Fluido de transferencia de calor

En termodinámica de fluidos , un fluido de transferencia de calor ( FTC ) es un gas o líquido que participa en la transferencia de calor actuando como intermediario en el enfriamiento , el transporte y almacenamiento de energía térmica y el calentamiento. Los fluidos de transferencia de calor se utilizan en innumerables aplicaciones y procesos industriales que requieren calefacción o refrigeración, generalmente en circuitos cerrados y ciclos continuos . Por ejemplo, el agua de refrigeración enfría un motor, mientras que el agua caliente en un sistema de calefacción hidrónica calienta el radiador de una habitación.

El agua es el fluido de transferencia de calor más común debido a su economía, alta capacidad calorífica y propiedades de transporte favorables. Sin embargo, el rango de temperatura útil está limitado por la congelación por debajo de 0  °C y la ebullición a temperaturas elevadas, dependiendo de la presión del sistema . Los aditivos anticongelantes pueden mitigar el problema de la congelación hasta cierto punto. No obstante, se han desarrollado muchos otros fluidos de transferencia de calor que se utilizan en una gran variedad de aplicaciones. Para temperaturas más altas, los fluidos a base de aceite , hidrocarburos sintéticos o silicona ofrecen una menor presión de vapor . Las sales fundidas y los metales fundidos se pueden utilizar para transferir y almacenar calor a temperaturas superiores a 300-400  °C, donde los fluidos orgánicos comienzan a descomponerse. Gases como el vapor de agua , el nitrógeno , el argón , el helio y el hidrógeno se han utilizado como fluidos de transferencia de calor cuando los líquidos no son adecuados. Para los gases, normalmente es necesario elevar la presión para facilitar mayores caudales con baja potencia de bombeo.

Para evitar el sobrecalentamiento, el fluido fluye dentro de un sistema o dispositivo para transferir el calor al exterior de dicho dispositivo o sistema.

Generalmente, poseen un punto de ebullición elevado y una alta capacidad calorífica . El alto punto de ebullición evita que los fluidos de transferencia de calor se vaporicen a altas temperaturas. La alta capacidad calorífica permite que una pequeña cantidad de refrigerante transfiera una gran cantidad de calor de manera muy eficiente.

Es fundamental asegurarse de que los fluidos de transferencia de calor utilizados no tengan un punto de ebullición bajo. Esto se debe a que un punto de ebullición bajo provoca la vaporización del líquido a bajas temperaturas al intercambiar calor con sustancias calientes. Esto genera vapores del líquido dentro de la propia máquina donde se utilizan.

Además, los fluidos de transferencia de calor deben tener una alta capacidad calorífica. La capacidad calorífica indica la cantidad de calor que un fluido puede almacenar sin que cambie su temperatura. En el caso de los líquidos, también muestra la cantidad de calor que pueden almacenar antes de alcanzar su punto de ebullición y, finalmente, vaporizarse.

Si el fluido tiene una baja capacidad calorífica, se requerirá una gran cantidad de este para intercambiar una cantidad relativamente pequeña de calor. Esto incrementará el costo del uso de fluidos de transferencia de calor y reducirá la eficiencia del proceso.

En el caso de fluidos de transferencia de calor líquidos, el uso de pequeñas cantidades puede provocar su vaporización , lo cual resulta peligroso para el equipo. Si bien el equipo está diseñado para líquidos, su vaporización genera vapores en el canal de flujo. Además, los gases ocupan un mayor volumen que los líquidos a la misma presión. La producción de vapores aumenta la presión en las paredes de la tubería o canal por donde fluye, lo que puede provocar su rotura.

Los fluidos de transferencia de calor poseen propiedades térmicas y químicas distintivas que determinan su idoneidad para diversas aplicaciones industriales. Entre sus características clave se incluyen:

• Estabilidad térmica : Se refiere a la resistencia de un fluido a cambios irreversibles en sus propiedades físicas a diferentes temperaturas. Los fluidos con alta estabilidad térmica presentan menos vías de degradación, lo que se traduce en una mayor vida útil y menor mantenimiento. La determinación de la estabilidad térmica de un fluido suele basarse en pruebas como la ASTM D6743, que evalúa los productos de degradación formados bajo estrés térmico. ^{[ 1 ]}

• Viscosidad : La viscosidad de un fluido afecta sus características de flujo y los costos de bombeo. Los fluidos de menor viscosidad son más fáciles de bombear y hacer circular dentro de un sistema. ^{[ 2 ]}

• Capacidad calorífica : La capacidad calorífica de un fluido indica cuánta energía térmica puede transportar y almacenar, lo que afecta la eficiencia del proceso de transferencia de calor. ^{[ 2 ]}

• Conductividad térmica y difusividad térmica : Estas propiedades influyen en la velocidad a la que se transfiere el calor a través del fluido, afectando la rapidez con la que un sistema puede responder a los cambios de temperatura. ^{[ 2 ]}

• Potencial de corrosión : La compatibilidad de un fluido de transferencia de calor con los materiales del sistema es crucial para minimizar la corrosión y prolongar la vida útil del equipo. ^{[ 2 ]}

• Puntos de congelación y ebullición : Los fluidos deben tener puntos de ebullición altos y puntos de congelación bajos para permanecer en la fase deseada durante el proceso de transferencia de calor y evitar problemas relacionados con el cambio de fase dentro del rango de temperatura de operación. ^{[ 2 ]}

Los fluidos de transferencia de calor son fundamentales para diversas aplicaciones industriales, ya que permiten un control preciso de la temperatura en los procesos de fabricación. En la industria alimentaria, son vitales para el procesamiento de carnes y aperitivos. Los procesos químicos suelen depender de ellos para reactores discontinuos y operaciones continuas. Los sectores de plásticos, caucho y materiales compuestos utilizan fluidos de transferencia de calor en procesos de moldeo y extrusión. También son cruciales en la síntesis y destilación petroquímica, el refinado de petróleo y gas, y para la conversión de materiales en prensas y operaciones de laminado. ^{[ 3 ]}

En las centrales solares, los fluidos de transferencia de calor se utilizan en concentradores como los sistemas lineales de Fresnel y los colectores parabólicos para una generación de energía y un almacenamiento térmico eficientes. Se emplean sales fundidas y fluidos sintéticos de transferencia de calor debido a su capacidad para funcionar en diversos rangos de temperatura, lo que contribuye a la generación de electricidad y a la fabricación de polisilicio para células fotovoltaicas. Estos fluidos ayudan en las etapas de purificación y enfriamiento de la producción de polisilicio, lo cual es esencial para obtener silicio de alta pureza para aplicaciones solares y electrónicas. ^{[ 4 ]}

• Refrigerante
• Nanofluidos §  Nanofluidos de refrigeración inteligente
• Aceite de transferencia de calor ( aceite refrigerante , aceite calefactor )

• Singh, Jasbir (1985). Fluidos y sistemas de transferencia de calor para aplicaciones de procesos y energía . Nueva York: Marcel Dekker. ISBN 0-8247-7191-5.