En termodinámica de fluidos , un fluido de transferencia de calor es un gas o líquido que participa en la transferencia de calor al servir como intermediario en el enfriamiento en un lado de un proceso , el transporte y almacenamiento de energía térmica y el calentamiento en otro lado de un proceso. Los fluidos de transferencia de calor se utilizan en innumerables aplicaciones y procesos industriales que requieren calefacción o refrigeración, generalmente en un circuito cerrado y en ciclos continuos . El agua de refrigeración, por ejemplo, enfría un motor, mientras que el agua de calefacción en un sistema de calefacción hidrónico calienta el radiador de una habitación.
El agua es el fluido de transferencia de calor más común debido a su economía, alta capacidad térmica y propiedades de transporte favorables. Sin embargo, el rango de temperatura útil está restringido por la congelación por debajo de 0 °C y la ebullición a temperaturas elevadas dependiendo de la presión del sistema . Los aditivos anticongelantes pueden aliviar el problema de la congelación hasta cierto punto. Sin embargo, se han desarrollado y utilizado muchos otros fluidos de transferencia de calor en una gran variedad de aplicaciones. Para temperaturas más altas, los fluidos a base de aceite o hidrocarburos sintéticos o silicona ofrecen una presión de vapor más baja . Las sales fundidas y los metales fundidos se pueden utilizar para transferir y almacenar calor a temperaturas superiores a 300 a 400 °C donde los fluidos orgánicos comienzan a descomponerse. Los gases como el vapor de agua , el nitrógeno , el argón , el helio y el hidrógeno se han utilizado como fluidos de transferencia de calor donde los líquidos no son adecuados. Para los gases, la presión generalmente debe elevarse para facilitar mayores velocidades de flujo con baja potencia de bombeo.
Para evitar el sobrecalentamiento, el fluido fluye dentro de un sistema o dispositivo para transferir el calor fuera de ese dispositivo o sistema en particular.
Por lo general, tienen un punto de ebullición alto y una capacidad térmica alta . Un punto de ebullición alto evita que los líquidos de transferencia de calor se vaporicen a altas temperaturas. Una capacidad térmica alta permite que una pequeña cantidad de refrigerante transfiera una gran cantidad de calor de manera muy eficiente.
Se debe garantizar que los líquidos caloportadores utilizados no tengan un punto de ebullición bajo, ya que un punto de ebullición bajo provocará la vaporización del líquido a bajas temperaturas cuando se utilicen para intercambiar calor con sustancias calientes, lo que producirá vapores del líquido en la propia máquina donde se utilicen.
Además, los fluidos de transferencia de calor deben tener una alta capacidad térmica. La capacidad térmica indica la cantidad de calor que el fluido puede retener sin cambiar su temperatura. En el caso de los líquidos, también muestra la cantidad de calor que el líquido puede retener antes de que su temperatura alcance su punto de ebullición y finalmente se vaporice.
Si el fluido tiene una capacidad térmica baja, significará que se necesitará una gran cantidad de fluido para intercambiar una cantidad relativamente pequeña de calor. Esto aumentará el costo de 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 de los mismos provocará su vaporización , lo que puede resultar peligroso para el equipo en el que se utilizan. El equipo estará diseñado para líquidos, pero su vaporización incluirá vapores en el canal de flujo. Además, los gases ocupan un volumen mayor que los líquidos a la misma presión. La producción de vapores aumentará la presión en las paredes de la tubería o canal por donde fluirá. Esto puede provocar la ruptura del canal de flujo.
Los fluidos de transferencia de calor tienen propiedades térmicas y químicas específicas que determinan su idoneidad para diversas aplicaciones industriales. Las características clave incluyen:
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 procesar carnes y aperitivos. Los procesos químicos suelen depender de ellos para los reactores discontinuos y las operaciones continuas. Los sectores de plásticos, caucho y compuestos utilizan fluidos de transferencia de calor en los procesos de moldeo y extrusión. También son fundamentales en la síntesis y destilación petroquímica, la refinación de petróleo y gas, y para la conversión de materiales en prensas y operaciones de laminación. [3]
En las plantas de energía solar, los fluidos de transferencia de calor se utilizan en concentradores como los sistemas lineales Fresnel y de canal parabólico para la generación eficiente de energía y el almacenamiento térmico. Las sales fundidas y los fluidos sintéticos de transferencia de calor se utilizan en función de su capacidad para funcionar en varios rangos de temperatura, lo que contribuye a la generación de electricidad y la fabricación de polisilicio para células fotovoltaicas. Estos fluidos ayudan en los pasos de purificación y enfriamiento de la producción de polisilicio, esencial para crear silicio de alta pureza para aplicaciones solares y electrónicas. [4] Por lo general, se realizan análisis técnico-económicos para seleccionar el fluido de transferencia de calor adecuado. [5] Con respecto a la selección de un aceite térmico de bajo costo o rentable, es importante considerar no solo el costo de adquisición o compra, sino también los costos operativos y de reemplazo. [5] Un aceite que inicialmente es más caro puede resultar más rentable a largo plazo si ofrece una mayor estabilidad térmica, reduciendo así la frecuencia de reemplazo. [5]
La elección de un fluido de transferencia de calor es fundamental para la eficiencia y la longevidad del sistema. A continuación, se indican algunos fluidos de uso común: