Refrigerante

Un refrigerante es una sustancia, generalmente líquida, que se utiliza para reducir o regular la temperatura de un sistema. Un refrigerante ideal tiene una alta capacidad térmica , baja viscosidad , es económico, no tóxico , químicamente inerte y no provoca ni promueve la corrosión del sistema de refrigeración. Algunas aplicaciones también requieren que el refrigerante sea un aislante eléctrico .

Si bien el término "refrigerante" se usa comúnmente en aplicaciones automotrices y de HVAC , en el procesamiento industrial, el fluido de transferencia de calor es un término técnico que se usa con más frecuencia en aplicaciones de fabricación de alta y baja temperatura. El término también cubre los fluidos de corte . El fluido de corte industrial se ha clasificado ampliamente como refrigerante soluble en agua y fluido de corte puro. El refrigerante soluble en agua es una emulsión de aceite en agua. Tiene un contenido de aceite variable desde cero aceite (refrigerante sintético).

Este refrigerante puede mantener su fase y permanecer líquido o gaseoso, o puede experimentar una transición de fase , en la que el calor latente aumenta la eficiencia de enfriamiento. Este último, cuando se utiliza para alcanzar una temperatura inferior a la ambiente , se conoce más comúnmente como refrigerante .

El aire es una forma común de refrigerante. El enfriamiento por aire utiliza un flujo de aire convectivo (enfriamiento pasivo) o una circulación forzada mediante ventiladores .

El hidrógeno se utiliza como refrigerante gaseoso de alto rendimiento. Su conductividad térmica es superior a la de todos los demás gases, tiene una capacidad calorífica específica elevada , una densidad baja y, por tanto, una viscosidad baja , lo que supone una ventaja para las máquinas rotativas susceptibles de sufrir pérdidas por efecto del viento . Los turbogeneradores refrigerados por hidrógeno son actualmente los generadores eléctricos más habituales en las grandes centrales eléctricas.

Los gases inertes se utilizan como refrigerantes en los reactores nucleares refrigerados por gas . El helio tiene una baja tendencia a absorber neutrones y volverse radiactivo . El dióxido de carbono se utiliza en los reactores Magnox y AGR .

El hexafluoruro de azufre se utiliza para enfriar y aislar algunos sistemas eléctricos de alto voltaje ( disyuntores , interruptores , algunos transformadores , etc.).

El vapor se puede utilizar cuando se requiere una alta capacidad calorífica específica en forma gaseosa y se tienen en cuenta las propiedades corrosivas del agua caliente.

Algunos refrigerantes se utilizan tanto en forma líquida como gaseosa en el mismo circuito, aprovechando el elevado calor latente específico de cambio de fase de ebullición/condensación , la entalpía de vaporización , además de la capacidad térmica sin cambio de fase del fluido .

Los refrigerantes son enfriadores que se utilizan para alcanzar bajas temperaturas al sufrir un cambio de fase entre líquido y gas. Los halometanos se usaban con frecuencia, más a menudo R-12 y R-22 , a menudo con propano licuado u otros haloalcanos como R-134a . El amoníaco anhidro se usa con frecuencia en grandes sistemas comerciales, y el dióxido de azufre se usaba en los primeros refrigeradores mecánicos. El dióxido de carbono (R-744) se usa como fluido de trabajo en sistemas de control de clima para automóviles, aire acondicionado residencial, refrigeración comercial y máquinas expendedoras. Muchos refrigerantes excelentes se están eliminando gradualmente por razones ambientales (los CFC debido a los efectos de la capa de ozono, ahora muchos de sus sucesores enfrentan restricciones debido al calentamiento global, por ejemplo, el R134a).

Los tubos de calor son una aplicación especial de los refrigerantes.

A veces se utiliza agua de esta forma, por ejemplo, en reactores de agua en ebullición . El efecto de cambio de fase puede utilizarse de forma intencionada o puede resultar perjudicial.

Los materiales de cambio de fase utilizan la otra transición de fase entre sólido y líquido.

Los gases líquidos pueden caer aquí, o en los refrigerantes, ya que su temperatura suele mantenerse por evaporación. El nitrógeno líquido es el ejemplo más conocido que se encuentra en los laboratorios. El cambio de fase puede no ocurrir en la interfaz enfriada, sino en la superficie del líquido, hacia donde el calor se transfiere por flujo convectivo o forzado.

El agua es el refrigerante más común. Su alta capacidad térmica y su bajo costo lo convierten en un medio de transferencia de calor adecuado. Por lo general, se utiliza con aditivos, como inhibidores de corrosión y anticongelantes . El anticongelante, una solución de un compuesto químico orgánico adecuado (generalmente etilenglicol , dietilenglicol o propilenglicol ) en agua, se utiliza cuando el refrigerante a base de agua debe soportar temperaturas inferiores a 0 °C o cuando se debe aumentar su punto de ebullición. La betaína es un refrigerante similar, con la excepción de que está hecha de jugo puro de plantas y no es tóxica ni difícil de eliminar ecológicamente. ^[1]

• El agua desionizada muy pura , debido a su conductividad eléctrica relativamente baja, se utiliza para enfriar algunos equipos eléctricos, a menudo transmisores de alta potencia y tubos de vacío de alta potencia .
• El agua pesada es un moderador de neutrones utilizado en algunos reactores nucleares ; también tiene una función secundaria como refrigerante . Los reactores de agua ligera , tanto los de agua hirviendo como los de agua presurizada (el tipo más común), utilizan agua ordinaria (ligera) . Algunos diseños, por ejemplo, el reactor CANDU , utilizan ambos tipos; agua pesada en el tanque de calandria no presurizado como moderador y refrigerante complementario, y agua ligera como fluido de transferencia de calor primario.

El polialquilenglicol (PAG) se utiliza como fluido de transferencia de calor estable a altas temperaturas y con una gran resistencia a la oxidación. Los PAG modernos también pueden ser no tóxicos y no peligrosos. ^[2]

El fluido de corte es un refrigerante que también sirve como lubricante para las máquinas herramienta para dar forma a metales .

Los aceites se utilizan a menudo para aplicaciones en las que el agua no es adecuada. Con puntos de ebullición más altos que el agua, los aceites pueden alcanzar temperaturas considerablemente más altas (por encima de los 100 grados Celsius) sin introducir altas presiones dentro del contenedor o sistema de circuito en cuestión. ^[3] Muchos aceites tienen usos que abarcan la transferencia de calor, la lubricación, la transferencia de presión (fluidos hidráulicos), a veces incluso como combustible, o varias funciones de este tipo a la vez.

• Los aceites minerales sirven como refrigerantes y lubricantes en muchos engranajes mecánicos. También se utilizan algunos aceites vegetales, como el aceite de ricino . Debido a sus altos puntos de ebullición, los aceites minerales se utilizan en calentadores de ambiente portátiles de tipo radiador eléctrico en aplicaciones residenciales y en sistemas de circuito cerrado para calefacción y refrigeración de procesos industriales. El aceite mineral se utiliza a menudo en sistemas de PC sumergidos, ya que no es conductor y, por lo tanto, no provoca cortocircuitos ni daña ninguna pieza.
  • Los aceites de polifeniléter son adecuados para aplicaciones que requieren estabilidad a altas temperaturas, muy baja volatilidad, lubricidad inherente y/o resistencia a la radiación. Los aceites de perfluoropoliéter son su variante químicamente más inerte.
  • Se utiliza una mezcla eutéctica de éter difenílico (73,5%) y bifenilo (26,5%) por su amplio rango de temperatura y estabilidad hasta 400 °C.
  • Los bifenilos policlorados y los terfenilos policlorados se utilizaban en aplicaciones de transferencia de calor, favorecidos debido a su baja inflamabilidad, resistencia química, hidrofobicidad y propiedades eléctricas favorables, pero ahora se están eliminando gradualmente debido a su toxicidad y bioacumulación .
• Los aceites de silicona y los aceites fluorocarbonados (como el fluorinert ) son los preferidos por su amplio rango de temperaturas de funcionamiento . Sin embargo, su alto costo limita sus aplicaciones.
• El aceite de transformador se utiliza para enfriar y aislar eléctricamente los transformadores eléctricos de alta potencia . Normalmente se utilizan aceites minerales. Para aplicaciones especiales se emplean aceites de silicona. Los bifenilos policlorados se utilizaban habitualmente en equipos antiguos, que ahora pueden presentar riesgo de contaminación.

Los combustibles se utilizan con frecuencia como refrigerantes para los motores. Un combustible frío fluye sobre algunas partes del motor, absorbiendo su calor residual y precalentándose antes de la combustión. El queroseno y otros combustibles para aviones cumplen con frecuencia esta función en los motores de aviación. El hidrógeno líquido se utiliza para enfriar las toberas de los motores de cohetes .

El refrigerante sin agua se utiliza como alternativa a los refrigerantes convencionales a base de agua y etilenglicol. Con puntos de ebullición más altos que el agua (alrededor de 370 °F), la tecnología de refrigeración resiste el desbordamiento. El líquido también previene la corrosión . ^[4]

Los freones se utilizaban con frecuencia para el enfriamiento por inmersión de, por ejemplo, productos electrónicos.

Las aleaciones fundibles líquidas se pueden utilizar como refrigerantes en aplicaciones donde se requiere estabilidad a alta temperatura, por ejemplo, algunos reactores nucleares reproductores rápidos . El sodio (en reactores rápidos enfriados con sodio ) o la aleación de sodio- potasio NaK se utilizan con frecuencia; en casos especiales se puede emplear litio . Otro metal líquido utilizado como refrigerante es el plomo , por ejemplo, en reactores rápidos enfriados con plomo , o una aleación de plomo- bismuto . Algunos de los primeros reactores de neutrones rápidos utilizaban mercurio .

Para ciertas aplicaciones, los vástagos de las válvulas de asiento de automóviles pueden ser huecos y estar rellenos de sodio para mejorar el transporte y la transferencia de calor.

Para aplicaciones de muy alta temperatura, por ejemplo, reactores de sales fundidas o reactores de muy alta temperatura , se pueden utilizar sales fundidas como refrigerantes. Una de las combinaciones posibles es la mezcla de fluoruro de sodio y tetrafluoroborato de sodio (NaF-NaBF ₄ ). Otras opciones son FLiBe y FLiNaK .

Los gases licuados se utilizan como refrigerantes para aplicaciones criogénicas , incluida la microscopía crioelectrónica , el overclocking de procesadores de computadoras, aplicaciones que utilizan superconductores o sensores extremadamente sensibles y amplificadores de muy bajo ruido .

Dióxido de carbono (la fórmula química es CO2 ₎ : se utiliza como sustituto del refrigerante ^[5] para fluidos de corte. El CO2 _puede proporcionar un enfriamiento controlado en la interfaz de corte de modo que la herramienta de corte y la pieza de trabajo se mantengan a temperatura ambiente. El uso de CO2 _extiende en gran medida la vida útil de la herramienta y, en la mayoría de los materiales, permite que la operación se realice más rápido. Este se considera un método muy respetuoso con el medio ambiente, especialmente en comparación con el uso de aceites de petróleo como lubricantes; las piezas permanecen limpias y secas, lo que a menudo puede eliminar las operaciones de limpieza secundarias.

El nitrógeno líquido , que hierve a unos -196 °C (77 K), es el refrigerante más común y menos costoso que se utiliza. El aire líquido se utiliza en menor medida, debido a su contenido de oxígeno líquido , que lo hace propenso a provocar incendios o explosiones cuando entra en contacto con materiales combustibles (ver oxilíquidos ).

Se pueden alcanzar temperaturas más bajas utilizando neón licuado , que hierve a unos -246 °C. Las temperaturas más bajas, utilizadas para los imanes superconductores más potentes , se alcanzan utilizando helio líquido .

El hidrógeno líquido a una temperatura de entre -250 y -265 °C también se puede utilizar como refrigerante. El hidrógeno líquido también se utiliza como combustible y como refrigerante para enfriar las toberas y las cámaras de combustión de los motores de cohetes .

Una nueva clase de refrigerantes son los nanofluidos que consisten en un líquido portador, como el agua, dispersado con pequeñas partículas a escala nanométrica conocidas como nanopartículas . Las nanopartículas diseñadas específicamente de, por ejemplo, CuO , alúmina , ^[6] dióxido de titanio , nanotubos de carbono , sílice o metales (por ejemplo , cobre o nanobarras de plata ) dispersas en el líquido portador mejoran las capacidades de transferencia de calor del refrigerante resultante en comparación con el líquido portador solo. ^[7] La ​​mejora puede ser teóricamente tan alta como 350%. Sin embargo, los experimentos no demostraron mejoras tan altas en la conductividad térmica, pero encontraron un aumento significativo del flujo de calor crítico de los refrigerantes. ^[8]

Se pueden lograr algunas mejoras significativas; por ejemplo, las nanobarras de plata de 55 ± 12 nm de diámetro y 12,8 μm de longitud promedio al 0,5 % en volumen aumentaron la conductividad térmica del agua en un 68 %, y el 0,5 % en volumen de nanobarras de plata aumentó la conductividad térmica del refrigerante a base de etilenglicol en un 98 %. ^[9] Las nanopartículas de alúmina al 0,1 % pueden aumentar el flujo de calor crítico del agua hasta en un 70 %; las partículas forman una superficie porosa rugosa en el objeto enfriado, lo que fomenta la formación de nuevas burbujas, y su naturaleza hidrófila ayuda a alejarlas, lo que dificulta la formación de la capa de vapor. ^[10] El nanofluido con una concentración superior al 5 % actúa como fluidos no newtonianos .

En algunas aplicaciones, se utilizan materiales sólidos como refrigerantes. Los materiales requieren una gran cantidad de energía para vaporizarse; esta energía es luego absorbida por los gases vaporizados. Este enfoque es común en los vuelos espaciales , para los escudos de reentrada atmosférica ablativos y para el enfriamiento de las toberas de los motores de cohetes . El mismo enfoque también se utiliza para la protección contra incendios de las estructuras, donde se aplica un revestimiento ablativo.

El hielo seco y el hielo de agua también se pueden utilizar como refrigerantes cuando están en contacto directo con la estructura que se va a enfriar. A veces se utiliza un fluido de transferencia de calor adicional; el agua con hielo y el hielo seco en acetona son dos combinaciones populares.

La sublimación de hielo de agua se utilizó para enfriar el traje espacial del Proyecto Apolo .

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