Por qué el aluminio transfiere el calor de manera tan eficiente
El aluminio combina una conductividad térmica de aproximadamente 235 W/m·K con una densidad de sólo 2,70 g/cm³, por lo que domina los disipadores de calor, los núcleos de radiadores y los esparcidores térmicos. Los electrones libres transportan la mayor parte de la energía, mientras que las vibraciones de la red, o fonones, manejan el resto, por lo que el calor se propaga a través de una sección sólida en lugar de acumularse en un punto caliente. El cobre todavía se conduce mejor a aproximadamente 401 W/m·K, pero es más de tres veces más pesado, por lo que en términos de conductividad-a-masa, el aluminio normalmente gana dentro de un recinto.
Los grados comercialmente puros como 1050, 1060 y 1100 dan la conductividad más alta. Los elementos de aleación dispersan los electrones y reducen el número, por lo que los valores a continuación son una guía de tamaño en lugar de un reemplazo de los datos de pruebas de fábrica certificadas.
| Grado / temperamento | Conductividad térmica a 20 grados (W/m·K) | Servicio térmico típico |
|---|---|---|
| 1060-O | 234 | Barras colectoras, esparcidores térmicos, núcleos de láminas |
| 3003-H14 | 193 | Aletas de radiador, tubos intercambiadores de calor |
| 6061-T6 | 167 | Disipadores de calor estructurales, placas frías. |
| 5052-H32 | 138 | HVAC y carcasas marinas |
| 5083-O | 117 | Equipos criogénicos y a presión. |
Expansión térmica: el impulsor del diseño que nadie puede ignorar
El coeficiente lineal de expansión térmica del aluminio es aproximadamente 23 × 10-6por K, cerca del doble de 12 × 10-6por K de acero estructural. Por lo tanto, una pieza de aluminio de 1 m crece aproximadamente 0,023 mm por cada grado de cambio de temperatura, por lo que en todas partes donde se utiliza estructuralmente el metal aparecen juntas de dilatación, orificios ranurados para pernos y capas adhesivas. El coeficiente pertenece a la red de aluminio y no al temple, por lo que la elección de la aleación apenas lo modifica y la verificación sigue la dilatometría de varilla de empuje ASTM E228.
Intercambiadores de Calor, Aletas y Geometría de Microcanales
La relación entre conductividad-y-peso del aluminio es aproximadamente quince veces mayor que la del acero al carbono, razón por la cual las bobinas HVAC, los radiadores y condensadores de automóviles se construyen a partir de él. Las aletas de aproximadamente 0,1 mm multiplican el área de superficie con un peso insignificante, y los tubos de microcanales aumentan aún más la transferencia al empujar el refrigerante a través de muchos canales paralelos pequeños en lugar de unos pocos grandes.
El material de láminas y aletas se suministra principalmente en 1100, 1200, 3003, 8011 y 8006, y se utilizan 8011 y 8006 cuando se necesita una mayor resistencia de las aletas.
La lámina para soldadura fuerte revestida lleva una capa de aleación 4004 o 4045, de modo que un solo paso del horno se une al núcleo completo del radiador.
Los núcleos de aletas de placa-se adaptan a dispositivos electrónicos-enfriados por aire y a secadores de aire-comprimidos, donde la compacidad importa más que la presión nominal.
Resistencia a altas y bajas temperaturas
El aluminio puro se funde a unos 660 grados y ese techo da forma a cada decisión sobre temperaturas altas-. El límite elástico cae abruptamente por encima de aproximadamente 150 grados, y el servicio continuo por encima de 400 grados provoca una difusión límite de grano-que el enfriamiento no puede revertir, mientras que una breve excursión a 300 grados cuesta aproximadamente la mitad de la resistencia a temperatura ambiente-solo hasta que la pieza vuelve a la temperatura ambiente. Los modelos 3003, 3004, 5052 y 5083 endurecidos por deformación se adaptan al servicio en caliente, y en el extremo frío el metal gana ductilidad y resistencia a las muescas, lo que coloca a 5083, 5052 y 6061 en tanques de gas licuado- y tuberías criogénicas con bucles de expansión que absorben la contracción.
Recubrimientos, juntas y limitaciones prácticas
La anodización, la pintura y el recubrimiento en polvo reducen la conductividad de la superficie porque la capa de óxido o polímero aísla, por lo que las áreas de interfaz térmica quedan enmascaradas antes del acabado. Cuando el aluminio se encuentra con el acero o el cobre en un ambiente húmedo y cálido, la corrosión galvánica controla el diseño y requiere arandelas aisladas o un revestimiento de sacrificio. El aluminio también tolera menos ciclos térmicos de alta-tensión que las aleaciones con base de titanio o níquel-, por lo que las juntas cíclicas necesitan una geometría compatible. La soldadura fuerte con relleno de aluminio-silicona mantiene la temperatura de la junta por debajo del rango de fusión del metal base, y la soldadura por fricción y agitación limita la porosidad de las juntas de sección gruesa-.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la conductividad térmica del aluminio?
El aluminio puro conduce alrededor de 235 W/m·K a temperatura ambiente, mientras que las aleaciones comunes como 3003, 6061 y 5052 caen entre aproximadamente 120 y 195 W/m·K.
P: ¿Es el cobre un mejor conductor térmico que el aluminio?
El cobre conduce alrededor de 401 W/m·K frente a los 235 W/m·K del aluminio, pero el aluminio pesa alrededor de un tercio, por lo que su relación entre conductividad-y{3}}peso suele ser la cifra más útil.
P: ¿Cuánto se expande el aluminio cuando se calienta?
El coeficiente lineal es aproximadamente 23 × 10-6por K, por lo que una barra de aluminio de 1 m crece aproximadamente 0,023 mm por 1 grado y aproximadamente 0,23 mm en un aumento de 10 grados.
P: ¿Se puede utilizar aluminio a más de 300 grados?
Las excursiones cortas son tolerables porque la fuerza perdida durante el calentamiento regresa después del enfriamiento, pero el servicio continuo por encima de los 400 grados degrada permanentemente los límites de los granos.
P: ¿Por qué las aletas de aluminio tienen sólo 0,1 mm de espesor?
Las aletas delgadas aumentan el área de superficie por unidad de volumen manteniendo bajos el peso y el costo del material, y la conductividad es lo suficientemente alta como para que la aleta permanezca casi isotérmica a lo largo de su longitud.
