irregularidades, se presentan
secciones en donde se tienen caídas de temperatura entre estas dos superficies y por lo
tanto, una resistencia térmica llamada resistencia de contacto ( R”tc). El valor de esta
resistencia depende de la presión a que están unidas esta dos superficies, su material y del
tipo de fluido entre estas irregularidades.
A B
TA
TB
R”tc depende de:
* Acabado superficial
* Presión de contacto. x
* Fluido entre irregularidades
RA R”tc RB
x
Q"




x
B
A
tc
Q
T
T
R
"
"
Ejemplo 2.1. El vidrio de ventana trasera de un carro de vidrio de 4 mm espesor, es
desempañada por una resistencia eléctrica en su superficie interna. Determine la potencia
eléctrica por unidad de área de la ventana para mantener una temperatura de 15 0C. La
temperatura interior es de 25 0C y hi = 10 w/m2k, al exterior -10 0C y he = 65 w/m2k
SE CONOCE: Temperatura deseada vidrio y
condiciones interior y exterior de un carro.
SE BUSCA: Potencia por unidad de área para
mantener esa temperatura deseada.
SE ASUME:,Flujo unidimensional, estado estable
Propiedades constantes, radiación y resistencia
de película despreciables.
ESQUEMA.
Aire interior Aire del ambiente
Td
vidrio
T∞i T∞
hi he
Propiedades: Vidrio a 300 0K; k = 1.4 w/m 0K
ANÁLISIS. El circuito Térmico:
T∞i Tsi T∞e
1/hiA L/kA 1/heA
"
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Q

e
Q"


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

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








b) SISTEMAS RADIALES
Un problema común es tener un cilindro hueco
cuyas superficies interior y exterior están a
fluidos de diferentes temperaturas.
L d2
d1
fluido fluido
caliente frío
T∞1 h1 Ts1 Ts2 T∞2 h2
En estado estable y sin generación.
Si k = Cte, integrando dos veces:
Con las condiciones de que:
0
1







dr
dT
kr
dr
d
r
  2
1 ln C
r
C
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T 
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   
 
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1
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2
1
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1
2
2
1
1
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





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








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





















CILINDRO HUECO COMPUESTO (TUBO)
Un tubo con dos capas de otros materiales
T3 Ts4
T2 B C T∞4, h4
r1 A r2 r3
r4
T∞1, h1
Ts1
Considerando el concepto de resistencia
térmica en sistemas radiales, se puede
deducir la ecuación del calor radial como:
Otra forma:
4
4
3
4
2
3
1
2
1
1
4
1
2
1
2
ln
2
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2
ln
2
1
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k
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
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
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
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
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



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

 1
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3
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1
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







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






















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




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
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t
r
r
h
r
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r
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k
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A
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que
cumple
Se
U
T
T
UA
R
T
T
Q
C
B
A
EL RADIO CRÍTICO
Cuando se usa un aislante en un cilindro o un tubo, se reducen las pérdidas de Calor, se incrementa la
resistencia de conducción. También se tiene el efecto de incrementar el área transferencia de calor por
convección reduciendo la resistencia exterior de la película. Estos efectos se deben cuando al variar el
radio exterior del aislante. Considerando un tubo con una capa de aislante.
T∞1h1 T∞3 , h3
ra
r2 L
Suponiendo que T1 = T2 = T∞t y que h1 y kt son muy grandes
T1 T2T3
r1
r
3
3
2
3
1
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2
1
2
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

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
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
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k
r
r
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a
igualando
e
r
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derivando
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Q
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y
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k
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2
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
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

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
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











 


LA ESFERA HUECA
Aplicando este método a una esfera
Hueca, para un volumen de control
Diferencial, la conservación de la energía
requiere que.
r
Ts1 Ts2
dr
En estado estable, unidireccional sin
generación de energía.
Si la Rt se define como la diferencia de
Temperaturas dividida por la razón de calor.
r
Q

dr
r
Q 

dr
r
r Q
Q 



Cte
y
r
Q
Q
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Q
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


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
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
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
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

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
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

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
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

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

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
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




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1
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


Ejemplo 2.2. Se tiene un tubo de vapor de diámetro exterior de 120 mm y aislado con silicato de
calcio con 20 mm. Las temperaturas Ts1 = 800 0K y Ts2 = 490 0K. Encuentre el calor radial / m.
SE ASUME: Condición de estado estable, unidimensional y k = Cte
PROPIEDADES: k = 0,089 w/m K.
DIAGRAMA:
Ts2 ANÁLISIS
Ts1
Vapor
D1 = 0.12 m
D2 = 0.16 m COMENTARIO: El calor transferido fuera de
la superficie es disipado a los alrededores
por convección y radiación.
  m
w
Q
T
T
k
L
Q
Q
r
D
D
s
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r
r
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
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





c) CONDUCCIÓN CON GENERACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA
La pared plana.
→ Energía uniforme Gen / Vol T∞1 ; h1 T∞2 ; h2
Si k = Cte
Ts1
q
Ts2
x
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q
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1
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
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


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



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


CASO ESPECIAL
Cuando: Ts1 = Ts2 = Ts
-L x L
T∞ h q T∞ h
Qcond Qconv
T0
Ts Ts
Note que en x = 0 no hay transferencia de
Calor a través del plano, puede representarse por una
superficie adiabática. En x = L
Qcond Qconv
T0 q
Ts T∞ h
x L
2
0
0
2
0
2
2
2
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T
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s
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L
x
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L
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






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2
(
2
)
(
)
(
2
2
CASO DE SISTEMAS RADIALES CON GENERACIÓN TÉRMICA
El cilindro. El modelo matemático es: Evaluando en r = 0; fluido frío
T∞ ,h Ts
T(r = 0) = T0 Qr
r0
L
Relacionando Ts a la temperatura del fluido frío T∞
s
s
s
r
T
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

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
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T
T
r
T
s
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
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
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
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


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

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L
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

Ejemplo 2.3. Se tiene un conductor de cobre calibre 12 (2.33 mm de diámetro). La
resistividad del cobre es de 1.73 x 10-8 Ώm, la conductividad térmica es de 380 w/mK y el
coeficiente de transferencia de calor de 10 10 w/m2 k. Determine la ecuación en función
de la corriente eléctrica de la diferencia de temperaturas máxima y del ambiente.
Para un cilindro la temperatura T( r ) tiene
su valor máximo en el centro, cuando r = 0
Se puede calcular el radio crítico si se forra
el conductor con un material que tenga por
ejemplo una ka = 0.11 w/mK.
Es interesante evaluar ΔT para este caso
del conductor aislado.
 
 
   
 
 
C
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i
T
x
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x
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2
)
0
(















































mm
h
k
R a
crítico 11
10
11
.
0



d) ANÁLISIS DE ALETAS
Se usan aletas para incrementar el área de
contacto del fluido enfriador y así no
incrementar “h” por aumento de potencia.
dQconv
Qx dx
dAx Ac(x)
x Qx+dx
Haciendo el balance de energía:
Es la ecuación generalizada de una aleta
dx
dx
Q
d
Q
Q
Sección
A
dx
dT
kA
Q
Q
d
Q
Q
x
x
dx
x
c
c
x
conv
dx
x
x















 0
)
(
1
1
0
)
(
.
);
(
.
2
2















































T
T
dx
dA
k
h
A
dx
dT
dx
dA
A
dx
T
d
T
T
dx
dA
k
h
dx
dT
A
dx
d
dif
área
dA
T
T
dA
h
Q
d
dx
dx
dT
A
dx
d
k
dx
dT
kA
Q
s
c
c
c
s
c
s
s
conv
c
c
dx
x
ALETAS DE SECCIÓN UNIFORME
Cuando se tienen aletas como en el
Diagrama Qconv
fluido
T(0) = Tb ; T∞ → fluido T∞ , h
Tb t
Ac = Cte Ac
As = Px Qf w
x
L P = 2w+2t
P → Perímetro Qconv Ac= wt
d
As → área de base a “x” L P = πd
Qf Ac =πd2/4
Def.
0
)
(
mod
;
0
2
2





T
T
kA
hP
dx
T
d
queda
elo
el
dx
dA
c
c
:
;
)
0
(
)
(
;
0
;
)
(
)
(
2
1
2
2
2
tiene
Se
L
x
con
y
T
T
Con
C
C
x
kA
hP
m
m
dx
d
dx
dT
dx
d
T
x
T
x
b
b
mx
mx
c
























CASO (A) Convección en el filo de la aleta
El calor fluye por conducción en la aleta y pasa
a convección en su filo como muestra la figura
Qconv
Tb
Qb = Qf
Resolviendo para C1 y C2
Se nota que el gradiente de temperatura
decrece con “x” por la pérdida continua de
calor por convección en caras de la aleta.
Af → Área total de aleta incluyendo el filo
de la aleta.
]
)
(
[ 



 T
L
T
hA
dx
dT
kA c
L
x
c
)
(
)
(
)
(
]
)
(
[
2
1
2
1
2
1
mL
mL
mL
mL
b
L
x
L
x
c
c
C
C
km
C
C
h
C
C
dx
dT
k
L
h
dx
dT
kA
T
L
T
hA





















mL
Senh
mk
h
mL
Cosh
x
L
m
Senh
mk
h
x
L
m
Cosh
b
.
.
)
(
.
)
(
.



















  s
A
A
s
f
b
c
f
x
c
x
c
f
b
dA
x
h
dA
T
x
T
h
Q
mL
Senh
mk
h
mL
Cosh
mL
Cosh
mk
h
mL
Senh
hPkA
Q
dx
d
kA
dx
dT
kA
Q
Q
f
f

 





























)
(
)
(
.
.
.
.
0
0



OTROS CASOS DEL ANÁLISIS DE LA ALETA
CASO (B). Si la convección en el filo del aleta
es despreciable, se trata como adiabático.
NOTA. Para usar los resultados del análisis
del CASO (A), se tiene que en la práctica es
válido si (mL) < 2.65. Si (mL) ≥ 2.65 se puede
usar la aproximación infinita.
CASO ( C). Θ(L) = θL
CASO ( D ). L → ∞ ; θL → o
mL
Tanh
hPkA
Q
mx
Cosh
x
L
m
Cosh
dx
d
b
c
f
b
L
x
.
.
)
(
.
0










 
 
mL
Senh
mL
Cosh
hPkA
Q
mL
Senh
x
L
Senh
mx
Senh
b
L
b
c
f
b
L
b
.
.
.
)
(
.













b
c
f
mx
b
hPkA
Q 







EJEMPLO 2.4. Una barra de bronce de 0.1 m largo y 0.005 m diámetro, se extiende
horizontalmente de una fundición a Tb = 200 0C.La barra está en el ambiente a T∞ = 200
C y h = 30 w/m2 K. ¿ cual es la temperatura de la barra a 0.025, 0.050 y 0.1 m ?. Bronce
a 110 0C; k = 133 w/mK
Diagrama. L = 0.1 m
Aire a T∞ y h x1 = 0.025 m,
x2 = 0.050 m
Tb d
x1 x2 L
x :
Evaluando.
b
c
mL
Seh
mk
h
mL
Cosh
x
L
m
Senh
mk
h
x
L
m
Cosh
mL
con
m
x
x
kd
h
d
k
d
h
kA
hP
m




.
.
)
(
.
)
(
.
34
.
1
43
.
13
005
.
0
133
30
4
4
4
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1






























































)
180
(
07
.
2
)
(
.
0168
.
0
)
(
.
180
20
200
:
0168
.
0
005
.
0
133
30
78
.
1
.
;
04
.
2
.
x
L
m
Seh
x
L
m
Cosh
con
y
x
mk
h
mL
Senh
mL
Cosh
b

























X(
m)
Cosh.
m(L-x)
Senh.
m(L-x)
θ T(0 )
X1 1.55 1.19 136.5 156.5
X2 1.24 0.725 108.9 128.9
L 1.00 0.00 87.0 107.0
RENDIMIENTO DE ALETAS
Rendimiento de una aleta
εf → Efectividad. Relación de la transferencia
de calor de la aleta a la razón de calor
transferido si no existiera la aleta. εf > 2 para
justificar las aletas.
En caso ( D )
El rendimiento se puede evaluar en términos
de resistencia térmica.
Acb → Área de sección transversal de aleta
en su base.
Eficiencia de una aleta “ηf”.
Af → Área de la superficie de la aleta.
Aleta recta, área transversal uniforma y filo
adiabático.
Filo adiabático, sección recta o cilíndrica
2
1









c
f
hA
kP

tconv
tcond
f
cb
tconv
f
b
tcond
R
R
hA
R
y
Q
R


 

 1
f
f
f
f
f
hA
Q
Q
Q







max





 L
mL
mL
Tanh
hPL
mL
MTanh
f
b
f ;
1
0
;
.
.



c
c
f
b
c
c
f
c
c
mL
mL
Tanh
hPkA
M
mL
MTanh
Q
cilíndrica
Secc
d
L
L
recta
Secc
t
L
L
.
.
;
.
4
2












RENDIMIENTO DE ALETAS II
Errores con la aproximación despreciables si: Aleta sección transversal no-uniforme:
Caso de secc. anular; Ac = 2πrt, varía con “r ”
Reemplazando “r” por “x” en Ec. de calor.
2
3
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
2
0625
.
0
2
c
p
c
c
p
c
c
c
c
c
c
L
kA
h
mL
t
L
A
con
y
L
L
por
ndo
multiplica
L
kt
h
L
kA
hP
mL
y
w
P
t
w
Si
k
hd
ó
k
ht






































 
clase
segunda
y
primera
cero
orden
Bessel
de
funciones
K
y
I
mr
K
C
mr
I
C
r
solución
m
dr
d
r
dr
d
T
T
y
kt
m
con
Sup
la
de
Área
r
r
A
T
T
kt
h
dr
dT
r
dr
T
d
s
0
0
0
2
0
1
2
2
2
2
2
1
2
2
2
)
(
)
(
)
(
:
0
1
2
2
0
)
(
2
1
























RENDIMIENTO DE ALETAS III
Eficiencia secc transversal no uniforme
t
r2c = r2 + t/2
r1 L Lc = L + t/2
Ap = Lct
r2
aleta
de
térmica
sistencia
hA
R
mr
K
mr
I
mr
I
mr
K
mr
K
mr
I
mr
I
mr
K
r
r
m
r
r
r
h
Q
mr
K
mr
I
mr
I
mr
K
mr
K
mr
I
mr
I
mr
K
m
t
kr
dr
d
t
r
k
dr
dT
kA
Q
mr
I
mr
K
mr
K
mr
I
mr
I
mr
K
mr
K
mr
I
f
f
taleta
b
f
f
b
r
r
r
r
cb
f
b
Re
1
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
)
(
2
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
2
(
)
2
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
1
1
0
2
1
1
0
2
1
1
1
2
1
1
1
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
1
0
2
1
1
0
2
1
1
1
2
1
1
1
1
1
2
1
1
0
2
1
1
0
2
1
0
2
1
0
1
1
































EFICIENCIA DE SUPERFICIE GLOBAL
Se tienen “N” aletas en un equipo térmico, la eficiencia de superficie global es:
)
1
(
1
exp
max
f
T
f
o
b
b
b
f
f
T
T
b
f
T
f
b
f
f
f
o
A
NA
hA
hA
N
Q
ÁreaTotal
A
aletas
de
Número
N
A
NA
A
uesta
porción
Área
aleta
de
Área
A
hA
Q
Q
Q
























Problema: Vapor de agua fluye por tubo Dext = D1 = 3 Cm a T = 120 0C. El tubo tiene aletas
circulares de Al (k = 180 w/m 0C) de D2 = 6 Cm y espesor, t = 2 mm. El espacio entre aletas
es de 3 mm por lo que son 200 aletas/m. El aire exterior está a T∞ = 25 0C, h = 60 W/m2 K.
Determine el incremento de la TC del tubo/m por la adición de las aletas.
Análisis:
Si no se tienen aletas:
Asa = πD1L = π (0.03)(1) = 0.0942 m2
Para aletas circulares sujetas a un tubo en
una gráfica se tiene:
Con estos datos en la gráfica de eficiencia para esta aleta:
η = 0.96
La TC en parte libre de aletas es:
W
T
T
hA
Q b
sa
sa
537
)
25
120
)(
0942
.
0
(
60
)
(




 

07
.
2
)
10
2
.
3
(
80
60
)
016
.
0
(
07
.
2
015
.
0
031
.
0
10
2
.
3
)
002
.
0
(
016
.
0
016
.
0
015
.
0
031
.
0
03
.
0
015
.
)
03
.
0
06
.
0
(
)
(
5
2
3
3
2
2
2
5
2
002
.
0
2
2
002
.
0
2
2
2
2
1
1
2
2
1
2

























x
kA
h
L
r
r
m
x
t
L
A
m
L
L
m
r
r
m
D
D
L
p
c
c
p
t
c
t
c
c

W
T
T
hA
Q
Q
m
r
r
A
b
aleta
aleta
aleta
aleta
c
aleta
3
.
25
)
25
120
)(
004624
.
0
)(
60
(
96
.
0
)
(
004624
.
0
)
015
.
0
031
.
0
(
2
)
(
2
max
2
2
2
2
1
2
2


















10
537
5380
4843
537
5380
5380
)
6
.
1
3
.
25
(
200
)
(
200
/
200
6
.
1
)
25
120
)(
000283
.
0
(
60
)
(
000283
.
0
)
003
.
0
)(
03
.
0
( 2
1
































sa
T
aleta
sa
T
incremento
libre
aleta
T
b
libre
libre
libre
Q
Q
W
Q
Q
Q
W
Q
Q
Q
m
aletas
tienen
Se
W
T
T
hA
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m
S
D
A



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  • 2. a) LA PARED PLANA En flujo estable con fuente no distribuida de energía. Fluido Fluido Caliente Ts1 frío Ts2 T∞1,h1 T∞2,h2 ) ( " ) ( ) ( 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 2 s s x s s x s s s s s s T T L k Q T T L kA dx dT kA Q T x L T T x T entonces L T T C y T C               2 1 2 1 1 ) ( ) 0 ( ) ( ; , 0 s s T L T y T T con y C x C x T C dx dT Cte k si dx dT k dx d              
  • 3. RESISTENCIA TÉRMICA Haciendo una analogía con el sistema eléctrico: Re → Resistencia eléctrica; V → Voltaje; I → Intensidad de corriente eléctrica Rt → Resistencia térmica; T → Temperatura; Q → Calor. A h T T kA L T T A h T T Q anterior circuito el En hA Q T T R convección En kA L Q T T R A L I V V R s s s s x s tconv x s s tcond e 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 : ;                      
  • 4. CONTINUA RESISTENCIA TÉRMICA Que representa la resistencia de un circuito de resistencias en serie. T∞1 Ts1 Ts2 T∞2 T∞1 T∞2 1/h1A L/kA 1/h2A Rtot A h kA L A h R R T T Q T T de os tér En tot tot x 2 1 2 1 2 1 1 1 ) ( ) ( min             x Q  x Q
  • 5. PARED COMPUESTA Para una pared compuesta. A B C Ts1 T2 T3 Ts2 T∞1, h1 T∞4;h4 fluido fluido caliente x frío Si; U = Coeficiente global de transferencia de calor, se define:                       A k L T T A h T T Q A h A k L A k L A k L A h R donde R T T Q A A s s x C C B B A A t t x 2 1 1 1 1 4 1 4 1 1 1 1 ; UA Q T R R h k L k L k L h A R U x t tot C C B B A A t 1 1 1 1 1 4 1             T UA Qx   
  • 6. CIRCUITO TÉRMICO EN PARALELO Una pared compuesta como se muestra A B D T1 T2 C El circuito térmico es RB RA RD T1 T2 RC Se puede representar como: RA Req RD Donde. Y también: C B C B eq R R R R R   D eq A tot R R R R   
  • 7. RESISTENCIA DE CONTACTO Cuando se tienen dos superficies en contacto, debido a sus irregularidades, se presentan secciones en donde se tienen caídas de temperatura entre estas dos superficies y por lo tanto, una resistencia térmica llamada resistencia de contacto ( R”tc). El valor de esta resistencia depende de la presión a que están unidas esta dos superficies, su material y del tipo de fluido entre estas irregularidades. A B TA TB R”tc depende de: * Acabado superficial * Presión de contacto. x * Fluido entre irregularidades RA R”tc RB x Q"     x B A tc Q T T R " "
  • 8. Ejemplo 2.1. El vidrio de ventana trasera de un carro de vidrio de 4 mm espesor, es desempañada por una resistencia eléctrica en su superficie interna. Determine la potencia eléctrica por unidad de área de la ventana para mantener una temperatura de 15 0C. La temperatura interior es de 25 0C y hi = 10 w/m2k, al exterior -10 0C y he = 65 w/m2k SE CONOCE: Temperatura deseada vidrio y condiciones interior y exterior de un carro. SE BUSCA: Potencia por unidad de área para mantener esa temperatura deseada. SE ASUME:,Flujo unidimensional, estado estable Propiedades constantes, radiación y resistencia de película despreciables. ESQUEMA. Aire interior Aire del ambiente Td vidrio T∞i T∞ hi he Propiedades: Vidrio a 300 0K; k = 1.4 w/m 0K ANÁLISIS. El circuito Térmico: T∞i Tsi T∞e 1/hiA L/kA 1/heA " e Q  e Q"   " Q C T Q con Nota m w h T T h k L T T Q h k L T T Q h T T si e i si i e e si e e e si e i si i 0 2 6 . 4 ; 0 " : / 1270 1 1 " 1 " 1                     
  • 9. b) SISTEMAS RADIALES Un problema común es tener un cilindro hueco cuyas superficies interior y exterior están a fluidos de diferentes temperaturas. L d2 d1 fluido fluido caliente frío T∞1 h1 Ts1 Ts2 T∞2 h2 En estado estable y sin generación. Si k = Cte, integrando dos veces: Con las condiciones de que: 0 1        dr dT kr dr d r   2 1 ln C r C r T         rL h R y Lk r r R que lo por r r T T Lk Q T r r r r T T r T C r C T y C r C T T r T y T r T tconv tcond s s r s s s s s s s    2 1 2 ln ln ) ( 2 ln ln ln ln 1 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1                                        
  • 10. CILINDRO HUECO COMPUESTO (TUBO) Un tubo con dos capas de otros materiales T3 Ts4 T2 B C T∞4, h4 r1 A r2 r3 r4 T∞1, h1 Ts1 Considerando el concepto de resistencia térmica en sistemas radiales, se puede deducir la ecuación del calor radial como: Otra forma: 4 4 3 4 2 3 1 2 1 1 4 1 2 1 2 ln 2 ln 2 ln 2 1 Lh r L k r r L k r r L k r r Lh r T T Q C B A r                                        1 4 4 3 3 2 2 1 1 1 ln ln ln 1 1 4 1 4 1 : ) ( 4 1 1 3 4 1 2 3 1 1 2 1 1                                             t r r h r r k r r r k r r r k r h tot r R A U A U A U A U que cumple Se U T T UA R T T Q C B A
  • 11. EL RADIO CRÍTICO Cuando se usa un aislante en un cilindro o un tubo, se reducen las pérdidas de Calor, se incrementa la resistencia de conducción. También se tiene el efecto de incrementar el área transferencia de calor por convección reduciendo la resistencia exterior de la película. Estos efectos se deben cuando al variar el radio exterior del aislante. Considerando un tubo con una capa de aislante. T∞1h1 T∞3 , h3 ra r2 L Suponiendo que T1 = T2 = T∞t y que h1 y kt son muy grandes T1 T2T3 r1 r 3 3 2 3 1 : 2 1 2 ln                  h k r r obtiene se cero a igualando e r a respecto derivando Lh r L k r r T T Q a crítico a a a a a r   aislante y tubo dades Conductivi k y k Lh r L k r r L k r r Lh r T T Q a t a a a t r 3 2 1 2 1 1 3 1 2 1 2 ln 2 ln 2 1                            
  • 12. LA ESFERA HUECA Aplicando este método a una esfera Hueca, para un volumen de control Diferencial, la conservación de la energía requiere que. r Ts1 Ts2 dr En estado estable, unidireccional sin generación de energía. Si la Rt se define como la diferencia de Temperaturas dividida por la razón de calor. r Q  dr r Q   dr r r Q Q     Cte y r Q Q con dr dT r k dr dT kA Q r r ) ( ) 4 ( 2                                                                      h r r r k T T Q h r R r r k R r r T T k Q Cte k dT T k r dr Q tconv tcond s s r r r T T r s s 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 4 1 1 1 4 1 4 1 1 1 4 1 1 1 ) ( 4 ; ) ( 4 2 1 2 1      
  • 13. Ejemplo 2.2. Se tiene un tubo de vapor de diámetro exterior de 120 mm y aislado con silicato de calcio con 20 mm. Las temperaturas Ts1 = 800 0K y Ts2 = 490 0K. Encuentre el calor radial / m. SE ASUME: Condición de estado estable, unidimensional y k = Cte PROPIEDADES: k = 0,089 w/m K. DIAGRAMA: Ts2 ANÁLISIS Ts1 Vapor D1 = 0.12 m D2 = 0.16 m COMENTARIO: El calor transferido fuera de la superficie es disipado a los alrededores por convección y radiación.   m w Q T T k L Q Q r D D s s r r / 603 ln ) 490 800 )( 089 . 0 ( 2 ´ ln ) ( 2 ´ 12 . 0 16 . 0 1 2 2 1                 
  • 14. c) CONDUCCIÓN CON GENERACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA La pared plana. → Energía uniforme Gen / Vol T∞1 ; h1 T∞2 ; h2 Si k = Cte Ts1 q Ts2 x  q 2 2 1 2 ) ( 2 2 ; 2 ) ( ; ) ( ; 2 0 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 s s s s L x s s s s s s T T L x T T k qL x T T T L k q C L T T C T L T T L T C x C x k q T k q dx T d                              
  • 15. CASO ESPECIAL Cuando: Ts1 = Ts2 = Ts -L x L T∞ h q T∞ h Qcond Qconv T0 Ts Ts Note que en x = 0 no hay transferencia de Calor a través del plano, puede representarse por una superficie adiabática. En x = L Qcond Qconv T0 q Ts T∞ h x L 2 0 0 2 0 2 2 2 ) ( 2 ) 0 ( 1 2 ) (                        L x T T T x T T k qL T T T k qL x T s s s L x 0 0   x dx dT h L q T T L x k qL dx dT x T do consideran T T h dx dT k s L x s L x              ; ) 2 ( 2 ) ( ) ( 2 2
  • 16. CASO DE SISTEMAS RADIALES CON GENERACIÓN TÉRMICA El cilindro. El modelo matemático es: Evaluando en r = 0; fluido frío T∞ ,h Ts T(r = 0) = T0 Qr r0 L Relacionando Ts a la temperatura del fluido frío T∞ s s s r T r r k r q r T C r k q T C T r T dr dT CI C r C r k q r T C r k q dr dT r k q dr dT r dr d r                                      2 0 2 2 0 1 2 0 2 0 0 2 1 2 1 2 1 4 ) ( 0 ; 4 ) ( ; 0 : ln 4 ) ( 2 0 1             0 0 1 ) ( r r T T T r T s s                        2 0 2 2 0 0 0 0 2 0 1 4 2 ) ( 2 ) )( 2 ( ) 2 ( r r k r q h r q T r T h r q T T T T L r h L r q s s  
  • 17. Ejemplo 2.3. Se tiene un conductor de cobre calibre 12 (2.33 mm de diámetro). La resistividad del cobre es de 1.73 x 10-8 Ώm, la conductividad térmica es de 380 w/mK y el coeficiente de transferencia de calor de 10 10 w/m2 k. Determine la ecuación en función de la corriente eléctrica de la diferencia de temperaturas máxima y del ambiente. Para un cilindro la temperatura T( r ) tiene su valor máximo en el centro, cuando r = 0 Se puede calcular el radio crítico si se forra el conductor con un material que tenga por ejemplo una ka = 0.11 w/mK. Es interesante evaluar ΔT para este caso del conductor aislado.             C en i T x x x i T hr k k r i T T T r i L r R i q pero k r q h r q T T r T e e e 0 2 3 2 3 2 8 2 0 2 0 2 max 2 2 0 2 2 0 2 2 0 0 max 1079 . 0 10 165 . 1 10 380 2 1 380 10 165 . 1 4 10 73 . 1 2 1 4 : 4 2 ) 0 (                                                mm h k R a crítico 11 10 11 . 0   
  • 18. d) ANÁLISIS DE ALETAS Se usan aletas para incrementar el área de contacto del fluido enfriador y así no incrementar “h” por aumento de potencia. dQconv Qx dx dAx Ac(x) x Qx+dx Haciendo el balance de energía: Es la ecuación generalizada de una aleta dx dx Q d Q Q Sección A dx dT kA Q Q d Q Q x x dx x c c x conv dx x x                 0 ) ( 1 1 0 ) ( . ); ( . 2 2                                                T T dx dA k h A dx dT dx dA A dx T d T T dx dA k h dx dT A dx d dif área dA T T dA h Q d dx dx dT A dx d k dx dT kA Q s c c c s c s s conv c c dx x
  • 19. ALETAS DE SECCIÓN UNIFORME Cuando se tienen aletas como en el Diagrama Qconv fluido T(0) = Tb ; T∞ → fluido T∞ , h Tb t Ac = Cte Ac As = Px Qf w x L P = 2w+2t P → Perímetro Qconv Ac= wt d As → área de base a “x” L P = πd Qf Ac =πd2/4 Def. 0 ) ( mod ; 0 2 2      T T kA hP dx T d queda elo el dx dA c c : ; ) 0 ( ) ( ; 0 ; ) ( ) ( 2 1 2 2 2 tiene Se L x con y T T Con C C x kA hP m m dx d dx dT dx d T x T x b b mx mx c                        
  • 20. CASO (A) Convección en el filo de la aleta El calor fluye por conducción en la aleta y pasa a convección en su filo como muestra la figura Qconv Tb Qb = Qf Resolviendo para C1 y C2 Se nota que el gradiente de temperatura decrece con “x” por la pérdida continua de calor por convección en caras de la aleta. Af → Área total de aleta incluyendo el filo de la aleta. ] ) ( [      T L T hA dx dT kA c L x c ) ( ) ( ) ( ] ) ( [ 2 1 2 1 2 1 mL mL mL mL b L x L x c c C C km C C h C C dx dT k L h dx dT kA T L T hA                      mL Senh mk h mL Cosh x L m Senh mk h x L m Cosh b . . ) ( . ) ( .                      s A A s f b c f x c x c f b dA x h dA T x T h Q mL Senh mk h mL Cosh mL Cosh mk h mL Senh hPkA Q dx d kA dx dT kA Q Q f f                                 ) ( ) ( . . . . 0 0   
  • 21. OTROS CASOS DEL ANÁLISIS DE LA ALETA CASO (B). Si la convección en el filo del aleta es despreciable, se trata como adiabático. NOTA. Para usar los resultados del análisis del CASO (A), se tiene que en la práctica es válido si (mL) < 2.65. Si (mL) ≥ 2.65 se puede usar la aproximación infinita. CASO ( C). Θ(L) = θL CASO ( D ). L → ∞ ; θL → o mL Tanh hPkA Q mx Cosh x L m Cosh dx d b c f b L x . . ) ( . 0               mL Senh mL Cosh hPkA Q mL Senh x L Senh mx Senh b L b c f b L b . . . ) ( .              b c f mx b hPkA Q        
  • 22. EJEMPLO 2.4. Una barra de bronce de 0.1 m largo y 0.005 m diámetro, se extiende horizontalmente de una fundición a Tb = 200 0C.La barra está en el ambiente a T∞ = 200 C y h = 30 w/m2 K. ¿ cual es la temperatura de la barra a 0.025, 0.050 y 0.1 m ?. Bronce a 110 0C; k = 133 w/mK Diagrama. L = 0.1 m Aire a T∞ y h x1 = 0.025 m, x2 = 0.050 m Tb d x1 x2 L x : Evaluando. b c mL Seh mk h mL Cosh x L m Senh mk h x L m Cosh mL con m x x kd h d k d h kA hP m     . . ) ( . ) ( . 34 . 1 43 . 13 005 . 0 133 30 4 4 4 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1                                                               ) 180 ( 07 . 2 ) ( . 0168 . 0 ) ( . 180 20 200 : 0168 . 0 005 . 0 133 30 78 . 1 . ; 04 . 2 . x L m Seh x L m Cosh con y x mk h mL Senh mL Cosh b                          X( m) Cosh. m(L-x) Senh. m(L-x) θ T(0 ) X1 1.55 1.19 136.5 156.5 X2 1.24 0.725 108.9 128.9 L 1.00 0.00 87.0 107.0
  • 23. RENDIMIENTO DE ALETAS Rendimiento de una aleta εf → Efectividad. Relación de la transferencia de calor de la aleta a la razón de calor transferido si no existiera la aleta. εf > 2 para justificar las aletas. En caso ( D ) El rendimiento se puede evaluar en términos de resistencia térmica. Acb → Área de sección transversal de aleta en su base. Eficiencia de una aleta “ηf”. Af → Área de la superficie de la aleta. Aleta recta, área transversal uniforma y filo adiabático. Filo adiabático, sección recta o cilíndrica 2 1          c f hA kP  tconv tcond f cb tconv f b tcond R R hA R y Q R       1 f f f f f hA Q Q Q        max       L mL mL Tanh hPL mL MTanh f b f ; 1 0 ; . .    c c f b c c f c c mL mL Tanh hPkA M mL MTanh Q cilíndrica Secc d L L recta Secc t L L . . ; . 4 2            
  • 24. RENDIMIENTO DE ALETAS II Errores con la aproximación despreciables si: Aleta sección transversal no-uniforme: Caso de secc. anular; Ac = 2πrt, varía con “r ” Reemplazando “r” por “x” en Ec. de calor. 2 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 0625 . 0 2 c p c c p c c c c c c L kA h mL t L A con y L L por ndo multiplica L kt h L kA hP mL y w P t w Si k hd ó k ht                                         clase segunda y primera cero orden Bessel de funciones K y I mr K C mr I C r solución m dr d r dr d T T y kt m con Sup la de Área r r A T T kt h dr dT r dr T d s 0 0 0 2 0 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 ) ( ) ( ) ( : 0 1 2 2 0 ) ( 2 1                        
  • 25. RENDIMIENTO DE ALETAS III Eficiencia secc transversal no uniforme t r2c = r2 + t/2 r1 L Lc = L + t/2 Ap = Lct r2 aleta de térmica sistencia hA R mr K mr I mr I mr K mr K mr I mr I mr K r r m r r r h Q mr K mr I mr I mr K mr K mr I mr I mr K m t kr dr d t r k dr dT kA Q mr I mr K mr K mr I mr I mr K mr K mr I f f taleta b f f b r r r r cb f b Re 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 1 1 0 2 1 1 0 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 1 0 2 1 1 0 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 0 2 1 1 0 2 1 0 2 1 0 1 1                                
  • 26. EFICIENCIA DE SUPERFICIE GLOBAL Se tienen “N” aletas en un equipo térmico, la eficiencia de superficie global es: ) 1 ( 1 exp max f T f o b b b f f T T b f T f b f f f o A NA hA hA N Q ÁreaTotal A aletas de Número N A NA A uesta porción Área aleta de Área A hA Q Q Q                        
  • 27. Problema: Vapor de agua fluye por tubo Dext = D1 = 3 Cm a T = 120 0C. El tubo tiene aletas circulares de Al (k = 180 w/m 0C) de D2 = 6 Cm y espesor, t = 2 mm. El espacio entre aletas es de 3 mm por lo que son 200 aletas/m. El aire exterior está a T∞ = 25 0C, h = 60 W/m2 K. Determine el incremento de la TC del tubo/m por la adición de las aletas. Análisis: Si no se tienen aletas: Asa = πD1L = π (0.03)(1) = 0.0942 m2 Para aletas circulares sujetas a un tubo en una gráfica se tiene: Con estos datos en la gráfica de eficiencia para esta aleta: η = 0.96 La TC en parte libre de aletas es: W T T hA Q b sa sa 537 ) 25 120 )( 0942 . 0 ( 60 ) (        07 . 2 ) 10 2 . 3 ( 80 60 ) 016 . 0 ( 07 . 2 015 . 0 031 . 0 10 2 . 3 ) 002 . 0 ( 016 . 0 016 . 0 015 . 0 031 . 0 03 . 0 015 . ) 03 . 0 06 . 0 ( ) ( 5 2 3 3 2 2 2 5 2 002 . 0 2 2 002 . 0 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2                          x kA h L r r m x t L A m L L m r r m D D L p c c p t c t c c  W T T hA Q Q m r r A b aleta aleta aleta aleta c aleta 3 . 25 ) 25 120 )( 004624 . 0 )( 60 ( 96 . 0 ) ( 004624 . 0 ) 015 . 0 031 . 0 ( 2 ) ( 2 max 2 2 2 2 1 2 2                   10 537 5380 4843 537 5380 5380 ) 6 . 1 3 . 25 ( 200 ) ( 200 / 200 6 . 1 ) 25 120 )( 000283 . 0 ( 60 ) ( 000283 . 0 ) 003 . 0 )( 03 . 0 ( 2 1                                 sa T aleta sa T incremento libre aleta T b libre libre libre Q Q W Q Q Q W Q Q Q m aletas tienen Se W T T hA Q m S D A   