Un refrigerante es una sustancia, normalmente líquida, que se utiliza para reducir o regular la temperatura de un sistema. Un refrigerante ideal tiene alta capacidad térmica , baja viscosidad , es de bajo costo, no tóxico , químicamente inerte y no causa ni promueve la corrosión del sistema de enfriamiento. Algunas aplicaciones también requieren que el refrigerante sea un aislante eléctrico .
Si bien el término "refrigerante" se usa comúnmente en aplicaciones automotrices y HVAC , en el procesamiento industrial, el fluido de transferencia de calor es un término técnico que se usa con mayor 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 en términos generales 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 aceite nulo (refrigerante sintético).
Este refrigerante puede mantener su fase y permanecer líquido o gaseoso, o puede sufrir una transición de fase , y el calor latente aumenta la eficiencia de enfriamiento. Este último, cuando se utiliza para alcanzar una temperatura inferior a la ambiental , se conoce más comúnmente como refrigerante .
El aire es una forma común de refrigerante. La refrigeración 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 mayor que la de todos los demás gases, tiene una alta capacidad calorífica específica , baja densidad y, por lo tanto, baja viscosidad , lo que es una ventaja para las máquinas rotativas susceptibles a pérdidas por 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 de energía 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 alto calor latente específico del cambio de fase de ebullición/condensación , la entalpía de vaporización , además de la capacidad calorífica sin cambio de fase del fluido .
Los refrigerantes son refrigerantes 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 utiliza con frecuencia en grandes sistemas comerciales y el dióxido de azufre se utilizó en los primeros refrigeradores mecánicos. El dióxido de carbono (R-744) se utiliza como fluido de trabajo en sistemas de control climático para automóviles, aire acondicionado residencial, refrigeración comercial y máquinas expendedoras. Muchos refrigerantes, por lo demás excelentes, se están eliminando por razones medioambientales (los CFC debido a los efectos de la capa de ozono, ahora muchos de sus sucesores se enfrentan a restricciones debido al calentamiento global, por ejemplo el R134a).
Los heatpipes son una aplicación especial de los refrigerantes.
A veces se emplea agua de esta manera, por ejemplo, en reactores de agua en ebullición . El efecto de cambio de fase puede usarse intencionalmente o puede ser 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 a menudo se mantiene 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, donde el calor se transfiere por flujo convectivo o forzado.
El agua es el refrigerante más común. Su alta capacidad calorífica y su bajo coste lo convierten en un medio de transferencia de calor adecuado. Suele utilizarse con aditivos, como inhibidores de corrosión y anticongelantes . El anticongelante, una solución de una sustancia química orgánica adecuada (normalmente etilenglicol , dietilenglicol o propilenglicol ) en agua, se utiliza cuando el refrigerante a base de agua debe soportar temperaturas inferiores a 0 °C o cuando su punto de ebullición debe ser mayor. aumentó. La betaína es un refrigerante similar, con la excepción de que está elaborado a partir de jugo puro de plantas y no es tóxico ni difícil de eliminar de forma ecológica. [1]
El polialquilenglicol (PAG) se utiliza como fluidos de transferencia de calor térmicamente estables y de alta temperatura que exhiben una fuerte resistencia a la oxidación. Los PAG modernos tampoco pueden ser tóxicos ni peligrosos. [2]
El fluido de corte es un refrigerante que también sirve como lubricante para máquinas herramienta que conforman 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 elevarse a temperaturas considerablemente más altas (por encima de 100 grados Celsius) sin introducir altas presiones dentro del recipiente 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 el combustible, o varias funciones similares a la vez.
Los combustibles se utilizan frecuentemente como refrigerantes para motores. Un combustible frío fluye sobre algunas partes del motor, absorbiendo el calor residual y precalentándose antes de la combustión. El queroseno y otros combustibles para aviones desempeñan 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 de agua y etilenglicol. Con puntos de ebullición más altos que el agua (alrededor de 370 ° F), la tecnología de enfriamiento resiste el desbordamiento. El líquido también previene la corrosión . [4]
Los freones se utilizaban frecuentemente para la refrigeración por inmersión de, por ejemplo, aparatos electrónicos.
Las aleaciones líquidas fusibles se pueden utilizar como refrigerantes en aplicaciones donde se requiere estabilidad a alta temperatura, por ejemplo, algunos reactores nucleares de reproducción rápida . Con frecuencia se utiliza sodio (en reactores rápidos enfriados por sodio ) o una aleación de sodio y potasio NaK ; en casos especiales se puede utilizar litio . Otro metal líquido utilizado como refrigerante es el plomo , por ejemplo en reactores rápidos refrigerados por plomo , o una aleación de plomo- bismuto . Algunos de los primeros reactores de neutrones rápidos utilizaban mercurio .
Para determinadas aplicaciones, los vástagos de las válvulas de asiento para automóviles pueden ser huecos y estar llenos 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 criomicroscopía electrónica , el overclocking de procesadores de ordenadores, aplicaciones que utilizan superconductores o sensores extremadamente sensibles y amplificadores de muy bajo ruido .
Dióxido de carbono (la fórmula química es CO 2 ): se utiliza como sustituto del refrigerante [5] para los fluidos de corte. El CO2 puede proporcionar un enfriamiento controlado en la interfaz de corte de manera que la herramienta de corte y la pieza de trabajo se mantengan a temperatura ambiente. El uso de CO 2 extiende enormemente 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 si se compara con el uso de aceites de petróleo como lubricantes; Las piezas permanecen limpias y secas, lo que a menudo puede eliminar operaciones de limpieza secundaria.
El nitrógeno líquido , que hierve a aproximadamente -196 °C (77 K), es el refrigerante más común y menos costoso en uso. El aire líquido se utiliza en menor medida, debido a su contenido de oxígeno líquido lo que lo hace propenso a provocar incendios o explosiones al entrar 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 .
Como refrigerante también se puede utilizar hidrógeno líquido entre -250 y -265 °C. El hidrógeno líquido también se utiliza como combustible y como refrigerante para enfriar las boquillas 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 agua, dispersado con pequeñas partículas a nanoescala conocidas como nanopartículas . Las nanopartículas diseñadas específicamente, por ejemplo, de CuO , alúmina , [6] dióxido de titanio , nanotubos de carbono , sílice o metales (por ejemplo , nanobarras de cobre o plata ) dispersadas en el líquido portador mejoran las capacidades de transferencia de calor del refrigerante resultante en comparación con el líquido portador. solo. [7] En teoría, la mejora puede llegar al 350%. Sin embargo, los experimentos no demostraron mejoras tan elevadas en la conductividad térmica, pero sí 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 aumentaron 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 sobre el objeto enfriado, lo que favorece la formación de nuevas burbujas, y su naturaleza hidrófila ayuda a expulsarlas, dificultando la formación de la capa de vapor. [10] Los nanofluidos con una concentración superior al 5% actúan como fluidos no newtonianos .
En algunas aplicaciones, se utilizan materiales sólidos como refrigerantes. Los materiales requieren mucha energía para vaporizarse; Esta energía luego es transportada por los gases vaporizados. Este enfoque es común en vuelos espaciales , para escudos ablativos de reentrada atmosférica y para enfriamiento de toberas de motores de cohetes . El mismo enfoque se utiliza también para la protección contra incendios de 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 está enfriando. A veces se utiliza un fluido caloportador adicional; agua con hielo y hielo seco en acetona son dos combinaciones populares.
La sublimación de hielo de agua se utilizó para enfriar el traje espacial del Proyecto Apolo .
