Analisis-termodinamico-de-un-termosifon-anular-para-su-uso-en-termometria

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA 
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION 
 
 
 
 
 
 
 
ANALISIS TERMODINAMICO DE UN TERMOSIFON 
ANULAR PARA SU USO EN TERMOMETRIA. 
 
 
 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD 
EN INGENIERIA MECANICA 
 
PRESENTA: 
ING. ARIEL ERNESTO MORENO CORDOVES 
 
 
DIRECTOR DE TESIS: DR. FLORENCIO SANCHEZ SILVA 
 
 
 
MEXICO D.F. MAYO DEL 2001 
 
CONTENIDO 
 
 
 
RESUMEN i 
ABSTRACT 
 
ii 
NOMENCLATURA 
 
iii 
INTRODUCCIÓN 
 
1 
I ANTECEDENTES 
 
3 
1.1. Sensores de medición de temperaturas. 
 
3 
1.1.1. Termómetro de vástago de vidrio. 
 
4 
1.1.2. Termómetros de bulbo y capilar. 
 
5 
1.1.2.1. Termómetros actuados por líquido. 
 
6 
1.1.2.2. Termómetros actuados por vapor. 
 
6 
1.1.2.3. Termómetros de sistema lleno de gas. 
 
8 
1.1.2.4. Termómetros actuados por mercurio. 
 
9 
1.1.3. Termómetros bimetálicos. 
 
10 
1.1.4. Termómetros termopares. 
 
12 
1.1.5. Termómetros de resistencia. 
 
13 
1.1.6. Termistores. 
 
15 
1.1.7. Pirómetros de radiación. 
 
16 
1.2. Calibración de instrumentos de medición. 
 
18 
1.3. Patrones de referencia. 
 
20 
1.4. Termosifones bifásicos. 
 
21 
1.4.1. Caracterización analítica. 
 
22 
1.4.2. Limitaciones en el funcionamiento de los termosifones. 
 
23 
1.4.3. Teoría de los termosifones bifásicos. 
 
24 
1.4.4. Transferencia de calor por un TTB. 
 
26 
1.4.5. Fluidos de trabajo. 
 
26 
1.4.6. Materiales. 
 
29 
II MODELOS MATEMATICOS 
 
30 
2.1. Teoría de Nusselt para la condensación de un vapor puro. 
 
30 
2.1.1. Forma adimensional de la fórmula de Nusselt. 
 
34 
2.1.2. Indicaciones referentes a la fórmula de Nusselt. 
 
35 
2.1.3. Complementos de la fórmula de Nusselt. 
 
35 
2.2. Estudio de flujo en condiciones de interface lisa. 
 
37 
2.2.1. Flujo en la zona adiabática. 
 
38 
III DISEÑO DEL TERMOSIFON 
 
47 
3.1. Determinación de las dimensiones del termosifón anular. 
 
47 
3.2. Descripción de la instalación para fabricar tubos 
termosifones bifásicos. 
 
49 
3.3. Diseño de la instalación experimental. 
 
56 
3.3.1. Selección del equipamiento. 
 
56 
3.3.2. Instrumentación. 
 
58 
3.4. Pruebas de desempeño al termosifón. 
 
61 
IV ANALISIS Y COMPARACION DE RESULTADOS 
 
70 
4.1. Análisis de resultados experimentales. 
 
70 
4.2. Análisis de resultados analíticos. 
 
73 
4.3. Eficiencia térmica del termosifón. 
 
76 
CONCLUSIONES 
 
 
RECOMENDACIONES 
 
 
REFERENCIAS 
 
 
APÉNDICES 
 
 
APÉNDICE A ALGUNAS DEFINICIONES DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN. 
 
APÉNDICE B ANALISIS DE LA INCERTIDUMBRE EXPERIMENTAL. 
 
APENDICE C DAGRAMA DE PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DEL TERMOMETRO 
 DIGITAL. 
 
APENDICE D RESULTADOS EXPERIMENTALES. 
 
APENDICE E PLANOS DE CONSTRUCCION DEL TERMOSIFON. 
 
 
 
DEDICO ESTA TESIS 
 
A mi abuela Susana E. Herrera Pozo y a mi mamá Marianela de los A. Cordovés 
Herrera, una vez mas, y por siempre. 
 
A mi pequeño Ariel Alejandro. 
 
 
 
AGRADEZCO 
 
A mi madre. Sin su ayuda y apoyo nada de esto hubiera sido posible. 
 
A mi esposa Odalys González Alvarez, por estar a mi lado en todo momento 
ofreciéndome su cariño, comprensión y apoyo incondicional. 
 
A mi hermano Boris Alejandro, por el ejemplo que siempre ha significado para mí. 
 
A los demás miembros de la familia: Mi papá, Tita, la china, mi hermana, mis primos, 
tíos, suegros, cuñados, etc. 
 
Al Instituto Politécnico Nacional, por darme la posibilidad de realizar esta Maestría. 
 
A mi asesor Dr. Florencio Sánchez Silva, por sus consejos y ayuda para realizar este 
trabajo. 
 
A los miembros de la comisión revisora, por sus recomendaciones. 
 
Al Programa Institucional de Formación de Investigadores. 
 
A mis compañeros del LABINTHAP, así como al colectivo de profesores, por haber 
compartido conmigo esta etapa de mi vida y por sus enseñanzas. 
 
A los compañeros de la Oficina Económica de la Embajada de la República de 
Cuba en México, por su apoyo en todo momento. 
 
Al Dr. Luis O. Galvez Taupier. 
 
A mis compañeros del Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología, de La 
Habana, Cuba. 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
 
En este trabajo se presenta un estudio para determinar la posible utilización de un 
termosifón bifásico anular en termometría como patrón de referencia secundario de 
instrumentos de medición de temperaturas, o bien como fuente isotérmica para la 
calibración de dichos instrumentos por el método de comparación. Para esto se diseño, 
fabricó y caracterizó experimentalmente un termosifón bifásico anular que utiliza agua 
como fluido de trabajo. 
 
También se presentan y se comparan dos modelos matemáticos para la descripción del 
funcionamiento del dispositivo; el de condensación por película de Nusselt y el de 
interface lisa para la zona adiabática, los cuales no presentan diferencias significativas 
entre los valores de sus resultados, siendo esta menor al 5 % en todos los casos 
analizados. 
 
Para determinar experimentalmente la isotermicidad de la superficie del anulo del 
termosifón se instalaron ocho termopares a todo lo largo de la misma, y se realizaron 
las pruebas para flujos de agua de enfriamiento de 1, 0.5 y 0.25 lpm. En cada uno de 
los casos anteriores, se suministraron potencias caloríficas en la zona del evaporador 
de 38, 154, 350, 615 y 1385 W respectivamente. Los resultados experimentales 
mostraron la condición isotérmica del dispositivo a partir de los 350 W, así como, la 
ausencia del efecto barra. Estas dos características típicas de los termosifones son 
indispensables para la utilización del mismo como fuente en la calibración de 
instrumentos de medición de temperatura, utilizando el método de comparación. 
 
 i
 
 
ABSTRACT 
 
 
The present work shows an experimental study to analyze the possibility of using the 
two-phase flow annular closed thermosiphons in thermometry as secondary reference 
pattern of temperature measurement instruments, or as an isothermal source for the 
calibration of this kind of instruments by the comparison method. For this purpose, a 
two-phase flow annular thermosiphon using water as working fluid was designed, 
manufactured and experimentally characterized. 
 
We have also developed two mathematical models wich are compared against the 
experimental results. One is based on the film condensation theory of Nusselt and the 
other was developed considering that in the adiabatic zone the interface water-vapor is 
smooth. There is not an important difference between both methods, it was always lower 
than 5% in all the analyzed cases. 
 
To experimentally determine the isothermal characteristic of the annul´s surface, eight 
thermocouples were mounted along the annul of the thermosiphon and the tests were 
carried out for flows of cooling water of 1, 0.5 and 0.25 lpm. In each one of the previous 
cases, heating powers were supplied in the area of the evaporator of 38, 154, 350, 615 
and 1385 W respectively. The experimental results showed the isothermal operation of 
the device starting from the 350 W, characteristic very important and the absence of the 
bar effect as well for the use of this annular thermosiphon as a source for the calibration 
using the comparison method. 
 
 ii
 
NOMENCLATURA 
 
 
a Variable de sustitución. 
b Variable de sustitución. 
C Velocidad del Sonido [ m/s ]. 
C.A. 
c.c. 
Corriente Alterna. [ A ] 
Centímetros cúbicos. 
Cp. Coeficiente de calor a presión constante . [ W.s/kg.°C ] 
g Aceleración de la gravedad. [ m/s2 ] 
G1, G2, G3, G4 Variables de sustitución. 
h Coeficiente de convección. [ W/m2.°C ] 
ITS 1990 Escala Internacional de Temperaturas de 1990. 
IPST-68 Escala Internacional de Temperaturas de 1968. 
IPST-48 Escala Internacional de Temperaturas de 1948. 
k 
K 
l 
Conductividad Térmica. [ W/m.°C] 
Permeabilidad 
Longitud. [ m ] 
m
.
 
 
Flujo másico. [ kg/s ] 
Mv Número de Mach. 
P Potencia. [ W ] 
P Perímetro. [ m ] 
Q Flujo de Calor. [ kw ] 
r Radio. [ m ] 
R Resistencia. [ Ω ] 
R.P.M. 
RTD 
Revoluciones por minuto. 
Termómetro de resistencia. 
S Area Superficial. [ m2.] 
T Temperatura. [ °C. ] 
TTB 
u 
Tubo Termosifón Bifásico. 
Velocidad. [ m/s ] 
∇ 
V 
Divergencia. 
Voltaje. [ V ] 
w Velocidad del vapor [ m/s ]. 
θ T-T∞. [ °C ] 
ρ Densidad. [ kg/m3] 
µ Viscosidad dinámica. [ kg/m.s ] 
π Pi 
δ Espesor. [ m ] 
ν Viscosidad cinemática. [ m2/s] 
α,β,η,γ Constantes de integración. 
 
 
 iii
Subíndices 
 
 
CON Condensador. 
eff Efectiva. 
EVA Zona del evaporador. 
fg 
i 
Cambio de fase. 
Instantáneo. 
g Acción de gravedad. 
L Fase Líquida. 
LC Líquido en el condensador. 
LE Líquido en el evaporador. 
m 
op 
Promedio. 
Operación. 
p Pared. 
r Dirección radial. 
s 
SAT 
Saturación. 
Saturación. 
V Fase vapor. 
VC Vapor en el condensador. 
VE Vapor en el evaporador. 
w Superficie. 
 
 
 
 
 iv
 
______________________________________________________________Introducción 
 
 
INTRODUCCION 
 
 
La temperatura es la magnitud más importante que se mide en casi todos los procesos 
de la naturaleza. Algunos ejemplos típicos pueden ser: la temperatura en una columna 
de destilación, en una habitación, la temperatura del cuerpo humano, etc. Por tal motivo 
es de suma importancia que los instrumentos que miden la temperatura se encuentren 
calibrados. 
 
El primer indicador de temperatura se remonta a los trabajos realizados por Galileo en 
1597, basados en la expansión del agua, más de cien años después se propusieron las 
primeras escalas de temperatura por Lomonosov y Fahrenheit. Posteriormente 
aparecieron otras escalas, pero todas basadas en el mismo principio de la expansión de 
un líquido en un tubo de vidrio. Se empleó agua, mercurio, alcohol y mezcla de alcohol 
con agua. Como puntos límites de medición se tomaron la temperatura de deshielo y la 
de ebullición del agua. 
 
Como la escala de temperatura, definida por la dilatación del volumen de los líquidos, 
depende de las propiedades de estos, las escalas de temperatura de diferentes líquidos 
difieren, y sólo coinciden en los puntos fundamentales, es decir, en los dos señalados 
en el párrafo anterior. Por ejemplo, entre las indicaciones de un termómetro de alcohol y 
otro de mercurio, con escalas idénticas, al medir la temperatura de 50 °C hay una 
diferencia de 1,8 °C aproximadamente. En los gases, a diferencia de los líquidos, las 
propiedades son tales que las indicaciones de estos termómetros son idénticas para 
todos. 
 
Para obtener una definición de la escala de temperatura, independientemente de las 
cualidades de la sustancia termométrica usada, fue creada por Kelvin en 1898 la escala 
termodinámica de temperaturas, que coincide con la de un termómetro llenado con un 
gas perfecto. Como la realización de esta escala es inalcanzable desde el punto de 
vista práctico, fue necesario desarrollar otra escala de temperatura lo más cercana 
posible a la termodinámica, y que se caracterizara por su comodidad y exactitud. 
Teniendo en cuenta estas especificaciones, se elaboró la Escala Internacional de 
Temperaturas la cual se actualiza aproximadamente cada veinte años [ 16 ]. Esta 
escala se basa en una serie de puntos fijos primarios de temperatura, como son: el 
punto triple del agua, el punto de fusión del Galio y el punto de solidificación del Zinc, 
entre otros. Uno de los métodos de calibración está basado en la utilización de celdas 
que contengan los puntos fijos citados en la Escala Internacional de Temperaturas. La 
otra forma de calibrar consiste en el método por comparación, mediante la cuál se 
introducen dos termómetros, uno es el patrón y otro es el que se necesita calibrar, en 
un baño isotérmico. 
 
En este trabajo se plantean los siguientes objetivos: Verificar las características 
isotérmicas del termosifón a lo largo de la superficie del anulo, para proponer su uso 
 1
 
______________________________________________________________Introducción 
como fuente para la calibración por el método de comparación; y comprobar la 
estabilidad de la temperatura en dicha zona para diferentes mediciones, manteniendo 
constantes el flujo de calor en el evaporador, y el flujo de agua de enfriamiento en el 
condensador. Este último objetivo es para proponer al termosifón como patrón de 
referencia secundario en la calibración de instrumentos de temperatura. 
 
Una de las diferencias significativas entre los caloductos y los termosifones es que los 
primeros cuentan en su interior con una estructura capilar para el transporte del vapor 
condensado. En aplicaciones terrestres, los caloductos pueden ser sustituidos por 
termosifones bifásicos, pero se deben utilizar en una posición vertical, realizando el 
transporte del vapor condensado con la ayuda de la fuerza de la gravedad. Los 
termosifones presentan la característica de trabajar como una aleta perfecta. 
 
Otra de las propiedades que hace interesante el empleo de los termosifones bifásicos 
es la gama de temperatura de trabajo en que pueden aplicarse, estas pueden ir desde 
las muy altas hasta las criogénicas. Por esta razón, se aplican en el enfriamiento de 
reactores nucleares, generadores eléctricos, equipos de recuperación de calor, 
enfriamiento de flechas de motores y álabes de turbinas, energía solar, enfriamiento de 
sensores infrarrojos y sistemas láser, sondas criogénicas, instrumentos quirúrgicos 
utilizados para la extirpación de tumores y muchos otros más. 
 
En el presente trabajo se presenta un estudio, en el cual se diseña, construye y 
caracteriza un termosifón bifásico anular para ser utilizado en termometría. 
 
En el capítulo I, se presenta una reseña histórica de los instrumentos de medición de 
temperaturas existentes en la actualidad, y las formas de calibración. Además se 
presentan los conceptos fundamentales referentes a los termosifones bifásicos, así 
como fluidos y materiales que se utilizan en su construcción. 
 
En el capítulo II, se describen dos modelos matemáticos utilizados para su 
caracterización analítica, el de condensación por película de Nusselt, y el de interface 
lisa utilizado en la zona adiabática. 
 
En el capítulo III, se realiza el diseño y construcción del termosifón, así como la 
instalación utilizada para tal efecto. También se presentan los resultados de la parte 
experimental. 
 
En el capítulo IV, se presentan y comparan los resultados obtenidos con los modelos 
matemáticos y se discuten los resultados que se obtuvieron de forma experimental. 
 
Al término del trabajo se presentan las conclusiones y recomendaciones. Se menciona 
la bibliografía y por último se presentan los apéndices. 
 
 
 
 
 
 2
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
CAPITULO I 
 
ANTECEDENTES. 
 
Cuando un cuerpo se calienta, la velocidad de vibración de sus moléculas se 
incrementa rápidamente en función de la temperatura. Esto trae como consecuencia, 
diferentes efectos físicos. En el caso de un metal, tanto sus dimensiones como su 
resistencia eléctrica aumentan, pero en el caso de un fluido contenido en un recipiente 
cerrado, su presión se incrementa. Sin embargo, en los dos casos anteriores, la 
temperatura se eleva como resultado del calor ganado. 
 
La medición de temperatura constituye una de las prácticas más comunes y más 
importantes que se efectúan en los procesos industriales. Estos procesos exigen el 
control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy 
variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos 
derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales 
generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, 
la industria textil,etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y 
mantener constantes algunas magnitudes, entre las que se encuentra la temperatura. 
 
La mayoría de las mediciones de temperatura de uso común o industrial, están en el 
rango de –100°C a +1,650°C. Sin embargo los progresos en la ciencia y en la ingeniería 
están continuamente ampliando este rango, estudiando nuevos principios de medición y 
mejorando los métodos ya existentes para satisfacer los requerimientos de la demanda 
industrial. 
 
Por otra parte, la terminología empleada en el campo de la instrumentación industrial se 
ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades 
que intervienen directa o indirectamente en este campo empleen el mismo lenguaje. 
Las definiciones de algunos de los términos empleados se encuentran en el apéndice 
A. 
 
1.1 SENSORES DE MEDICIÓN DE TEMPERATURAS. 
 
Sobre ciertas bandas del espectro de temperaturas, hay una amplia gama de 
instrumentos disponibles. El rango de un instrumento, es sólo uno de los factores que 
deben tomarse en cuenta para dar solución a un problema de medición de temperatura. 
La sensibilidad, precisión, tiempo de respuesta, vida útil esperada, costo, disponibilidad 
de varias formas de control automático, resistencia a la corrosión y la vibración son 
otros factores de consideración para una selección adecuada. En la medición de 
temperaturas el cambio relativo de la actividad molecular se manifiesta por una 
expresión cuantitativa. Un instrumento mide la temperatura debido a que es sensible a 
por lo menos uno de los efectos producidos por la actividad molecular incrementada, 
entre los cuales se encuentran: 
 
a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases); 
b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); 
 3
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores); 
d) Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos (termopares); 
e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); 
f) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, 
frecuencia de resonancia de un cristal, etc.) 
 
1.1.1 Termómetro de vástago de vidrio. 
 
El termómetro de vástago de vidrio (fig. 1.1), es uno de los instrumentos mas comunes 
para medir temperatura. El mismo consta de un depósito de vidrio que contiene, por 
ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube por el tubo capilar. Los 
márgenes de trabajo de los fluidos empleados se indican en la siguiente tabla: 
 
Tabla 1.1: Gama de uso de los fluidos de trabajo empleados en los termómetros de 
vástago de vidrio [ 3 ]. 
 
Mercurio -35 hasta + 280 °C 
Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -35 hasta + 450 °C 
Pentano -200 hasta + 20 °C 
Alcohol -110 hasta + 50 °C 
Tolueno -70 hasta + 100 °C 
 
 
La elevación del mercurio en un termómetro que está expuesto al calor, se debe a la 
diferencia entre la expansión del mercurio y la del bulbo de vidrio. Si la expansión del 
mercurio y la del vidrio fueran iguales, el mercurio no subiría en el bulbo. Por eso es 
posible que dos termómetros de mercurio no indiquen el mismo valor cuando no están 
hechos de la misma clase de vidrio y espesor. 
 
El defecto más serio de los termómetros de mercurio con vástago de vidrio, es el 
cambio en el punto cero, pasa mucho tiempo para que regrese a su dimensión original. 
Si se calienta un termómetro de este tipo hasta 100°C y entonces se le enfría muy 
rápidamente, se encontrará el punto cero más bajo que antes del calentamiento. Este 
efecto es conocido como depresión del punto cero. El bulbo continuará contrayéndose 
lentamente, pero puede tardar semanas para que sea alcanzado nuevamente el punto 
original [ 3 ]. 
 
Como el mercurio se congela a –39°C, se miden las temperaturas debajo de este punto 
por medio de termómetros de alcohol, pues el punto de congelación de éste es de –
130°C. 
 
En la medición de temperaturas, no es conveniente usar termómetros de vidrio como 
patrones, ya que la calidad del vidrio, así como su espesor influyen en su indicación. 
Como norma, para este fin se deben usar termómetros actuados por gas que tienen 
como sustancia termométrica ya sea aire, hidrógeno, o nitrógeno. 
 
 4
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
 
Tubo capilar 
Escala del 
instrumento 
Depósito de vidrio que 
contiene mercurio 
 
Fig. 1.1 Termómetro de vidrio. 
 
Aún cuando los termómetros de vidrio no se recomiendan para uso industrial, se utilizan 
en aquellos lugares en donde se puede admitir su uso y su empleo es común en los 
laboratorios. Los diseños normales alcanzan precisiones de ± 1°C, y los hay con 
graduaciones tan pequeñas como 0.1 grado. Dependiendo de su construcción, los 
termómetros de vidrio pueden medir temperaturas en el rango de –200°C hasta 455°C. 
Las ventajas del termómetro de vidrio son su bajo costo, simplicidad y larga vida si se 
trata con cuidado. Las desventajas son: lectura difícil, limitados a mediciones locales, 
no son adaptables para registro o control y se quiebran fácilmente. 
 
1.1.2. Termómetros de bulbo y capilar. 
 
Los termómetros de bulbo y capilar, comúnmente tienen una gráfica circular o una 
escala de indicación con la pluma o puntero articulado a una hélice, o a una espiral de 
presión. El elemento de medición se conecta mediante un tubo capilar al bulbo 
localizado en forma remota al proceso. En los termómetros de bulbo y capilar, se 
utilizan cuatro principios fundamentales: la expansión diferencial de dos metales, 
cambio de volumen de un líquido, cambio de presión del vapor saturado de un líquido 
volátil y cambio de presión de un gas a volumen constante. 
 
Hay tres clases de este tipo de termómetros: 
 
- Clase I: Termómetros actuados por líquido. 
- Clase II: Termómetros actuados por vapor. 
 5
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
- Clase III: Termómetros actuados por gas. 
- Clase IV: Termómetros actuados por mercurio. 
 
1.1.2.1 Termómetros actuados por líquido. 
 
Este termómetro utiliza la expansión volumétrica debido a los cambios térmicos en el 
bulbo para medir la temperatura. El líquido de llenado empleado debe poseer ciertas 
características. Este no debe congelarse para la temperatura mínima a la cual se sujeta 
cualquier parte del sistema, debe poseer una presión de vapor para cualquier 
temperatura del bulbo relativamente baja comparada a la presión del sistema, debe 
tener una característica de expansión lineal para todo el rango de medición, debe ser 
estable durante toda la vida útil del sistema, debe ser de baja viscosidad. Algunos 
líquidos que se utilizan para este tipo de instrumentos son: alcohol etílico para bajas 
temperaturas, metaxileno para rangos de temperatura intermedios, y tetrahidronaftaleno 
para altos rangos. 
 
Su principio de funcionamiento es el siguiente: cuando cambia la temperatura del lugar 
donde se encuentra el bulbo, se produce un cambio relativo en el volumen del fluido de 
llenado. El aumento de volumen produce un movimiento en el elemento helicoidal que 
desplaza la pluma sobre la gráfica a una posición que corresponde a la temperatura 
medida. 
 
La longitud del tubo capilar disponible, es inversamente proporcional a la amplitud de 
temperatura ambiente por donde atraviesa el tubo capilar. Algunas ventajas que 
presenta son: gráfica lineal, las graduaciones uniformes en las gráficas permiten una 
fácil lectura en todo el rango. Esto permite el registro de otras variables en la misma 
gráfica. En este tipo de termómetros se emplean los bulbos más pequeños en 
comparación a cualquierotro tipo de termómetro de bulbo y capilar, por lo que se puede 
instalar en espacios reducidos. La desventaja fundamental es que necesita ser 
compensado por las variaciones que puedan existir en la temperatura ambiente. Para 
capilares cortos hasta 5 m, sólo hay que compensar el elemento de medición (clase IB) 
(fig. 1.2 a). Para capilares mayores a 5 m hay que compensar también el volumen del 
tubo capilar (clase IB) (fig. 1.2 b). 
 
1.1.2.2. Termómetros actuados por vapor. 
 
Este sistema consiste de un bulbo, un tubo capilar de conexión y un elemento helicoidal 
o en espiral. El tubo capilar y el elemento helicoidal se llenan completamente con un 
líquido altamente volátil. El bulbo se llena parcialmente con el mismo líquido y el 
espacio restante se llena con el fluido en estado de vapor. Cuando la temperatura en el 
bulbo aumenta, la presión del vapor se eleva y se trasmite a través del tubo capilar por 
medio del líquido que se encuentra dentro de la hélice la cual tiende a desenrollarse y 
mueve la pluma hacia arriba de la escala. La presión ejercida por el vapor sobre la 
superficie del líquido es una función exponencial de la temperatura de la superficie del 
líquido. 
 
 6
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
 
Fig. 1.2 Termómetro tipo bulbo. 
 
Una característica importante de esta clase de termómetros, es que los cambios de 
temperatura ambiente a lo largo del tubo capilar, no afectan la exactitud del 
instrumento, en consecuencia no necesitan compensación. Si se acerca una flama a lo 
largo del tubo capilar, la presión interior aumenta momentáneamente debido al aumento 
de volumen del líquido en el capilar, esto hace que la pluma se mueva hacia arriba. Sin 
embargo el líquido se descarga al bulbo hasta que se alcanza un estado de equilibrio y 
la pluma regresa a la indicación correcta determinada por la temperatura del líquido en 
el bulbo. 
 
Otra característica importante de los termómetros actuados por vapor, es su tiempo de 
respuesta. Es el más rápido de todos los tipos, porque un cambio ligero de la 
temperatura, ocasiona un cambio rápido en la presión del vapor y se trasmite 
inmediatamente al elemento de indicación. La presión dentro del sistema, es la presión 
de vapor en la interface de líquido y vapor. Por esto, se requiere que el sistema se llene 
de modo que esta interface siempre exista dentro del bulbo. El fluido siempre estará en 
estado líquido en la parte mas fría del sistema. 
 
Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el 
elemento de medición están llenos de líquido (clase IIA) (fig. 1.3), siendo necesario 
corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de 
medición. 
 
 7
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
 
 
 
 
Fig. 1.3 Sistema térmico clase IIA. Fig. 1.4 Sistema térmico clase IIB. 
 
Si la temperatura del bulbo es más baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor 
(clase IIB) (fig. 1.4). La clase IIC, opera con la temperatura del bulbo superior e inferior 
a la ambiente (fig. 1.5), y la clase IID trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual 
e inferior a la ambiente, empleando otro líquido no volátil para trasmitir la presión del 
vapor (fig. 1.6). 
 
 
 
 
 Fig. 1.5 Sistema térmico clase IIC. Fig. 1.6 Sistema térmico clase IID. 
 
1.1.2.3 Termómetros de sistemas llenos de gas. 
 
Este es un sistema lleno de gas que opera en el principio de cambios de presión con 
cambios de temperatura. En este tipo de termómetros de presión de gas, se emplea un 
gas seco sin humedad, que se aproxima tanto como es posible a un gas perfecto. Para 
 8
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
esto, se utiliza helio, nitrógeno o anhídrido carbónico. En estas condiciones, el gas 
obedece aproximadamente la ley de Gay-Lussac-Mariotte: 
 
PV = RT (1.1) 
 
En donde: 
 
P: presión absoluta del gas dentro del recipiente. 
V: volumen del gas. 
T: temperatura absoluta del gas. 
R: constante del gas. 
 
Como la constante del gas y su volumen no pueden cambiar, la presión es proporcional 
a la temperatura. Al igual que para los termómetros actuados por líquido, en este 
sistema se tienen errores por variaciones de temperatura ambiente a lo largo del capilar 
y en el elemento helicoidal o espiral debido a que la densidad del gas en estas partes 
también cambia con la temperatura. Sin embargo, el error se puede reducir 
considerablemente empleando un bulbo grande. Entre más grande sea el bulbo, menor 
será su error. 
 
Este termómetro consiste esencialmente de un bulbo o depósito de gas conectado por 
un tubo capilar a un elemento de hélice o espiral que es en realidad un tubo de Bourdon 
múltiple. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas se expande y por el hecho de 
que el volumen es prácticamente constante, la presión interior aumenta y la espiral 
tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la 
temperatura del punto en donde se encuentra el bulbo. Los termómetros de gas se 
usan convenientemente para medir temperaturas que varíen sobre la amplitud total de 
la escala, lo cual facilita el registro de temperatura y presión en la misma gráfica. El 
tiempo de respuesta es de 6 a 40 segundos para agua en movimiento dependiendo de 
la longitud del capilar. 
 
1.1.2.4. Termómetros actuados por mercurio. 
 
Este sistema trabaja bajo el principio de la expansión de un líquido. Se llena 
completamente con mercurio o una amalgama de mercurio y talio eutéctico como medio 
de operación del sistema principal. 
 
Esta clase de termómetros se distingue de las otras porque opera con más altas 
presiones. Por ejemplo la presión interna de los termómetros de mercurio varía entre 28 
y 85 kg/cm2. Otra diferencia consiste en que usa un bulbo más pequeño. Por ejemplo, 
un termómetro con amplitud de 38°C, tiene un bulbo con 10.8 cc de mercurio. Este 
volumen disminuye en proporción directa con el aumento de temperatura. Para una 
amplitud de 93°C, el volumen es de 5.4 cc y para una amplitud de 204°C, el volumen es 
de 2.7 cc. 
 
Para la espiral se usa un tubo de acero que sea casi completamente aplanado. La 
espiral contiene en consecuencia una cantidad muy pequeña de mercurio y solamente 
 9
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
se necesita un cambio muy pequeño de presión para que la espiral accione. Esta es la 
base para obtener rapidez en la respuesta de los termómetros de mercurio, es decir, en 
lugar de transferir el volumen del líquido del bulbo al elemento en hélice como se hace 
en los sistemas llenos de líquido. El sistema de mercurio funciona a base de la 
expansión volumétrica del mercurio con los cambios de temperatura. 
 
1.1.3. Termómetros bimetálicos. 
 
Los termómetros bimetálicos, se basan en el principio fundamental de la expansión 
diferencial térmica de dos metales diferentes, de acuerdo a que esos metales cambian 
de volumen con la temperatura, y que el cambio no es el mismo para todos los metales. 
Si dos tiras rectas de metales diferentes se unen fuertemente en toda su longitud y se 
calientan, el arreglo resultante, tenderá a doblarse hacia el lado del metal con el 
régimen de expansión menor. La desviación será proporcional al cuadrado de la 
longitud y al cambio de temperatura e inversamenteproporcional al espesor. 
Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices (fig. 
1.7). 
 
 
 
Fig. 1.7 Termómetro bimetálico 
 
Las aleaciones de los metales son especiales y se seleccionan por sus propiedades 
físicas para un amplio rango de temperaturas. Entre las propiedades importantes para 
determinar la conveniencia de una aleación para el uso como bimetal, está el 
coeficiente de expansión, él modulo de elasticidad, él límite elástico después del rolado 
en frío y la resistencia mecánica a diferentes temperaturas. 
 
El cambio de temperatura, puede resultar de cualquier tipo de calentamiento (o 
enfriamiento), tal como la radiación, convección, o conducción. Los bimetales, también 
se pueden calentar por el efecto Joule, desarrollado cuando el elemento bimetálico 
transporta una corriente eléctrica (aplicación de los bimetales como protectores 
térmicos en los motores). Otra aplicación, son los termostatos para alarma o disparo de 
los procesos. 
 
 10
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
Los termómetros bimetálicos presentan gran variedad de formas con errores que están 
de ±0.5% para los de laboratorio a ±1.5% del máximo de la escala para aplicaciones 
industriales. En general se garantizan para una precisión que está entre el 1% de toda 
la escala de temperatura. Son muy estables, tienen un tiempo de respuesta bastante 
largo y pueden emplearse en servicios permanentes desde –70°C hasta +500°C. 
 
El movimiento producido es pequeño, para amplificarlo a un valor razonablemente útil, 
la cinta bimetálica se enrolla en forma de espiral, o de una hélice. La punta exterior de 
la espiral se remacha a la caja del instrumento y se conecta a un puntero al centro. Así, 
cuando aumenta la temperatura, la espiral se enrolla desplazando al puntero en el 
sentido de las manecillas del reloj. 
 
Los termómetros bimetálicos fabricados con metales de dilatación poco diferentes, tal 
como el latón–hierro, o hierro–níquel, son muy poco sensibles. Los termómetros 
bimetálicos de zinc-latón, no son recomendables, porque el Zinc demasiado blando 
provoca fenómenos de histéresis. 
 
Estos termómetros se perfeccionaron con el empleo de las aleaciones hierro-níquel que 
presentan coeficientes de dilatación muy distintos según la proporción de 36% Ni y 
tienen un máximo de dilatación con 20 x 10-6 para la proporción de 20% Ni. 
 
Regularmente el elemento bimetálico está contenido en un tubo cerrado, con puntero y 
una escala de tamaño apropiado contenidos en una cabeza. El ángulo de escala 
incluido es aproximadamente de 300°. Los termómetros bimetálicos, también se 
fabrican en modelos que tienen el frente de la carátula ajustable a cualquier ángulo con 
respecto al eje del vástago. Esto requiere un cambio de dirección en la transmisión del 
movimiento de la bobina al puntero. 
 
Los termómetros bimetálicos, deben seleccionarse considerando las condiciones de 
operación del proceso específico. Una aplicación inadecuada, puede dañar al 
termómetro, ocasionando daños al equipo y al personal que lo esta operando. 
 
Este tipo de termómetros, pueden ser lo suficientemente robustos para actuar una 
pluma de registro. Una gráfica impulsada por un mecanismo de relojería detrás de la 
pluma, forma un sistema completo de medición y registro, el cual no necesita de 
energía eléctrica y se puede obtener a un precio razonable con una precisión de 2% a 
5%. 
 
La ventaja sobre los termómetros de vástago de vidrio, es que el diseño bimetálico esta 
menos expuesto a quebrarse y es más fácil de leer, además de que se puede 
aprovisionar con las características de registro. Ellos son de menor costo comparados 
con los sistemas térmicos (de bulbo y capilar) y los sensores eléctricos, pero son mas 
caros que los del tipo de vástago de vidrio. 
 
Una desventaja es que la manipulación violenta, cambia la calibración. Por lo general la 
precisión no es tan buena como la de los termómetros de vástago de vidrio por la 
misma razón. Los termómetros bimetálicos están limitados a mediciones locales. 
 11
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
1.1.4.Termómetros termopares. 
 
Debido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método práctico industrial para 
la medición de temperaturas entre 500°C y 1500°C. Los termómetros de bulbo y capilar 
no se diseñan para esas temperaturas. El termómetro de resistencia, debe ser diseñado 
en forma especial si se desea emplear para tales rangos. Para temperaturas menores 
de 500°C a menudo se emplea el termopar aun cuando su costo es mayor que un 
termómetro de bulbo y capilar desarrollando el mismo trabajo. 
 
Una de las ventajas del termopar es que su voltaje de salida se puede transmitir a 
cientos de metros con un receptor de milivolts. Con receptores potenciométricos la 
distancia puede ser mayor. Otra ventaja es que el termopar se puede fabricar en forma 
rápida en casi cualquier taller de instrumentos. El termopar por si mismo, es 
relativamente barato. El instrumento receptor de indicación o registro empleado con el 
termopar puede ser del tipo balance a cero (potenciómetro) o del tipo de deflexión. El 
empleo de instrumentos de balance a cero, comúnmente son instalaciones más 
costosas comparadas con un sistema de llenado. Actualmente se utilizan mucho los 
convertidores electrónicos milivolts-corriente, los cuales dada su alta impedancia, 
permiten distancias del orden de los 1000 metros. Los convertidores mV/I producen una 
señal de salida normalizada de 4 a 20 mA. 
 
Ciertos metales se han estandarizado y se usan por pares para formar un termopar. 
Estos están dentro de los más conocidos: 
 
Cromel-Alumel. 
Hierro-Constantano. 
Cobre-Constantano. 
Platino Rodio-Platino. 
 
Existen otras combinaciones, pero los de la lista anterior son los mas ampliamente 
usados. Estos metales son aleaciones. La fabricación de las aleaciones se controla con 
sumo cuidado de manera que desarrollen una fem específica para cada temperatura 
medida. 
 
Las condiciones principales para establecer un par termoeléctrico son: 
 
- Que tenga una larga duración sin deteriorarse bajo los efectos del calor al que 
quedara expuesto. 
- Que desarrolle una fuerza electromotríz elevada e invariable que sea función lineal 
de la temperatura. 
- Que pueda sustituirse fácilmente. 
- Que cada termopar tenga una polaridad bien definida. 
 
El principio de la termoelectricidad descubierto por Seebeck en 1821, es la base de uno 
de los dispositivos sensibles a la temperatura de uso más común: El Termopar. Cuando 
se unen fuertemente dos metales diferentes en un extremo y esta junta o unión, se 
calienta, se desarrolla una fuerza electromotriz en los extremos libres. En la práctica 
 12
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
moderna, los dos extremos libres se conectan a un circuito potenciométrico, o a una 
computadora en la cual se mide la fuerza electromotríz creada e indica o registra esta 
en términos de temperatura. Los sistemas de medición de este tipo, se conocen como 
pirómetros termopares, o pirómetros termoeléctricos. 
 
Un pirómetro termoeléctrico está compuesto de: un termopar, junta de medición, junta 
de referencia, cables de extensión y un instrumento receptor para indicación, registro o 
control de temperatura. 
 
Básicamente un termopar, tal como se ha visto, consiste de dos metales diferentes 
como por ejemplo, alambres de Cromel y Alumel, de tal forma unidos que producen una 
fuerza electromotriz térmica cuando las juntas se encuentran a diferentes temperaturas, 
como se muestra en la figura 1.8. La junta de medición o junta caliente es el extremo 
insertado en el medio en donde se va a medir la temperatura. La juntade referencia o 
junta fría, es el extremo abierto que normalmente se conecta a las terminales del 
instrumento de medición. Para pequeños cambios de temperatura, el voltaje de 
Seebeck es linealmente proporcional a la temperatura. 
 
 V = α T (1.2) 
 
En donde α, es el coeficiente de Seebeck, es la constante de proporcionalidad. Para el 
mundo real de los termopares α, no es constante, sino que varia con la temperatura. 
 
 
 
Figura 1.8 Diagrama de un termopar 
 
1.1.5.Termómetros de resistencia. 
 
La propiedad de los metales para aumentar su resistencia eléctrica, cuando aumenta su 
temperatura, proporciona un método de medición de temperaturas conocido como: 
“Termometría de Resistencia”. El elemento sensor es una resistencia embobinada a la 
 13
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
que se le llama bulbo de termómetro de resistencia. Este bulbo se conecta a un 
instrumento de medición que se encuentra dotado de un puente de Wheatstone. Los 
instrumentos de simple indicación emplean un puente del tipo deflexión, mientras que 
los registradores y controladores, generalmente, usan un puente de balance a cero. 
Todos estos instrumentos interpretan los cambios de resistencia en el bulbo en 
términos de temperatura. En la figura 1.9 se observan las curvas de resistencia relativa 
de varios metales en función de la temperatura. 
 
 
 
Fig. 1.9 Curvas de resistencia relativa de varios metales en función de la temperatura. 
 
Los termómetros de resistencia tienen la ventaja de ser muy sensibles, pues el cambio 
de resistencia por grado de temperatura en un termómetro de este tipo, es una cantidad 
mucho más grande, por lo que es mas fácilmente medible, que el cambio 
"microscópico” de milivoltaje por grado de temperatura en un termopar. 
 
El sensor de un termómetro de resistencia, es simplemente una pieza alargada hecha 
de alambre en forma de una bobina enrollada alrededor de un núcleo de cerámica. 
Todo el ensamble se encierra en una cubierta protectora. La conexión a la bobina de 
resistencia se efectúa por medio de conductores aislados que pasan a través del núcleo 
de cerámica, formando una unión libre de esfuerzos. 
 
El despliegue o lectura de un instrumento termorresistivo, normalmente se obtiene al 
conectar el sensor a un circuito puente de dos, tres, o cuatro alambres conductores. El 
efecto de la distancia entre el punto de instalación del sensor y el instrumento de 
medición, influye de manera poco importante, pero puede representar una limitación en 
su empleo. Por esto, normalmente se utilizan tres conductores para limitar el efecto de 
las variaciones de resistencia por temperatura ambiente. 
 
La selección especifica de un metal para emplearse como un elemento termorresistivo, 
depende de algunos factores. La consideración más significativa es la pureza del metal 
 14
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
y su capacidad para moldearse en alambres muy delgados. Además de esto el metal 
debe responder en forma rápida a los cambios de temperatura, tener un coeficiente de 
temperatura repetitivo, responder en un rango de temperatura lineal y poseer una alta 
relación de cambio de temperatura-resistencia. 
 
Los termómetros RTD, son los más precisos en el rango de –200 a +750°C, por el 
hecho de que los sensores se pueden construir con gran precisión y las variaciones de 
resistencia con respecto a la temperatura, también pueden medirse con gran exactitud. 
Las resistencias de uso más común, suministran medidas con precisión ± 0.02°C en el 
rango de –50 a +150°C. Tienen una mayor precisión inherente que la de otros tipos y la 
distancia entre el elemento sensor y el elemento indicador puede ser mucho mayor de 
la que se obtiene con los termómetros de sistema de bulbo y capilar actuados por 
presión. 
 
Este instrumento es más efectivo a temperaturas ambientes que los termopares, ya que 
no es necesario una junta de referencia. Además, como el dispositivo es eléctrico por 
naturaleza, pueden conectarse instrumentos para indicar de manera digital la 
temperatura de los cuerpos o sustancias. Es posible la utilización de un instrumento de 
registro o indicador con lo que se obtiene un alto grado de centralización. 
 
Los termómetros de resistencia permiten efectuar mediciones incluso en puntos 
inaccesibles como en el caso de elementos insertados en los embobinados y partes 
interiores de maquinas eléctricas. 
 
De hecho, los termómetros de resistencia se pueden emplear para mediciones de 
temperatura incluso en ambientes peligrosos por la presencia de mezclas explosivas, 
debido a que los niveles energéticos son tan bajos, que puede considerarse el sistema 
de medida como de “seguridad intrínseca”. 
 
Se han normalizado tres tipos de resistencia: de Platino, Niquel y Cobre. Los 
termómetros de resistencia tienen un límite máximo de temperatura sobre el cual no 
deben ser usados. Asimismo cuando se comparan los bulbos de resistencia y los 
termopares para usarse con un termopozo, los bulbos de resistencia convencional 
quedan en desventaja debido a su tamaño (son más difíciles de instalar), y se vuelven 
más lentos en su respuesta. Por esas razones, los bulbos de resistencia, deberán 
usarse en preferencia a los termopares hasta el límite de temperatura de operación del 
elemento de resistencia. Sobre este límite, para rangos de temperaturas muy altos, los 
termopares son el mejor medio para la medición de temperatura. 
 
1.1.6. Termistores 
 
Una aportación relativamente reciente al campo de los componentes para los circuitos 
electrónicos, son los resistores de cerámica sensibles a la temperatura. Presentan altos 
coeficientes de resistencia negativos, estos semiconductores poseen valores de 
resistencia los cuales pueden variar, en una relación de 10,000,000:1, de –100 a 
+450°C. Se encuentran disponibles en rangos de resistencia desde ohms hasta 
megaohms y sus características termorresistivas, junto con su estabilidad y alta 
 15
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
sensibilidad, los hacen una herramienta altamente versátil para la medición de 
temperaturas. Este componente siendo un dispositivo semiconductor, difiere del RTD al 
tener un coeficiente de resistencia negativo de temperatura. Como resultado de esto, un 
aumento de temperatura, origina una disminución correspondiente de resistencia. Este 
efecto es inverso al que ocurre en los metales que tienen un coeficiente de temperatura 
positivo. En la figura 1.10 pueden verse las curvas características de dos tipos de 
materiales de termistores en comparación con la del platino. 
 
 
Fig. 1.10 Curvas características de termistores 
 
La expresión “Termistor” deriva de la contracción “Thermally Sensitive Resistor” y 
designa resistencias termoeléctricas especiales no metálicas, obtenidas con óxidos 
puros de níquel, manganeso, cobre, hierro, titanio y otros metales sinterizados a presión 
y temperaturas por arriba de 982°C, que presentan un coeficiente de temperatura 
negativo de cerca de 6 veces superior al del platino. 
 
1.1.6. Pirómetros de radiación. 
 
La radiación térmica es una propiedad universal de la materia la cual está ausente 
solamente cuando el material es un gas inerte como el helio, o se encuentra a la 
temperatura de cero absoluto. Partiendo de esta propiedad de la materia, se ha 
desarrollado la técnica de la pirometría de radiación, de manera que es inferir la 
 16
Capítulo 1 _____Antecedentes 
temperatura de un objeto sin tener contacto con el. Esto se hace con un sistema óptico 
que concentra la energía infrarroja y visible, algunas veces por medio de un filtro y lo 
enfoca a un detector. El detector convierte la energía concentrada a una señal eléctrica, 
una función compleja de la temperatura absoluta. 
 
El desarrollo de la pirometría de radiación proviene de la teoría cuántica de Plank 
alrededor de 1900 y de la ley de Stefan-Boltzman para la energía total radiada. 
 
Principio de la Radiación Térmica. 
 
La radiación térmica representa solamente una parte del espectro electromagnético 
total, el cual incluye: los rayos X, rayos gamma, ultravioleta, ondas de luz visible e 
infrarroja, y ondas de radio. La radiación térmica incluye a las ondas de rayos infrarrojo 
invisibles y a las ondas de luz visible. Por esto algo de esta energía puede verse por el 
ojo humano, cuando el objeto se calienta al “rojo” o “blanco”. 
 
El ojo humano responde a longitudes de onda en el rango visible del espectro desde 
aproximadamente 0.4 a 0.75 micrones. El rango infrarrojo comienza a 0.75 y se 
extiende hasta cerca de 1000 micrones, mas allá de la parte infrarroja del espectro, 
estan el radar, UHF, VHF, AM y los rangos ultrasónicos. Por debajo del rango visible se 
encuentran las regiones ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. 
 
A continuación se describen algunos tipos de pirómetros: 
 
Pirómetro de Radiación: Es un instrumento que mide la temperatura valorando la 
respuesta de un detector térmico o electrónico a una banda de radiación seleccionada. 
 
Pirómetro de Radiación Selectiva: Es un pirómetro de radiación que responde 
únicamente a una banda angosta de radiación, generalmente por el uso de filtros 
selectivos. 
 
Pirómetro de Radiación Total: Si no se usan filtros en la trayectoria óptica y si el 
detector responde igualmente a todas las longitudes de onda, el pirómetro a veces se le 
conoce como pirómetro de radiación total. Este término debe usarse con cuidado, 
porque aun cuando es un concepto útil la condición de respuesta a todas las longitudes 
de onda, esto nunca se consigue en la práctica debido a la absorción de la radiación 
por la atmósfera y por las pérdidas en las lentes, ventanas, espejos y en la superficie 
del detector. 
 
Pirómetro Óptico: Es un instrumento que mide la temperatura fotoeléctricamente, 
igualando la brillantez de radiación en longitudes de onda muy angosta emitida por una 
fuente calibrada, comparándola con la brillantez de una fuente cuya temperatura desea 
medirse. La igualación por comparación se puede ajustar variando la brillantez de la 
fuente calibrada o por absorción de más o menos de la radiación de la fuente 
desconocida por medio de un prisma triangular de vidrio o un dispositivo de 
polarización. Los pirómetros ópticos manuales pueden ser de dos tipos: 
 
 17
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
- De corriente variable en la lámpara (fig. 1.11 a). 
- De corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la 
fuente (fig 1.11b). 
 
 
Fig. 1.11 Pirómetros ópticos. 
 
Para condiciones continuas en servicios de mas de 1000°C, se pueden utilizar los 
termopares a costa de su duración, no pudiendo utilizarse para temperaturas superiores 
a 1200°C, sin disminuir considerablemente las posibilidades de duración. Para estas 
temperaturas, se emplean los pirómetros de radiación que tienen como base la 
determinación de la temperatura por medio de la energía radiante de los cuerpos 
calientes. 
 
1.2. CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN. 
 
Al calibrar un instrumento, se aplican las señales de entrada conocidas y se observa la 
respuesta en las lecturas del instrumento y en caso de no haber coincidencia, se 
procede a la calibración hasta obtener los valores de salida (lectura del instrumento) 
igual a los aplicados. Los valores de entrada, comúnmente se ajustan a 10, 50 y 90 % 
del rango total del instrumento por calibrar y se debe observar la indicación del 
instrumento para esos valores. 
 
El método más simple y preciso de calibrar instrumentos de medición de temperatura es 
usando puntos fijos, pero como para un rango determinado de temperaturas existen 
pocos puntos fijos, se debe tener cuidado en establecer una trazabilidad correcta para 
seguir los estándares nacionales. 
 
La mayoría de las mediciones de temperatura tienen lugar en el rango de –200 ° C a 
1100° C. Los puntos fijos contemplados en este rango y su valor asignado según la 
escala práctica de temperaturas se muestran en la tabla 1.2. 
 18
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
Tabla 1.2. Puntos fijos definidos por la ITS-90 en el rango de –200 ºC a 1100 ºC [ 16 ]. 
 
PUNTO 
FIJO 
PROPIEDAD 
FISICA 
TEMPERATURA 
° C 
TERMOMETRO DE 
INTERPOLACION 
Argon 
Mercurio 
Agua 
Galio 
Indio 
Estaño 
Zinc 
Aluminio 
Plata 
Oro 
Punto Triple 
Punto Triple 
Punto Triple 
Punto de Fusión 
Punto de Solidificación 
Punto de Solidificación 
Punto de Solidificación 
Punto de Solidificación 
Punto de Solidificación 
Punto de Solidificación 
-189.3442 
-38.8344 
0.010 
29.7646 
156.5985 
231.928 
419.527 
660.323 
961.78 
1064.18 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
SPRT 
RT 
 
i. SPRT: Termómetro de Resistencia de Platino Estándar. 
ii. RT: Termómetro de Radiación. 
iii. Punto Triple: Vapor, líquido y sólido están en equilibrio. 
 
Para obtener las temperaturas que se encuentran dentro de estos intervalos son 
asignados termómetros de interpolación tal como se muestra en la tabla 1.2. Estos 
instrumentos son calibrados en los puntos fijos en un rango especifico y luego usados 
para interpolar entre los valores de los puntos fijos. 
 
Para calibrar un instrumento de temperatura lejos de los puntos fijos en los casos de los 
rangos representados en la tabla 1.2. se utiliza un SPRT, y el instrumento a calibrar se 
compara contra él. Es necesario colocar ambos termómetros en un medio isotérmico de 
volumen lo suficientemente largo para asegurar que los termómetros se encuentran a la 
misma temperatura que el medio. 
 
Hasta aquí se han manifestado los dos métodos plasmados en la ITS-90 para la 
calibración de instrumentos de temperatura, estos son el método de los puntos fijos y el 
método de comparación. 
 
El método por comparación es el más ampliamente usado. Como se ha citado 
anteriormente, en el se involucran dos termómetros, el que necesitamos a calibrar y 
uno que haya sido calibrado con una mayor precisión. La comparación debe tener lugar 
en un medio isotérmico lo suficientemente grande que contenga a ambos termómetros 
y que asegure que se encuentran a la temperatura del medio. La profundidad de 
inmersión del termómetro para alcanzar la temperatura del baño depende de la 
construcción del termómetro, la diferencia de temperatura entre el baño y el medio que 
lo rodea, la capacidad de transferencia de calor del baño y la estabilidad en la 
temperatura del baño. 
 
 
 
 19
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
1.3 PATRONES DE REFERENCIA. 
 
La temperatura está basado en la termodinámica de los sistemas perfectos, como es el 
caso de los gases ideales, esto resulta en la escala absoluta de temperaturas medida 
en grados Kelvin. Existen en la realidad sistemas termodinámicos imperfectos para 
obtener una escala de temperaturas lo más cercana posible a los valores teóricos. La 
escala de temperaturas actual es la Escala Internacional de Temperaturas de 1990, tal 
como se muestra en la tabla 1.3. 
 
Cuando un termómetro es calibrado, debe hacerse sobre la ITS 1990 o una escala 
previa como es el caso de la IPST-68 o incluso de la IPST-48. 
 
La ITS-90 coincideen los valores de temperatura de las escalas anteriores asignados a 
fenómenos físicos que ocurren a una temperatura constante. El punto de fusión de 
metales puros. Un instrumento estándar de medición de temperatura deberá ser usado 
como instrumento de interpolación entre los valores de temperatura de los puntos fijos. 
 
Tabla 1.3. Puntos Fijos Definidos por la ITS-90 [ 16 ]. 
 
Número Temperatura Substancia a Estado b Wr (T90) 
 T90/K t90/°C 
1 3 a 5 -270.15 a 268.15 He V 
2 13.8033 -259.3467 e-H2 T 0.001 190 07 
3 17 -256.15 e-H2 (o He) V (o G) 
4 20.3 -252.85 e-H2 (o He) V (o G) 
5 24.5561 -248.5939 Ne T 0.008 449 74 
6 54.3584 -218.7916 O2 T 0.091 718 04 
7 83.8058 -189.3442 Ar T 0.215 859 75 
8 234.3156 -38.8344 Hg T 0.844 142 11 
9 273.16 0.01 H20 T 1.000 000 00 
10 302.9146 29.7646 Ga M 1.118 138 89 
11 429.7485 156.5985 In F 1.609 801 85 
12 505.078 231.928 Sn F 1.892 797 68 
13 692.677 419.527 Zn F 2.568 917 30 
14 933.473 660.323 Al F 3.376 008 60 
15 1234.93 961.78 Ag F 4.286 420 53 
16 1337.33 1064.18 Au F 
17 1357.77 1084.62 Cu F 
 
a Todas las sustancias excepto 3He son de una composición isotrópica natural , el H2 es hidrógeno en una 
concentración de equilibrio de las formas orto y para moleculares. 
b Los símbolos tienen el siguiente significado: V: Punto de presión de vapor; T: Punto Triple (temperatura 
a la cual las fases de vapor, líquido y sólido se encuentran en equilibrio); G: Punto de termómetro de gas; 
M,F Punto de Fusión, Punto de Solidificación (temperatura a la presión de 101 325 Pa a la cual las fases 
de sólido y líquido están en equilibrio) 
 
 20
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
Los valores de temperaturas asignados a los puntos fijos obtenidos experimentalmente 
son los mejores que pueden ser obtenidos en la realidad y depende del grado de 
desarrollo de la tecnología empleada. A medida que la tecnología avanza se pueden 
realizar mejores mediciones. Por ello cada 20 años la Escala Internacional de 
Temperaturas es actualizada. El punto de fusión del Zinc asignado en la IPTS-68 era de 
419.58 °C, pero en la ITS-90 pasó a ser de 419.527 °C. 
 
1.4 TERMOSIFONES BIFASICOS. 
 
La medición de temperatura es muy importante en todas las esferas de la vida, 
fundamentalmente en la industria, donde un gran número de procesos necesitan ser 
monitoriados ya sea continuamente o de forma intermitente. Aprovechando fenómenos 
físicos el hombre ha desarrollado diferentes instrumentos para la medición de 
temperaturas tales como: Termómetros de líquido, Termómetros Bimetálicos, 
Termómetros Termopares, Termómetros de Resistencia, Pirómetros de Radiación etc. 
 
Los instrumentos antes mencionados necesitan calibrarse para la validación de sus 
resultados. Uno de los dispositivos utilizados para este fin son los termosifones 
bifásicos. La isotermicidad es una característica indispensable en los dispositivos que 
se utilizan en la calibración de instrumentos de medición tanto en el método por 
comparación o cuando se utilizan los patrones de referencia. En este sentido los 
termosifones cumplen con esta característica al trabajar en cambio de fase en su zona 
estable de funcionamiento. 
 
La isotermicidad durante su funcionamiento hace que no se presente el efecto barra, 
fenómeno observado en los dispositivos que tienen geometría igual a los termosifones 
bifásicos, en los cuales la ecuación que representa el comportamiento de la 
temperatura a lo largo de su extensión es la siguiente: 
 
t
θρSchpθPS
x
θkS p2
2
∂
∂
=−+
∂
∂ (1.3) 
 
Esta es la ecuación de una barra calentada en un extremo, con generación interna de 
calor, en estado transitorio, y colocada en un medio donde el coeficiente de convección 
es constante y uniforme así como la temperatura del fluido. Para la barra habrá una 
variación de la temperatura a lo largo de su longitud al trasmitirse el calor por 
conducción desde un extremo al otro de la misma, fenómeno que no ocurre en los 
termosifones al tener una temperatura casi constante en toda su superficie. 
 
El termosifón bifásico es un simple, pero efectivo dispositivo de transferencia de calor. 
Debe estar orientado verticalmente, y su diferencia con el caloducto (heat pipe), es que 
este último tiene incorporado una estructura capilar en su interior para garantizar el 
transporte por capilaridad desde el condensador hacia el evaporador del fluido de 
trabajo. Por esta razón en el caso de los caloductos no importa su posición de trabajo. 
Al no tener estructura capilar, el termosifón se debe colocar siempre en forma vertical 
para su correcto funcionamiento. 
 21
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
El fluido de trabajo se almacena en el fondo del termosifón, el cual se puede dividir en 
tres secciones. El calor se introduce en el evaporador, que es donde se encuentra 
almacenado el fluido de trabajo en su fase líquida. Debido a este intercambio de calor, 
el fluido de trabajo pasa a la fase vapor. El vapor se eleva pasando por la sección 
adiabática hasta el condensador. En el condensador el vapor cambia de fase cediendo 
su calor latente al fluido que se desea calentar. La fuerza de gravedad hace que el 
vapor condensado retorne al evaporador para volver a comenzar el proceso. En las 
figuras 1.12 y 1.13 se muestran dos tipos de termosifones bifásicos. 
 
 
 
 
 Figura 1.12 Termosifón bifásico Figura 1.13 Termosifón bifásico anular. 
 Convencional. 
 
Debido a su alta eficiencia, confiabilidad y bajos costos, los termosifones han sido 
utilizados en diferentes aplicaciones, entre estas se encuentran el deshielo de 
carreteras, el enfriamiento de álabes de turbina, el uso en intercambiadores de calor, 
etc. 
 
1.4.1. Caracterización analítica. 
 
 Para caracterizar completamente el termosifón se debe hacer un estudio tanto analítico 
como experimental. La condensación puede modelarse como si ocurriera dentro de un 
tubo vertical considerando el efecto del esfuerzo de corte en la interface líquido vapor. 
El coeficiente de transferencia de calor en el condensador es usualmente comparado 
con la teoría de Nusselt (Onosovski, Larkin, Andros y Florschuetz) o con la teoría 
extendida (Seban y Faghri, Chen, Spendel) [ 5 ]. 
 
Nusselt (1916) fue el primero en considerar el problema de la condensación en un plano 
vertical con cero esfuerzo cortante en la interface. Seban y Faghri (1984) extendieron la 
teoría de Nusselt para el caso de flujo turbulento y laminar dentro de un termosifón, 
evaluando el decremento en el flujo debido a la condensación. Spedel (1984) también 
estudió el problema de la condensación en el termosifón, resolviendo numéricamente 
 22
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
la ecuación de momento en la región de vapor para el caso laminar y acoplándolo al 
análisis de la condensación por película en la sección del condensador. 
 
Dos aproximaciones generales han sido presentadas en la literatura concerniente a la 
extensión de la teoría de condensación por película de Nusselt para incluir el efecto del 
esfuerzo de corte variable en la interface en la sección del condensador del termosifón. 
El primer método es para especificar empíricamente el coeficiente de fricción entre las 
dos fases que satisfaga el balance de masa para contabilizar la variación del flujo de 
vapor axial. El segundo método es para resolver numéricamente el flujo en dos 
dimensiones de vapor en la región de vapor, y acoplarlo en el análisis de Nusselt para 
la condensación por película. 
 
1.4.2. Limitaciones en el funcionamiento de los termosifones. 
 
Los termosifonesbifásicos presentan limitaciones en la transferencia de calor: 
 
- El límite de inundación (flooding) o arrastre se presenta por el aumento del esfuerzo 
de corte en la interface entre el líquido que desciende y el vapor que sube a 
contracorriente. 
 
- El límite por bajo contenido de líquido. Tiene que ver con la mínima cantidad de 
fluido de trabajo requerida para transportar un flujo de calor determinado. 
 
- El límite de calentamiento crítico. Se presenta en los termosifones con altos 
volúmenes de llenado y altos flujos de calor radial en la sección del evaporador. A 
medida que el flujo de calor se incrementa, ocurre la ebullición nucleada en el 
evaporador. Mayores incrementos en el flujo de calor resultarán en una ebullición 
mas vigorosa. Al alcanzarse el flujo de calor crítico las burbujas de vapor coalescen 
cerca de la pared del termosifón, de esta manera forman una capa de vapor, la cual 
impide que el líquido toque la pared. Esto favorece que ocurra un crecimiento rápido 
de la temperatura de pared. Gorbis y Savchenco [ 5 ] propusieron correlaciones 
empíricas para el máximo flujo de calor radial para termosifones bifásicos con agua 
freón 113 y ethanol, como fluido de trabajo: 
 
( ) 2vl2
,max
max gR012.04.0C
q
q
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
σ
ρ−ρ
+=
∞
 (1.4) 
 
Donde: 
 
qmax,∞ : Flujo de calor crítico. 
C: Constante que depende del volumen de llenado, el diámetro interior del 
termosifón, y las longitudes del condensador y el evaporador. 
 
 
 23
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
- Límite por alto contenido de líquido. Se presenta en los termosifones con altos 
volúmenes de llenado y bajos flujos de calor radial en la sección del evaporador. 
Durante el arranque de los termosifones que se utilizan como intercambiadores de 
calor en la industria se emplean bajas cantidades de calor. Debido a que este flujo 
de calor es insuficiente para causar una ebullición nucleada estable, la temperatura 
del líquido almacenado en el fondo se incrementa hasta que se sobrecalienta. En 
este punto aparece una burbuja de vapor en cualquier lugar del líquido y su tamaño 
rápidamente alcanza el diámetro del termosifón. Debido a que la burbuja continua 
creciendo y elevándose, parte del líquido es impulsado por la burbuja de vapor hacia 
la parte superior del condensador. Este choque tiene un sonido similar al golpe de 
vapor producido en las tuberías y accesorios que conducen vapor en la industria. 
Este fenómeno se ilustra en la figura 1.14 [ 5 ]. 
 
 
 
Figura 1.14 Fenómeno denominado ebullición Geyser. 
 
En todos los casos estas limitaciones causan sobrecalentamientos en la pared del 
termosifón, los que pueden crear que se deteriore o se rompa el recipiente contenedor. 
 
1.4.3 Teoría de los termosifones bifásicos. 
 
Durante el funcionamiento de un termosifón bifásico, en régimen estacionario, la pérdida 
de presión total en un ciclo cerrado, será la suma de las pérdidas de presión en ambas 
fases y en las diferentes regiones. El balance total será igual a cero. 
 
Pg + (PVC - PVE) + (PLC - PVC) + (PLE - PLC) + (PVE + PLE) = 0 (1.5) 
 
Donde: 
 
( PVC -PVE ) = ∆PV : pérdida de presión en la fase vapor. 
(PLE - PLC ) = ∆PL : pérdida de presión en la fase líquida 
( PV - PL )E - ( PV - PL )C = O, representa la diferencia de presión en las interfaces líquido-
vapor respectivamente en el evaporador y el condensador con 
lo que: 
 
 ∆Pg + ∆PV + ∆PL = 0 (1.6) 
 24
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
es decir, la suma de las caídas de presión en las diferentes zonas debe ser igual a cero. 
Por lo tanto, se puede concluir, que la condición necesaria para el funcionamiento del 
termosifón será: 
 
 ∆Pg ≥ ∆PL + ∆PV
 
Esto es, la presión motriz debida a la acción de la gravedad debe ser mayor o igual a las 
pérdidas de presión en el sistema. 
 
La pérdida de presión en la fase líquida del fluido de trabajo en el TTB esta dada por 
medio de la relación de DARCY: 
 
AK ρ
l m µ- = P∆
LL
effL
.
L
L (1.7) 
 
En el caso de los termosifones, debido a que carecen de una estructura capilar se 
considera que la permeabilidad tiene un valor unitario (K = 1). 
 
En donde leff es la longitud efectiva del termosifón y esta dada por: 
 
2
l + l + 2
l = l CONaEVAeff (1.8) 
 
En la determinación de pérdidas de presión en la fase vapor se puede aplicar la ecuación 
siguiente: 
 4
VV
effV
.
V
V
r ρ π
lmµ 8- = P∆ (1.9) 
 
 Por otra parte, los efectos debidos a la gravedad vienen dados por: 
 θ sen l g ρ = ∆Pg L± (1.10) 
donde θ representa el ángulo que guarda la posición del TTB con respecto a la horizontal. 
 
En este caso y debido a que el funcionamiento del TTB está condicionado a funcionar sólo 
en una posición vertical, se tiene que θ = 900 con lo que resulta: 
 l g ρ = ∆Pg L± (1.11) 
 25
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 1.4.4.Transferencia de calor por un TTB. 
 
El calor que puede ser transferido por un TTB está determinado por la siguiente ecuación: 
 (1.12) L m= Q
.
Donde: 
 (1.13) (Ts) h - (Ts) h = h - h = L LVLV
El flujo másico se obtiene de la condición de funcionamiento del dispositivo, en donde 
interviene el flujo másico de las dos fases del líquido de trabajo en el TTB, esto es: 
 
 ∆Pg = ∆PL + ∆PV 
 
 
r ρ π
l mµ 8 + 
AK ρ
l mµ = l g ρ 4
VV
effV
.
V
LL
effL
.
L
L (1.14) 
Y debido a que para que se satisfaga la condición de continuidad, se tiene 
de la ecuación (1.10): 
v
.
l
..
m=m=m
 
) AK ρ µ 8 + r ρ π µ ( l
r ρ π A k l g ρ = m
LLV
4
VVLeff
4
VVL
2
L
.
 (1.15) 
 
Finalmente la ecuación que proporciona el flujo de calor transferido por un TTB es: 
 
) AK ρ µ 8 + r ρ π µ ( l
) r ρ π A k l g ρ ( ) h - h ( = Q
LLV
4
VVLeff
4
VVL
2
LVL (1.16) 
 
1.4.5. Fluidos de trabajo 
 
En el interior de un termosifón el fluido de trabajo se encuentra distribuido de la 
siguiente forma: la fase líquida saturando las paredes interiores del tubo, una pequeña 
parte en el fondo del tubo y el resto se encuentra en la parte central como vapor. El 
calor aplicado en el evaporador mediante cualquier tipo de fuente, evapora parte del 
fluido en esa sección provocando una diferencia de presiones entre el líquido y el vapor. 
Esa diferencia de presiones empuja al vapor que se forma en el evaporador hacia el 
condensador, donde es condensado por medio de una extracción de calor latente de 
vaporización en esta zona. 
 
 26
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
Así se tiene que la circulación del líquido del condensador hacia el evaporador es 
causada por la fuerza de gravedad. De esta forma, el termosifón puede transportar de 
manera continua el calor latente de vaporización de la sección del evaporador al 
condensador. El proceso será continuo y el fluido de trabajo no se bloqueará siempre y 
cuando la presión entre el líquido y el vapor sea suficiente y se mantenga. La cantidad 
de calor, que se transmite como calor latente de vaporización, es generalmente de 
mayor magnitud, que la que se transmite como calor sensible en sistemas convectivos 
convencionales; por lo que el termosifón puede, de esta manera, transportar unagran 
cantidad de calor en unidades de menor tamaño. 
 
Además de su característica principal de poseer una conductividad térmica muy grande, 
constituyéndose en una especie de superconductor térmico, el termosifón es en 
general, estructuralmente simple, silencioso, sin partes móviles, se puede construir de 
diversas configuraciones y materiales, y puede operar a temperaturas dentro de un 
rango muy amplio, dependiendo del fluido de trabajo. 
 
Los termosifones han sido desarrollados para trabajar con fluidos en rangos que van 
desde los líquidos criogénicos hasta los metales líquidos. Se acostumbra clasificarlos 
de acuerdo con el nivel de temperatura en el que pueden funcionar en: 
 
 1) Criogénicos. 
 2) Temperaturas medias. 
 3) Metales líquidos. 
 
En la tabla 1.4, se indican los rangos de temperaturas de funcionamiento de los 
termosifones. De acuerdo con Chi [ 23 ], la diferencia principal entre estas categorías, 
para una misma geometría (además del rango de temperaturas), consiste en la máxima 
cantidad de calor que pueden transmitir y en la caída de temperatura a lo largo del 
termosifón. 
 
Las diferencias, antes mencionadas, dependen en gran medida de las propiedades del 
fluido de trabajo, de tal manera, que una tensión superficial grande corresponde a una 
gran capacidad de bombeo por gravedad y un calor latente de vaporización grande, lo 
que implica una mejor eficiencia de transporte de calor, y una conductividad térmica 
grande que permite obtener gradientes de temperatura menores. 
 
El rango entre los criogénicos y de temperatura media va de 10 K hasta 100 K; los de 
temperatura media 100 K a 550 K y los metales líquidos de los 550 K hasta 10000 K. 
Las diferencias más importantes entre estos tres tipos de termosifones, además de sus 
respectivos rangos de temperatura de trabajo, son sus capacidades máximas de 
transportación de calor y las caídas de temperaturas en el mismo rango de 
transferencia de calor de un termosifón de geometría similar. 
 
Por ejemplo, un termosifón que trabaja con agua como fluido de trabajo a 2000C (473 
K), puede transmitir axialmente 0.67kW/cm2, comparado con una barra de cobre de 8 
cm de longitud con una diferencia de temperaturas de 1000C (373 K) apenas transmite 
0.04 kW/cm2. 
 27
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 
En la misma tabla 1.4, se observa que para una misma geometría, además del rango 
de temperatura, la diferencia principal entre las tres categorías de termosifones 
(criogénicos, de temperaturas medias y metales líquidos), consiste en la máxima 
cantidad de calor que pueden transmitir y en la caída de temperatura a lo largo del 
termosifón. Por ejemplo, un dispositivo de esta naturaleza que trabaje con sodio (Na) 
líquido, tiene una capacidad de transmisión de calor mayor en tres órdenes de 
magnitud, que un termosifón semejante que funcione con Nitrógeno (N2) líquido como 
substancia de trabajo; mientras que este último, desarrolla una caída de temperatura 
dos órdenes de magnitud menor que la desarrollada por el primero para la misma 
transmisión de calor. Estas diferencias dependen en buena medida de las propiedades 
del fluido de trabajo. 
 
Tabla 1.4. Características de operación de diversos termosifones [ 6 ]. 
 
Sustancia de 
trabajo 
Material del 
recipiente 
Rango de 
operación (oC) 
Flujo de calor 
(kW/cm2) 
Nitrógeno líquido 
(N2) 
Acero inoxidable -220 a -80 0.067 a -163oC 
NH3 líquido Níquel, Aluminio, 
Acero inoxidable 
-70 a 60 0.295 
CH3OH Cobre, Níquel, 
Acero 
-45 a 120 0.45 a 100oC 
H2O Cobre, Níquel 5 a 230 0.67 a 200oC 
Hg-Mg Acero inoxidable 190 a 550 25.1 a 360oC 
Na Níquel, Acero 
inoxidable 
500 a 900 9.1 a 850oC 
Ag Tántalo-
Tugsteno 
1500 a 2000 4.1 
 
En suma un fluido de trabajo, 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) Calor latente alto para aumentar el flujo de calor. 
 
5) Alta conductividad térmica para ayudar a la transferencia de calor entre el fluido y 
la pared de la estructura. 
 
 6) Puntos de condensación y operación compatibles con la gama de operación. 
 
 28
Capítulo 1 _____ Antecedentes 
 7) Alta densidad para reducir la resistencia al flujo. 
 
 8) Estabilidad química. 
 
1.4.6. Materiales. 
 
El factor más importante, para la selección del material del recipiente del termosifón, es 
la compatibilidad química de los materiales del recipiente con el fluido de trabajo. Este 
aspecto tiene gran importancia ya que una selección inadecuada de los materiales 
puede dar como resultado distintos efectos de origen químico (como la descomposición 
de la sustancia de trabajo, o bien, corrosión en el interior de las paredes) que modifican 
el funcionamiento del termosifón o en el mejor de los casos acortan su vida útil. No 
existe una teoría acerca de la compatibilidad de los materiales y la sustancia de trabajo; 
acerca de esto, sólo se da la siguiente tabla basada en datos experimentales (tabla 
1.5). 
 
Se ha encontrado, que el agua y el aluminio reaccionan dando como resultado 
hidrógeno. Igualmente, el agua reacciona con el acero inoxidable. Mientras, el 
amoniaco y la acetona son compatibles con el acero inoxidable. 
 
Tabla 1.5. Compatibilidad de sustancias de trabajo y materiales sólidos comúnmente 
utilizados en termosifones. [ 6 ] 
 
FLUIDOS SÓLIDOS 
 Aluminio Cobre Hierro Níquel Acero Inox. Titanio 
N2 C C C C C 
CH4 C C C 
NH3 C C C C 
CH3OH I C C C C 
H2O I C C I C 
K C C I 
Na C C I 
 
En la tabla 1.5, la letra I indica incompatibilidad; mientras que la C, compatibilidad. 
 
Si el fluido de trabajo no es compatible con el material del contenedor, esto puede 
ocasionar reacciones químicas y en algunas ocasiones la formación de gases 
indeseables, los cuales se irían a la región del condensador provocando una especie de 
tapón y reduciendo la superficie de transferencia de calor llevando consigo la 
disminución de su eficiencia. 
 
 29
Capítulo 2 Modelos Matemáticos 
CAPITULO II 
 
MODELOS MATEMÁTICOS. 
 
En este capítulo se presentan los modelos matemáticos utilizados para la 
caracterización analítica del termosifón. La teoría de Nusselt para la condensación de 
un vapor puro, y el modelo de flujo bifásico anular en contra corriente, considerando la 
interface lisa. El primero se aplica en la zona de condensación del termosifón y el 
segundo en la zona adiabática. 
 
2.1 Teoría de Nusselt para la condensación de un vapor puro. 
 
Los intercambios de calor por condensación juegan un gran papel en numerosos 
procesos industriales. Para ilustrarlo, se puede decir que todo el vapor producido en la 
industria termina de una forma o de otra en un condensador. Por lo tanto es importante 
el conocimiento de esos fenómenos, para estar en condiciones de caracterizarlos 
adecuadamente. 
 
Un vapor puro está en equilibrio con su fase líquida si su presión y su temperatura 
corresponden a las condiciones de saturación. Si un vapor en el estado (pv, T), se pone 
en contacto con una pared cuya temperatura Tp es inferior a la de saturación Tsat, 
correspondiente a Pv, sobre la pared fría se depositará una cierta masa de líquido en 
forma de película o gotas. 
 
Si el líquido moja esta superficie, el condensado forma una película continua. Este tipo 
de condensación es el más frecuente. Si por el contrario, bajo el efecto de un agente 
promotor, el líquido no moja la superficie se produce una condensación por gotas. 
 
El cambio de fase se acompaña de la liberación de una