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. La termosifón también se produce a través de gradientes de temperatura del aire, como los utilizados en una chimenea de leña o en una chimenea solar .
Esta circulación puede ser de circuito abierto, como cuando la sustancia en un tanque de retención 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 encima del tanque de origen, o puede ser de circuito abierto. Ser un circuito vertical de bucle 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.
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 de 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 en el otro lado. El fluido más caliente "flotará" sobre el fluido más frío y el fluido más frío se "hundirá" debajo del fluido 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 mientras 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, quizás porque el circuito no está completamente lleno de líquido. En este caso, el sistema ya no convecta, por lo que no se trata de un "termosifón" habitual.
En este sistema todavía se puede transferir calor mediante la evaporación y condensación del vapor; sin embargo, el sistema está clasificado correctamente como termosifón con 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 heatpipes suelen tener una mecha para devolver el condensado al evaporador mediante acción capilar . No se necesita 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) sólo pueden transferir calor "hacia arriba" o lejos 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 circulantes.
Si la tubería de un termosifón resiste el flujo o se aplica calor excesivo, el líquido puede hervir. Como el gas flota más que el líquido, la presión convectiva es mayor. Este es un invento muy conocido llamado hervidor . Un grupo de hervidores unidos a un par de plenas se llama calandria. En algunas circunstancias, por ejemplo, en el sistema de refrigeración de un automóvil más antiguo (anterior a los años 50), la ebullición del líquido hará que el sistema deje de funcionar, ya que el volumen de vapor creado desplaza demasiada agua y se detiene la circulación.
El término "termosifón de cambio de fase" es un nombre inapropiado y debe evitarse. [ cita necesaria ] 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 de base líquida para calentar un líquido como el agua . El agua se calienta pasivamente mediante energía solar y depende de la transferencia de energía térmica 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 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 las 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 Climática de Alaska de 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 enfriar por agua los componentes internos de la computadora, [10] más comúnmente el procesador . Si bien se puede utilizar cualquier líquido adecuado, el agua es el líquido más fácil de utilizar 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 convección para el movimiento del agua calentada (que puede convertirse en vapor) desde los componentes hacia arriba hasta un intercambiador de calor. Allí el agua se enfría y queda 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 mayor para condensar el vapor en un líquido. El líquido más denso cae, recirculando así por el sistema y repitiéndose el proceso. No se requiere bomba. El ciclo de evaporación y condensación está 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 común y un ventilador 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, desde el punto de vista del diseño, sea más compacto que un disipador de calor y un ventilador convencionales del tamaño adecuado.
Los termosifones deben montarse de manera que el vapor suba y el líquido fluya hacia la caldera, sin que los tubos se doblen para que 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 sólo se evapore en un pequeño período de tiempo.
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Algunos de los primeros automóviles, vehículos de motor y equipos industriales y agrícolas impulsados por motores utilizaban circulación termosifón para mover el agua de refrigeración entre el bloque de cilindros y el radiador. Este método de circulación de agua depende de mantener suficiente aire frío pasando por el radiador para proporcionar un diferencial de temperatura suficiente; el movimiento del aire se logró 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 agregaron bombas impulsadas por motor para ayudar a la circulación. Los motores más compactos comenzaron a utilizar radiadores más pequeños y a requerir patrones de flujo más complicados, 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 únicamente mediante termosifón es susceptible de sobrecalentarse durante períodos prolongados de ralentí o viajes muy lentos, ya que la falta de movimiento hacia adelante proporciona muy poco flujo de aire que pasa por el radiador, a menos que uno o más ventiladores puedan mover suficiente aire por sí mismos. . Los sistemas de termosifón también son muy sensibles al nivel bajo de refrigerante, es decir, perder sólo 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.
Muchos diseños de máquinas de café expreso utilizan un termosifón para mantener una temperatura estable.
La cafetera espresso E-61 tiene un cabezal de grupo con termosifón. Este cabezal de grupo es común en muchas máquinas de espresso actuales.
Algunas cafeteras espresso de palanca tienen una doble pared alrededor del pistón de su grupo que se utiliza para un termosifón. Un ejemplo moderno serían las máquinas de Londinium.
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