El fluido de trabajo es el principal elemento del termosifón. Este deberá tener las siguientes propiedades:
1.- Alta tensión superficial para asegurar el bombeo. 2.- Buenas características de mojado por la misma razón. 3.- Baja viscosidad para asegurar el bombeo.
4.- Alto calor latente para aumentar el calor transportado.
5.- Alta conductividad térmica para ayudar en la transmisión de calor entre el fluido y la pared del tubo.
6.-Puntos de condensación y evaporación compatibles con la gama de operación. 7.-Alta densidad para reducir la resistencia al flujo.
8.-Estabilidad química.
Por otro lado, los fluidos de trabajo se pueden clasificar en 4 categorías dependiendo de la aplicación, estas pueden ser: ultra baja temperatura (criogénica), baja temperatura, media temperatura y alta temperatura.
En la Tabla 2.1 se muestran algunos fluidos de trabajo utilizados en los tubos termosifones [11, 12,13].
Tabla 2.1.-Intervalos de temperatura de aplicación y fluidos de trabajo[11,12,13]
Criogénica (1 a 200 K) Baja temperatura (200 K a 500 K) Media temperatura (500 a 700 K) Alta temperatura (700 a 3000 K)
Helio Agua Sulfuro Plata
Hidrógeno Amoniaco Mercurio Indio
Neón Refrigerante R-134ª Agua+Na2HPO4 Litio
Oxígeno Dowtherm A Agua+Naphtaleno Sodio Nitrógeno Etanol Agua+FC-72(C6F14) Potasio
Trietilenglicol-Agua Dowtherm A(fluido térmico) Cesio Glicol
El agua es un importante fluido de trabajo este se puede utilizar solo o como mezcla agregándole otra sustancia. Además, presenta una temperatura de operación, que es similar a la que se encuentra en la temperatura de la salida de los gases de escape de diversos equipos industriales.
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Los materiales con que son construidos el recipiente son varios por ejemplo, aceros al carbón, cobre, aluminio, aceros inoxidables, etc. En la tabla 2.2 se muestran algunos más materiales de fabricación y fluidos de trabajo.
Tabla 2.2.-Materiales de construcción y fluidos de trabajo[11,12,13]
Fluidos de trabajo Material del recipiente Acetona Níquel
Acero inoxidable (304,321) Amoníaco Acero al carbón
Fierro Diclorobenceno Cobre
Mercurio Acero inoxidable (304,321,347) Metanol Cobre
Acero
Potasio Acero inoxidable(304,347) Níquel
Sodio Hastelloy-X(Ni con 22% Cr, 18% Fe, 9% Mo, 1.5% Co, 0.5% W) Haynes Alloy 25(Co con 20 % Cr, 15 % W, 10% Ni) Agua
Cobre
Cobre-níquel-acero Titanio
Nitrógeno Acero inoxidable Cobre
Etanol Cobre Metanol Cobre
El uso del acero y el agua como material de construcción y fluido de trabajo respectivamente en el tubo termosifón, es muy atractiva debido, por ejemplo, a su bajo costo y la alta transmisión de calor que se obtiene.
Sin embargo, es conocido que el material ferroso es químicamente incompatible con el agua, y una manifestación de esta incompatibilidad es la aparición de herrumbre. Esto a través del tiempo va destruyendo al material, por lo que es muy importante comprender el fenómeno de la corrosión.
2.5 Corrosión
La corrosión es sinónimo de la destrucción del metal, tiene muchas formas de manifestarse y depende del ambiente al que este sujeto. La detención de la corrosión es una ciencia que abarca muchas áreas y su estudio requiere de muchos conocimientos. Sin embargo, el producto de la corrosión es muy palpable y no es particular de una rama su estudio, lo que hace que cada persona tome acción contra ella de diferentes formas cada día.
El propósito de este punto 2.5 sólo consiste en ilustrar en forma breve como sucede el mecanismo de corrosión del fierro en agua con presencia de oxigeno disuelto en esta. En la Fig. 2.2 se presenta el esquema del posible mecanismo de la corrosión, el cual se describe a continuación.
26 Fig. 2.5.- Mecanismo de corrosión del fierro debido a una gota de agua [14]
Mecanismo de la corrosión
1.- La corrosión principia cuando a una superficie de metal ferroso le cae una gota de agua y en el centro de la gota en contacto con el Fe, donde da inició la reacción siguiente:
→ ++ + 2 −, en la zona del ánodo (-).
2.- Los electrones (2e-), se desprenden de la rotura del enlace atómico del Fe, se desplazan por el metal y lo cargan (-).
3.- Los iones Fe++ reaccionan con el 2H
2O obteniéndose Fe(OH)2 más dos iones de hidrógeno
(2H+).
4.- Los iones hidrógeno (2H+) se reducen en el cátodo (+) con los electrones (2e-) obtenidos de la corrosión del Fe según la reacción:
2 ++ 2 −→ 2, por lo que el gas H2 puede escapar a la atmósfera o polarizar el cátodo (+),
pero el oxigeno del aire puede ser el despolarizante.
5.- El Fe(OH)2 (punto 3), el cual se puede encontrar en la periferia de la gota del agua, reacciona
con el O2 del medio ambiente, obteniéndose la herrumbre, esta se deposita a un lado del área
catódica de manera que no impida que el H2 (gas) escape.
6.- Se considera que la herrumbre tiene las siguientes fórmulas o sustancias:
FeO FeO-H2O Fe(OH)3 2Fe(OH)3 Fe2O3-H2O Fe2O3
7.-Por último, la gota de agua se evapora y queda sobre el metal el oxido de fierro, es decir, la herrumbre la cual es de color café claro.
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Lo anterior es un proceso electroquímico porque ocurre sobre la superficie del metal y un medio ambiente, o sea el fluido. En este proceso sucede una combinación de una o más sustancias para formar un producto y también un desprendimiento de energía eléctrica debido a que el fenómeno de la corrosión sucede a nivel de los átomos y estos están conformados por un núcleo, el cuál contiene protones (+) y electrones (-). Siendo los electrones los que se pueden desplazar a través del metal y se pueden medir, porque generan una corriente eléctrica al moverse.
Entonces, en la zona en donde sucede la corrosión hay un proceso de oxidación, el cual se refiere al intercambio de energía entre dos zonas del mismo material y el agua. Estas áreas son el ánodo y el cátodo. El ánodo cede o pierde un electrón y el cátodo es el que lo recibe, es decir la zona que perdió a un electrón se oxida y el que lo capta se reduce.
Para que lo anterior no ocurra, se tendrá que evitar de alguna manera un flujo de electrones. 2.6 Disminución de la corrosión en los termosifones
Como se vio en el punto 2.5, una de las principales causas del deterioro del metal es el oxigeno disuelto en el agua, ya que este puede causar picaduras y posteriormente fisuras en la superficie interna del termosifón según la siguiente reacción:
2 + 2 + 2 → 2 3+ 2 2.32
En esta interacción los productos de la corrosión son el gas hidrógeno y la formación de oxido de fierro ( 2 3) hematita, la cual es un mineral de fierro de color café rojizo, es decir la
herrumbre, lo que normalmente se observa en la corrosión.
Para contribuir en la solución de la corrosión del acero se han llevado a cabo diversas investigaciones. Nishchick et al [15] encontraron que recubriendo la superficie interna y agregando un inhibidor, sin mencionar cual, al fluido de trabajo de un termosifón construido de acero, se podría ayudar a reducir la corrosión y la acumulación de hidrógeno. Novotna et al [16] anuncio que recubriendo con magnetita la superficie interior y añadiendo 5 g/L de cromato de potasio al agua fue el mejor método de protección de la corrosión en un tubo hecho de acero. Kiatsiriroat et al [17] estudiaron el comportamiento de fluidos de trabajo compuestos de las mezclas etanol-agua y trietilenglicol-agua a diferentes concentraciones. Se encontró que en el caso de TEG-agua la transferencia de calor varía con la cantidad de TEG-agua y que se puede retrasar la aparición del límite de inundamiento en pequeños termosifones. Terdtoon et al [18] llevaron a cabo un estudio en el que usaron diferentes métodos de protección interna de los termosifones, entre ellas: calentamiento del tubo y adición de inhibidores .Mou et al [19] realizaron un estudio para prolongar la vida útil de los caloductos fabricados de acero al carbón a través de hacer un cierto tratamiento en la superficie interior de los elementos.
Como se vio de lo anterior existen dos métodos para disminuir los efectos de la corrosión. El primero es hacer un tratamiento a la superficie interna del termosifón. El segundo es agregar un aditivo al fluido de trabajo. El enfoque de este trabajo estará dirigido al segundo método ya que presenta ciertas ventajas, por ejemplo, es práctico y varios aditivos inhiben la corrosión al crear una capa protectora en la superficie interna del tubo.
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El tubo termosifón normalmente usa un solo componente como fluido de trabajo, por ejemplo, agua bidestilada. Para mejorar unos aspectos, tal como la corrosión, se puede añadir otro componente al fluido de trabajo, un aditivo, para evitar o detener el deterioro del metal.