Termosifón

Un termosifón es un dispositivo que emplea un método de intercambio de calor pasivo basado en la convección natural , que permite la circulación de un fluido sin necesidad de una bomba mecánica. El termosifón se utiliza para la circulación de líquidos y gases volátiles en aplicaciones de calefacción y refrigeración, como bombas de calor, calentadores de agua, calderas y hornos. El termosifón también se produce a través de gradientes de temperatura del aire, como los que se generan en una chimenea de leña o una chimenea solar .

Esta circulación puede ser de circuito abierto, como cuando la sustancia en un tanque de almacenamiento se transfiere en una dirección a través de un tubo calefactado instalado en el fondo del tanque hasta un punto de distribución —incluso uno ubicado sobre el tanque de origen—, o bien, puede ser un circuito cerrado vertical con retorno al contenedor original. Su propósito es simplificar la transferencia de líquidos o gases, evitando el costo y la complejidad de una bomba convencional.

La convección natural del líquido comienza cuando la transferencia de calor al líquido genera una diferencia de temperatura entre un lado y otro del circuito. El fenómeno de la dilatación térmica implica que una diferencia de temperatura conlleva una diferencia de densidad correspondiente a lo largo del circuito. El fluido más caliente en un lado del circuito es menos denso y, por lo tanto, flota más que el fluido más frío en el otro lado. El fluido más caliente "flotará" sobre el fluido más frío, y el fluido más frío "se hundirá" por debajo del fluido más caliente. Este fenómeno de convección natural se conoce con el dicho "el calor sube". La convección mueve el líquido caliente hacia arriba en el sistema, a medida que es reemplazado simultáneamente por el líquido más frío que regresa por gravedad. Un buen termosifón tiene muy poca resistencia hidráulica , por lo que el líquido puede fluir fácilmente bajo la presión relativamente baja producida por la convección natural.

Los termosifones se utilizan en algunos sistemas de calefacción solar basados ​​en líquidos para calentar líquidos como el agua . El agua se calienta pasivamente mediante energía solar y depende de la transferencia de calor del sol a un colector solar . El calor del colector se puede transferir al agua de dos maneras: directamente, cuando el agua circula a través del colector, o indirectamente, cuando una solución anticongelante transporta el calor del colector y lo transfiere al agua en el tanque a través de un intercambiador de calor . La convección permite que el líquido caliente salga del colector solar y sea reemplazado por líquido más frío, que a su vez se calienta. Debido a este principio, es necesario que el agua se almacene en un tanque sobre el colector. ^{[ 6 ]}

En lugares históricamente dominados por condiciones de permafrost, los termosifones pueden usarse para contrarrestar las fuerzas geológicas adversas sobre los cimientos de edificios, tuberías y otras estructuras causadas por el deshielo del permafrost. ^{[ 7 ]} Un estudio publicado en 2006 por el gigante petrolero ConocoPhillips informa que el permafrost de Alaska, sobre el cual se construye gran parte de la infraestructura del estado, se ha degradado desde 1982 en medio de temperaturas récord cálidas. ^{[ 8 ]} Según el Centro de Investigación Climática de Alaska en la Universidad de Alaska Fairbanks , entre 1949 y 2018 la temperatura media anual en Alaska aumentó 4,0 grados Fahrenheit, con un aumento de 7,2 grados Fahrenheit durante el invierno. ^{[ 9 ]}

Los termosifones se utilizan para la refrigeración líquida de componentes internos de computadoras, ^{[ 10 ]} principalmente el procesador . Si bien se puede usar cualquier líquido adecuado, el agua es el más fácil de usar en sistemas de termosifón. ​​A diferencia de los sistemas de refrigeración líquida tradicionales, los sistemas de termosifón no dependen de una bomba, sino de la convección para el movimiento del agua caliente (que puede convertirse en vapor) desde los componentes hacia arriba hasta un intercambiador de calor. Allí, el agua se enfría y está lista para ser recirculada. El intercambiador de calor más utilizado es un radiador , donde los ventiladores impulsan activamente el aire a través de una mayor superficie para condensar el vapor en líquido. El líquido más denso desciende, recirculando así por el sistema y repitiendo el proceso. No se requiere bomba. El ciclo de evaporación y condensación es impulsado por la diferencia de temperatura y la gravedad.

Algunos de los primeros automóviles, vehículos motorizados y maquinaria agrícola e industrial con motor utilizaban la circulación por termosifón para mover el agua de refrigeración entre el bloque de cilindros y el radiador. Este método de circulación depende de mantener suficiente aire frío circulando por el radiador para proporcionar una diferencia de temperatura suficiente; el movimiento del aire se lograba mediante el movimiento hacia adelante del vehículo y el uso de ventiladores. A medida que aumentaba la potencia del motor, se requería un mayor flujo de agua, por lo que se añadieron bombas accionadas por el motor para facilitar la circulación. Los motores más compactos comenzaron a usar radiadores más pequeños y requerían patrones de flujo más complejos, por lo que la circulación del agua pasó a depender completamente de la bomba e incluso podía invertirse en contra de su dirección natural. Un motor que circula su agua de refrigeración únicamente por termosifón es susceptible al sobrecalentamiento durante períodos prolongados de ralentí o desplazamiento muy lento, ya que la falta de movimiento hacia adelante proporciona un flujo de aire demasiado bajo a través del radiador, a menos que uno o más ventiladores sean capaces de mover suficiente aire por sí solos. Los sistemas de termosifón también son muy sensibles a un nivel bajo de refrigerante; es decir, perder incluso una pequeña cantidad de refrigerante detiene la circulación; un sistema accionado por bomba es mucho más robusto y normalmente puede soportar un nivel de refrigerante más bajo.

Muchos diseños de máquinas de espresso utilizan un termosifón para mantener una temperatura estable.

La cafetera espresso E-61 tiene un grupo de extracción con termosifón. ​​Este tipo de grupo es común en muchas cafeteras espresso actuales.

Algunas máquinas de espresso de palanca tienen una doble pared alrededor del pistón en su grupo, la cual se utiliza para el termosifón. ​​Un ejemplo moderno serían las máquinas de Londinium.

• Convección : Flujo de fluidos que se produce debido a las propiedades heterogéneas del fluido y las fuerzas del cuerpo. 
• Bomba de calor geotérmica : sistema para transferir calor desde/hacia el suelo. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección. 
• Tubo de calor : dispositivo de transferencia de calor que emplea una transición de fase y tubo de calor en bucle : dispositivo de transferencia de calor bifásico  
• Energía solar pasiva : ingeniería arquitectónica que utiliza el calor del sol sin sistemas eléctricos ni mecánicos. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección. 
• Rehervidor – Tipo de intercambiador de calor 
• Sifón – Dispositivo que implica el flujo de líquidos a través de tubos. 
• Calefacción solar : dispositivo que recoge calor. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redirección. 
• Sifón térmico : elemento de intercambio de calor en la cámara de combustión de algunas calderas de vapor. 
• Refrigeración por compresión de vapor – Proceso de refrigeración 
• Refrigeración por agua : método de eliminación de calor de componentes y equipos industriales. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección. 
• Thomas Fowler (inventor)

• Informe de HP Labs sobre termosifones para la refrigeración de ordenadores (PDF)