El termosifón (o termosifón ) es un método de intercambio de calor pasivo , basado en la convección natural , que hace circular 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 utilizados en una chimenea de leña o una chimenea solar .
Esta circulación puede ser de circuito abierto, como cuando la sustancia contenida en un tanque de almacenamiento pasa en una dirección a través de un tubo de transferencia calentado montado en el fondo del tanque hasta un punto de distribución, incluso uno montado sobre el tanque de origen, o puede ser un circuito cerrado vertical con retorno al recipiente original. Su propósito es simplificar la transferencia de líquido o gas, evitando al mismo tiempo el costo y la complejidad de una bomba convencional.
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La convección natural del líquido comienza cuando la transferencia de calor al líquido da lugar a una diferencia de temperatura de un lado al otro del circuito. 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 cálido de un lado del circuito es menos denso y, por lo tanto, más flotante que el fluido más frío del otro lado. El fluido más cálido "flotará" por encima del fluido más frío, y el fluido más frío se "hundirá" por debajo del fluido más cálido. Este fenómeno de convección natural se conoce con el dicho "el calor sube". La convección mueve el líquido calentado hacia arriba en el sistema a medida que es reemplazado simultáneamente por 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.
En algunas situaciones, el flujo de líquido puede reducirse aún más o detenerse, tal vez porque el circuito no está completamente lleno de líquido. En este caso, el sistema ya no produce convección, por lo que no se trata de un "termosifón" habitual.
El calor aún puede transferirse en este sistema por evaporación y condensación de vapor; sin embargo, el sistema se clasifica correctamente como un 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 se ha descrito a veces 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 mediante acción capilar . 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 que 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 lejos del vector de aceleración. Por lo tanto, la orientación es mucho más importante para los termosifones que para los tubos de calor. Además, los termosifones pueden fallar debido a una burbuja en el circuito y requieren un circuito de tubos circulantes.
Si la tubería de un termosifón resiste el 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. Se trata de un invento muy conocido llamado rehervidor . Un grupo de rehervidores unidos a un par de plenas se denomina calandria. En algunas circunstancias, por ejemplo, el sistema de refrigeración de un coche antiguo (anterior a 1950), la ebullición del fluido hará que el sistema deje de funcionar, ya que el volumen de vapor creado desplaza demasiado agua y se detiene la circulación.
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 solo por convección. Para mejorar el rendimiento, se necesita más fluido (posiblemente en un termosifón más grande) o se deben bombear todos los demás fluidos (incluido el aire) fuera del circuito.
Los termosifones se utilizan en algunos sistemas de calefacción solar basados en líquidos 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 , 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 movimiento del líquido calentado fuera del colector solar sea 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]
En lugares históricamente dominados por condiciones de permafrost, los termosifones pueden usarse para contrarrestar fuerzas geológicas adversas en 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 cálidas récord. [8] Según el Centro de Investigación del Clima de Alaska en la Universidad de Alaska Fairbanks , entre 1949 y 2018 la temperatura anual promedio en Alaska aumentó 4,0 grados Fahrenheit, con un aumento de 7,2 grados Fahrenheit durante el invierno. [9]
Los termosifones se utilizan para refrigerar por agua los componentes internos de las computadoras, [10] más comúnmente el procesador . Si bien se puede utilizar cualquier líquido adecuado, el agua es el líquido más fácil de usar en los sistemas de termosifón. A diferencia de los sistemas de refrigeración por agua 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 comúnmente utilizado es un radiador , donde los ventiladores soplan aire activamente a través de una superficie aumentada para condensar el vapor en un líquido. El líquido más denso cae, recirculando así a través del sistema y repitiendo el proceso. No se requiere bomba. El ciclo de evaporación y condensación es impulsado por la diferencia de temperatura y gravedad.
Sin una refrigeración adecuada, un chip de procesador moderno puede alcanzar rápidamente temperaturas que provoquen un mal funcionamiento. Incluso con un disipador de calor y un ventilador comunes conectados, las temperaturas de funcionamiento típicas de un 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 pueda cubrir múltiples fuentes de calor y, en términos de diseño, sea más compacto que un disipador de calor y un ventilador convencionales de tamaño adecuado.
Los termosifones deben montarse de forma que el vapor suba y el líquido baje hasta la caldera, sin curvas en los tubos donde el líquido se acumule. Además, el ventilador del termosifón que enfría el gas necesita aire frío para funcionar. El sistema tiene que ser completamente hermético; de lo contrario, el proceso de termosifón no surtirá efecto y hará que el agua solo se evapore en un pequeño período de tiempo.
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Algunos de los primeros automóviles, vehículos de motor y equipos agrícolas e industriales accionados por motor utilizaban la circulación por termosifón para mover el agua de refrigeración entre el bloque de cilindros y el radiador. Este método de circulación del agua depende de mantener suficiente aire frío en movimiento a través del radiador para proporcionar una diferencia de temperatura suficiente; el movimiento del aire se lograba mediante el movimiento hacia adelante del vehículo y mediante 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 impulsadas por el motor para ayudar a la circulación. Los motores más compactos comenzaron a utilizar radiadores más pequeños y requieren patrones de flujo más intrincados, 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 hace circular su agua de refrigeración solo por termosifón es susceptible de sobrecalentarse durante períodos prolongados de ralentí o de marcha muy lenta, ya que la falta de movimiento hacia adelante proporciona muy poco flujo de aire a través del radiador, a menos que uno o más ventiladores puedan mover suficiente aire por sí mismos. Los sistemas de termosifón 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 generalmente puede soportar un nivel de refrigerante más bajo.
Muchos diseños de máquinas de café expreso utilizan un termosifón para mantener una temperatura estable.
La máquina de café expreso E-61 tiene un cabezal con termosifón. Este cabezal es común en muchas máquinas de café expreso actuales.
Algunas máquinas de café expreso de palanca tienen una pared doble alrededor del pistón en su grupo que se utiliza como termosifón. Un ejemplo moderno serían las máquinas de Londinium.
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