Fluido Caloportador Agua con Anticongelante

Un anticongelante es una sustancia química que se mezcla con el agua para reducir su punto de congelación.
Tendremos que tener muy en cuenta las propiedades de la mezcla y que se citan a continuación:

Propiedades físicas

Toxicidad
Los anticongelantes suelen ser tóxicos tanto por los elementos que se utilizan en su composición como por la adición de productos inhibidores de la corrosión, hecho que nos obligará a asegurarnos de la imposibilidad de mezcla entre estos y el agua de consumo. La forma más sencilla de lograrlo es haciendo que la presión del circuito primario sea inferior a la del secundario, para que en caso de contacto entre ambos fluidos por rotura en el punto de intercambio, el agua pase hacia el circuito primario que contiene el anticongelante y no al revés. Por este motivo, la válvula de seguridad del circuito primario estará tarada a una presión inferior a la del agua de red, para provocar su funcionamiento en el caso de la avería citada.

Viscosidad
El hecho de añadir anticongelante al agua hace que aumente considerablemente su viscosidad, por lo que será preciso tener en cuenta esto a la hora de hallar las pérdidas de carga de las instalaciones y la potencia del electrocirculador, sobre todo para el caso del arranque en frío después de parar la instalación durante la noche (ver tablas).

Viscosidad de una disolución de etilenglicol, en función de la temperatura
Viscosidad de una disolución de etilenglicol, en función de la temperatura

Los centipoises son una unidad de viscosidad. En el Sistema Internacional 1 pascal·segundo, equivale a 1.000 centipoises.
1 Pa·s = 10 Poises o dina·s/cm2 = 1.000 Centipoises.

La dina·s/cm2 se llamó poise en honor de Poiseuille, físico francés (1839) que estudió el rozamiento en flujo de fluidos a baja velocidad, en particular la sangre.

Dilatación
El coeficiente de dilatación de los anticongelante es más alto que el del agua, por lo que se deberá tener en cuenta al calcular el vaso de expansión. Como norma de seguridad, al usar anticongelantes en proporciones de hasta un 30%, aplicaremos un factor corrector de 1,1, y de 1,2 si la proporción es mayor.

Estabilidad
Normalmente son compuestos orgánicos (metanol, etanol, etilenglicol…) que se degradan con temperaturas superiores a 120 ºC.
Esta degradación produce agentes corrosivos, por lo que generalmente la mayoría de los anticongelantes contienen fosfatos, nitratos o algún otro agente anticorrosivo para evitar corrosiones por la degradación del anticongelante.

Calor específico (Ce)
Aunque en general se buscan anticongelantes con un buen coeficiente de transmisión de calor, la mezcla resultante con agua suele tener peores características térmicas.

Cagua > Cmezcla > CAnticongelante

Este nuevo calor específico de la mezcla se deberá tener en cuenta en el diseño de la instalación de tuberías (caudal, diámetro de la tubería, bombas, etc.).

La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la energía térmica necesaria para aumentar la temperatura de un cuerpo un grado (kelvin o Celsius).
El calor especifico (Ce) es la “capacidad calorífica” por unidad de masa.

Ce = C/m

Unidades y equivalencias del Ce:

1 cal/g ºC = 4,18 J/g ºC = 1 kcal/kg ºC = 1 Btu/lbºF
Btu → British thermal unit., lb libras, ºF grados Fahrenheit.

En la siguiente tabla se muestran diferentes calores específicos para varias sustancias.

Sustancia Calor especifico
kJ/kgK Cal/g ºC
Agua 4,18 1,00
Alcohol etílico 2,4 0,58
Cobre 0,386 0,0923
Hielo (-10 ºC) 2,05 0,49
Aluminio 0,900 0,215

Tenemos en un recipiente 1 litro de agua a 25 ºC. Queremos tomarnos una taza de té, para prepararla necesitamos calentar el agua hasta 98 ºC. ¿Qué cantidad de energía es necesaria para calentar el agua? Sabemos que la densidad del agua es 1,00·103 kg/m3 = 1 kg/L.

Sabemos que su calor especifico es 4,18 kJ/kg·K
¿Qué masa de agua tenemos?
Masa = Volumen x densidad = 1 kg/l x 1 litro = 1 kg.
Sabemos por definición que el calor específico es la energía necesaria para calentar un grado centígrado la unidad de masa.
¿Cuántos grados hay que calentar el agua?
T = 98 – 25 = 73 ºC.
Deduciendo de la definición de calor especifico tendremos:
Energía de calentamiento = 73 ºC x 4,18kJ/kg·K x 1kg = 305.14kJ.

Temperatura de ebullición
Al mezclar anticongelante con agua, elevaremos la temperatura de ebullición del agua, aunque no en exceso, por lo que no lo vamos a tener en cuenta (además, supone un efecto favorable).
Al final del tema adjuntamos una serie de tablas con las propiedades y efectos más importantes de dos anticongelantes muy usados, el etilenglicol y el propilenglicol.


Relación de conceptos:

Viscosidad → Pérdidas de carga
Dilatación → Vaso de expansión
Calor específico → Caudal
Toxicidad → Circuito primario

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