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Circulación de termosifón en un simple calentador de agua solar

El termosifón (o termosifón ) es un método de intercambio de calor pasivo , basado en la convección natural , que hace circular un fluido sin la 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 ocurre a través de gradientes de temperatura del aire, como los que se utilizan 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 pasa en una dirección a través de un tubo de transferencia calentado montado en la parte inferior del tanque hasta un punto de distribución, incluso uno montado sobre el tanque de origen, o puede Ser un circuito vertical de circuito cerrado con retorno al contenedor original. Su propósito es simplificar la transferencia de líquido o gas evitando el costo y la complejidad de una bomba convencional. Tenga en cuenta que el diagrama que se muestra con este artículo es solo para fines ilustrativos y no es un modelo de trabajo, ya que no hay un suministro de agua ilustrado para reponer el tanque cuando se usa el grifo.

Termosifón simple [ editar ]

La convección natural del líquido comienza cuando la transferencia de calor al líquido da lugar a una diferencia de temperatura de un lado del circuito al otro. El fenómeno de expansión térmica significa que una diferencia de temperatura tendrá una diferencia correspondiente en densidad a lo largo del circuito. El fluido más caliente en un lado del circuito es menos denso y, por lo tanto, más flotante.que el fluido más frío del otro lado. El líquido más caliente "flotará" por encima del líquido más frío y el líquido más frío se "hundirá" debajo del líquido más caliente. Este fenómeno de convección natural se conoce con el dicho: "el calor sube". La convección mueve el líquido calentado hacia arriba en el sistema, ya que es reemplazado simultáneamente por un 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.

Tubos de calor [ editar ]

Artículo principal: tubo de calor

En algunas situaciones, el flujo de líquido puede reducirse más o detenerse, quizás porque el circuito no está completamente lleno de líquido. En este caso, el sistema ya no convence, por lo que no es un "termosifón" habitual.

El calor todavía se puede transferir en este sistema por la evaporación y condensación del vapor; sin embargo, el sistema está correctamente clasificado como termosifón de tubo de calor . [1] [2] Si el sistema también contiene otros fluidos, como aire, entonces la densidad del flujo de calor será menor que en un tubo de calor real, que contiene solo una sustancia.

El termosifón a veces se ha descrito incorrectamente como un " tubo de calor de retorno por gravedad ". [3] Los tubos de calor suelen tener una mecha para devolver el condensado al evaporador por capilaridad . No se necesita una mecha en un termosifón porque la gravedad mueve el líquido. [4] La mecha permite que los tubos de calor transfieran calor cuando no hay gravedad, lo cual es útil en el espacio. Un termosifón es "más simple" que un tubo de calor. [5]

Los termosifones (monofásicos) solo pueden transferir calor "hacia arriba" o alejándose del vector de aceleración. Por tanto, la orientación es mucho más importante para los termosifones que para los heatpipes. Además, los termosifones pueden fallar debido a una burbuja en el circuito y requieren un circuito de tuberías en circulación.

Reboilers y calandria [ editar ]

Si la tubería de un termosifón se resiste al flujo o se aplica calor excesivo, el líquido puede hervir. Dado que el gas es más flotante que el líquido, la presión convectiva es mayor. Este es un invento muy conocido llamado calderín . Un grupo de hervidores unidos a un par de plena se llama calandria. En algunas circunstancias, por ejemplo, el sistema de enfriamiento de un automóvil más antiguo (anterior a la década de 1950), la ebullición del fluido hará que el sistema deje de funcionar, ya que el volumen de vapor creado desplaza demasiada agua y la circulación se detiene.

El término "termosifón de cambio de fase" es un nombre inapropiado y debe evitarse. [ cita requerida ] Cuando se produce un cambio de fase en un termosifón, significa que el sistema no tiene suficiente fluido o es demasiado pequeño para transferir todo el calor por convección solamente. Para mejorar el rendimiento, se necesita más líquido (posiblemente en un termosifón más grande) o todos los demás líquidos (incluido el aire) deben bombearse fuera del circuito.

Energía solar [ editar ]

Sistema de calefacción solar con termosifón.

Los termosifones se utilizan en algunos sistemas de calefacción solar de base líquida para calentar un líquido como el agua . El agua se calienta pasivamente mediante energía solar y depende de la energía térmica que se transfiere del sol a un colector solar . El calor del colector se puede transferir al agua de dos maneras: directamente donde el agua circula a través del colector, o indirectamente donde 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 el movimiento del líquido calentado fuera del colector solar.para ser reemplazado por un líquido más frío que a su vez se calienta. Debido a este principio, es necesario que el agua se almacene en un tanque encima del colector [6]

Computación [ editar ]

Los termosifones se utilizan para enfriar por agua los componentes internos de la computadora, [7] más comúnmente el procesador . Si bien se puede usar cualquier líquido adecuado, el agua es el líquido más fácil de usar en los sistemas de termosifón. A diferencia de los sistemas tradicionales de refrigeración por agua , 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 el aire se sopla activamente a través de un sistema de ventiladores para condensar el vapor en un líquido. El líquido se recircula a través del sistema, repitiendo así el proceso. No se requiere bomba. El ciclo de evaporación y condensación es impulsado por la diferencia de temperatura.

Usos [ editar ]

Sin una refrigeración adecuada, un chip de procesador moderno puede alcanzar rápidamente temperaturas que provoquen un mal funcionamiento. Incluso con un ventilador y un disipador de calor comunes conectados, las temperaturas de funcionamiento típicas del procesador pueden alcanzar hasta 70 ° C (160 ° F). Un termosifón puede transferir calor de manera eficiente en un rango de temperatura mucho más amplio y, por lo general, puede mantener la temperatura del procesador entre 10 y 20 ° C más fría que un disipador de calor y un ventilador tradicionales. En algunos casos, también es posible que un termosifón cubra múltiples fuentes de calor y, en cuanto al diseño, sea más compacto que un disipador de calor y un ventilador convencionales de tamaño apropiado.

Inconvenientes [ editar ]

Los termosifones deben montarse de manera que el vapor se eleve y el líquido fluya hacia la caldera, sin dobleces en la tubería para que el líquido se acumule. Además, el ventilador del termosifón que enfría el gas necesita aire frío para funcionar. El sistema debe ser completamente hermético; de lo contrario, el proceso de termosifón no surtirá efecto y hará que el agua se evapore solo durante un breve período de tiempo.

Refrigeración del motor [ editar ]

1937 diagrama de enfriamiento del motor completamente por circulación de termosifón

Los primeros automóviles, vehículos de motor y equipos agrícolas e industriales impulsados ​​por motor utilizaban la circulación de termosifón para mover el agua de refrigeración entre el bloque de cilindros y el radiador.. Dependían del movimiento hacia adelante del automóvil y los ventiladores para mover suficiente aire a través del radiador para proporcionar el diferencial de temperatura que causaba la circulación del termosifón. A medida que aumentaba la potencia del motor, se requería un mayor flujo, por lo que se agregaron bombas impulsadas por el motor para ayudar a la circulación. Los motores más compactos usaban radiadores más pequeños y requerían patrones de flujo más complicados, por lo que la circulación se volvió completamente dependiente de la bomba e incluso podría invertirse en contra de la circulación natural. Un motor enfriado solo por termosifón es susceptible de sobrecalentarse durante períodos prolongados de inactividad o viajes muy lentos cuando el flujo de aire a través del radiador es limitado, a menos que uno o más ventiladores puedan mover suficiente aire para proporcionar un enfriamiento adecuado. También son muy sensibles al bajo nivel de refrigerante, es decir,perder solo una pequeña cantidad de refrigerante detiene la circulación; un sistema impulsado por bomba es mucho más robusto y normalmente puede soportar un nivel de refrigerante más bajo.

Ver también [ editar ]

  • Convección
  • Bomba de calor geotérmica
  • Tubo de calor y tubo de calor de bucle
  • Solar pasivo
  • Rehervidor
  • Sifón
  • Calefacción solar
  • Sifón térmico
  • Refrigeración por compresión de vapor
  • Refrigeración por agua
  • Thomas Fowler (inventor)

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Tecnología de termosifón para congelación artificial de suelos (AGF)" . simmakers.com .
  2. ^ Holubec, I. (2008). "Cimientos de termosifón de bucle plano en permafrost cálido (preparado para el Gobierno de la División de Gestión de Activos del NT de Obras y Servicios Públicos y Evaluación de Vulnerabilidad al Cambio Climático del Consejo Canadiense de Ingenieros Profesionales" (PDF) .
  3. ^ btfsolar.com
  4. ^ "Intercambiadores de calor de termosifón" . apogee.net .
  5. ^ "¿Qué es una tubería de calor? - Otros temas - Artículos - Ingeniería química - Portada - Cheresources.com" . Comunidad de Cheresources.com .
  6. ^ Brian Norton (2011) calentadores de agua solares: una revisión de la innovación de diseño e investigación de sistemas, verde. 1, 189–207, ISSN (en línea) 1869-8778
  7. ^ Kuemel, Bernhard. "Termosifón de enfriamiento de vapor de CPU" . overclockers.com/ . Consultado el 26 de agosto de 2012 .

Enlaces externos [ editar ]

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