Anticongelante - Antifreeze

Un anticongelante es un aditivo que reduce el punto de congelación de un líquido a base de agua. Se utiliza una mezcla anticongelante para lograr la depresión del punto de congelación en ambientes fríos. Los anticongelantes comunes también aumentan el punto de ebullición del líquido, lo que permite una mayor temperatura del refrigerante. Sin embargo, todos los aditivos anticongelantes comunes también tienen capacidades de calor más bajas que el agua y reducen la capacidad del agua para actuar como refrigerante cuando se le agrega.

Debido a que el agua tiene buenas propiedades como refrigerante, el agua más anticongelante se usa en motores de combustión interna y otras aplicaciones de transferencia de calor, como enfriadores de HVAC y calentadores de agua solares . El propósito del anticongelante es evitar que un recinto rígido explote debido a la expansión cuando el agua se congela. Comercialmente, tanto el aditivo (concentrado puro) como la mezcla (solución diluida) se denominan anticongelantes, según el contexto. La selección cuidadosa de un anticongelante puede permitir un amplio rango de temperatura en el que la mezcla permanece en la fase líquida , lo cual es crítico para una transferencia de calor eficiente y el funcionamiento adecuado de los intercambiadores de calor . En segundo lugar, pero no menos importante, la mayoría, si no todas, las formulaciones anticongelantes comerciales destinadas a aplicaciones de transferencia de calor incluyen diferentes tipos de agentes anticorrosión y anticavitación que protegen el circuito hidráulico del desgaste progresivo.

Principios e historia

El agua era el refrigerante original de los motores de combustión interna. Es barato, no tóxico y tiene una gran capacidad calorífica. Sin embargo, solo tiene un rango de líquido de 100 ° C y se expande al congelarse. Estos problemas se abordan mediante el desarrollo de refrigerantes alternativos con propiedades mejoradas. Los puntos de congelación y ebullición son propiedades coligativas de una solución, que dependen de la concentración de sustancias disueltas. Por tanto, las sales reducen los puntos de fusión de las soluciones acuosas. Las sales se utilizan con frecuencia para descongelar , pero las soluciones salinas no se utilizan para los sistemas de refrigeración porque inducen la corrosión de los metales. Los compuestos orgánicos de bajo peso molecular tienden a tener puntos de fusión más bajos que el agua, lo que los hace adecuados para su uso como agentes anticongelantes. Las soluciones de compuestos orgánicos, especialmente alcoholes , en agua son eficaces. Los alcoholes (etanol, metanol, etilenglicol, etc.) han sido la base de todos los anticongelantes desde que se comercializaron en la década de 1920.

Uso y ocurrencia

Uso de motores de combustión interna y automotriz

El anticongelante teñido de verde fluorescente es visible en el tanque del cabezal del radiador cuando se quita la tapa del radiador del automóvil

La mayoría de los motores de automóviles se enfrían con "agua" para eliminar el calor residual , aunque el "agua" es en realidad una mezcla de anticongelante / agua y no agua corriente. El término refrigerante de motor se usa ampliamente en la industria automotriz , que cubre su función principal de transferencia de calor por convección para motores de combustión interna . Cuando se usa en un contexto automotriz, se agregan inhibidores de corrosión para ayudar a proteger los radiadores de los vehículos , que a menudo contienen una variedad de metales electroquímicamente incompatibles ( aluminio , hierro fundido , cobre , latón , soldadura , etc.). También se agrega lubricante para sellos de la bomba de agua.

El anticongelante se desarrolló para superar las deficiencias del agua como fluido caloportador .

Por otro lado, si el refrigerante del motor se calienta demasiado, podría hervir mientras está dentro del motor, causando vacíos (bolsas de vapor), lo que lleva a puntos calientes localizados y la falla catastrófica del motor. Si se usara agua corriente como refrigerante del motor, se promovería la corrosión galvánica . El refrigerante del motor adecuado y un sistema de refrigerante presurizado eliminan estas deficiencias del agua. Con el anticongelante adecuado, el refrigerante del motor puede tolerar un amplio rango de temperatura, como -34 ° F (-37 ° C) a +265 ° F (129 ° C) para un 50% (por volumen) de propilenglicol diluido con agua. y un sistema de refrigerante presurizado de 15 psi .

El anticongelante refrigerante de motor temprano era metanol (alcohol metílico). El etilenglicol se desarrolló porque su punto de ebullición más alto era más compatible con los sistemas de calefacción.

Otros usos industriales

Las soluciones anticongelantes a base de agua más comunes que se utilizan en el enfriamiento de dispositivos electrónicos son mezclas de agua y etilenglicol (EGW) o propilenglicol (PGW). El uso de etilenglicol tiene una historia más larga, especialmente en la industria automotriz. Sin embargo, las soluciones de EGW formuladas para la industria automotriz a menudo tienen inhibidores de óxido a base de silicato que pueden recubrir y / o obstruir las superficies del intercambiador de calor. El etilenglicol está catalogado como una sustancia química tóxica que requiere cuidado en su manipulación y eliminación.

El etilenglicol tiene propiedades térmicas deseables, que incluyen un alto punto de ebullición, bajo punto de congelación, estabilidad en una amplia gama de temperaturas y alta conductividad térmica y térmica específica. También tiene una viscosidad baja y, por lo tanto, requisitos de bombeo reducidos. Aunque EGW tiene propiedades físicas más deseables que PGW, este último refrigerante se usa en aplicaciones donde la toxicidad podría ser una preocupación. PGW generalmente se reconoce como seguro para su uso en alimentos o aplicaciones de procesamiento de alimentos, y también se puede usar en espacios cerrados.

Mezclas similares se utilizan comúnmente en HVAC y sistemas industriales de calefacción o refrigeración como medio de transferencia de calor de alta capacidad . Muchas formulaciones tienen inhibidores de la corrosión, y se espera que estos químicos se repongan (manualmente o bajo control automático) para evitar que las costosas tuberías y equipos se corroan.

Anticongelantes biológicos

Las proteínas anticongelantes se refieren a compuestos químicos producidos por ciertos animales , plantas y otros organismos que evitan la formación de hielo. De esta manera, estos compuestos permiten que su organismo huésped opere a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua. Las proteínas anticongelantes se unen a pequeños cristales de hielo para inhibir el crecimiento y la recristalización del hielo que de otro modo sería fatal.

Agentes primarios

Etilenglicol

Etilenglicol

La mayoría de los anticongelantes se fabrican mezclando agua destilada con aditivos y un producto base: MEG (monoetilenglicol) o MPG (monopropilenglicol). Las soluciones de etilenglicol estuvieron disponibles en 1926 y se comercializaron como "anticongelantes permanentes" ya que los puntos de ebullición más altos proporcionaban ventajas para el uso en verano y durante el clima frío. Se utilizan hoy en día para una variedad de aplicaciones, incluidos los automóviles , pero existen alternativas de menor toxicidad elaboradas con propilenglicol disponibles.

Cuando se usa etilenglicol en un sistema, puede oxidarse a cinco ácidos orgánicos (ácido fórmico, oxálico, glicólico, glioxálico y acético). Se encuentran disponibles mezclas anticongelantes de etilenglicol inhibido, con aditivos que amortiguan el pH y reservan la alcalinidad de la solución para evitar la oxidación del etilenglicol y la formación de estos ácidos. También se pueden usar nitritos , silicatos , boratos y azoles para prevenir el ataque corrosivo al metal.

El etilenglicol tiene un sabor dulce y amargo y causa embriaguez. Los efectos tóxicos de la ingestión de etilenglicol se deben a que el hígado lo convierte en otras 4 sustancias químicas mucho más tóxicas. La dosis letal de etilenglicol puro es de 1,4 ml / kg (3 onzas líquidas estadounidenses (90 ml) es letal para una persona de 140 libras (64 kg)) pero es mucho menos letal si se trata en una hora. (ver Intoxicación por etilenglicol ).

Propilenglicol

Propilenglicol

El propilenglicol es considerablemente menos tóxico que el etilenglicol y puede etiquetarse como "anticongelante no tóxico". Se utiliza como anticongelante donde el etilenglicol sería inapropiado, como en los sistemas de procesamiento de alimentos o en las tuberías de agua de los hogares donde puede ser posible la ingestión accidental. Por ejemplo, la FDA de EE. UU. Permite que se agregue propilenglicol a una gran cantidad de alimentos procesados , incluidos helados , natillas congeladas , aderezos para ensaladas y productos horneados , y se usa comúnmente como ingrediente principal en el " e-líquido ". utilizado en cigarrillos electrónicos . El propilenglicol se oxida a ácido láctico .

Además de la corrosión del sistema de enfriamiento, también se producen incrustaciones biológicas . Una vez que el limo bacteriano comienza a crecer, la tasa de corrosión del sistema aumenta. El mantenimiento de los sistemas que utilizan una solución de glicol incluye un control regular de la protección contra la congelación, el pH , la gravedad específica , el nivel de inhibidor, el color y la contaminación biológica.

El propilenglicol debe reemplazarse cuando se torne de color rojizo. Cuando una solución acuosa de propilenglicol en un sistema de enfriamiento o calentamiento desarrolla un color rojizo o negro, esto indica que el hierro en el sistema se está corroyendo significativamente. En ausencia de inhibidores, el propilenglicol puede reaccionar con oxígeno e iones metálicos, generando varios compuestos que incluyen ácidos orgánicos (p. Ej., Fórmico, oxálico, acético). Estos ácidos aceleran la corrosión de los metales en el sistema.

Otros anticongelantes

El éter metílico de propilenglicol se utiliza como anticongelante en motores diesel. Es más volátil que el glicol.

Una vez utilizado como anticongelante para automóviles, el glicerol tiene la ventaja de no ser tóxico, resiste temperaturas relativamente altas y no es corrosivo. Sin embargo, no se utiliza mucho. El glicerol se usó históricamente como anticongelante para aplicaciones automotrices antes de ser reemplazado por etilenglicol . El glicerol es obligatorio para su uso como anticongelante en muchos sistemas de rociadores.

Midiendo el punto de congelación

Una vez que el anticongelante se ha mezclado con agua y se ha puesto en uso, es necesario mantenerlo periódicamente. Si el refrigerante del motor tiene fugas, hierve o si es necesario drenar y volver a llenar el sistema de enfriamiento, se deberá considerar la protección contra congelamiento del anticongelante. En otros casos, es posible que sea necesario operar un vehículo en un ambiente más frío, lo que requiere más anticongelante y menos agua. Normalmente se emplean tres métodos para determinar el punto de congelación de la solución midiendo la concentración:

  1. Gravedad específica - (usando una tira de prueba de hidrómetro o algún tipo de indicador flotante),
  2. Refractómetro: que mide el índice de refracción de la solución anticongelante y
  3. Tiras reactivas: indicadores desechables especializados hechos para este propósito.

Tanto la gravedad específica como el índice de refracción se ven afectados por la temperatura, aunque el primero se ve afectado de manera mucho menos catastrófica. No obstante, se recomienda la compensación de temperatura para la medición de RI. Las soluciones de propilenglicol no se pueden probar utilizando un peso específico debido a resultados ambiguos (las soluciones al 40% y al 100% tienen el mismo peso específico), aunque los usos típicos rara vez superan el 60% de concentración.

El punto de ebullición se puede determinar de manera similar mediante una concentración dada a partir de uno de los tres métodos. Las hojas de datos para las mezclas de refrigerante de glicol / agua están comúnmente disponibles a través de proveedores de productos químicos.

Inhibidores de corrosión

La mayoría de las formulaciones anticongelantes comerciales incluyen compuestos inhibidores de la corrosión y un tinte de color (comúnmente verde, rojo, naranja, amarillo o azul fluorescente ) para ayudar en la identificación. Por lo general, se usa una dilución 1: 1 con agua, lo que da como resultado un punto de congelación de aproximadamente -34 ° F (-37 ° C), dependiendo de la formulación. En áreas más cálidas o frías, se utilizan diluciones más débiles o más fuertes, respectivamente, pero con frecuencia se especifica un rango de 40% / 60% a 60% / 40% para garantizar la protección contra la corrosión, y 70% / 30% para la máxima prevención de congelación hasta -84 ° F (-64 ° C).

Mantenimiento

En ausencia de fugas, los productos químicos anticongelantes como el etilenglicol o el propilenglicol pueden conservar sus propiedades básicas indefinidamente. Por el contrario, los inhibidores de corrosión se agotan gradualmente y deben reponerse de vez en cuando. Los sistemas más grandes (como los sistemas HVAC ) a menudo son monitoreados por empresas especializadas que se responsabilizan de agregar inhibidores de corrosión y regular la composición del refrigerante. Para simplificar, la mayoría de los fabricantes de automóviles recomiendan el reemplazo completo periódico del refrigerante del motor, para renovar simultáneamente los inhibidores de corrosión y eliminar los contaminantes acumulados.

Inhibidores tradicionales

Tradicionalmente, se utilizaban dos inhibidores de corrosión principales en los vehículos: silicatos y fosfatos . Los vehículos fabricados en Estados Unidos tradicionalmente usaban silicatos y fosfatos. Las marcas europeas contienen silicatos y otros inhibidores, pero no fosfatos. Los fabricantes japoneses utilizan tradicionalmente fosfatos y otros inhibidores, pero no silicatos.

Tecnología de ácidos orgánicos

Ciertos automóviles están fabricados con anticongelante de tecnología de ácido orgánico (OAT) (p. Ej., DEX-COOL) o con una formulación de tecnología de ácido orgánico híbrido (HOAT) (p. Ej., Zerex G-05), y se afirma que ambos tienen un servicio extendido vida útil de cinco años o 240.000 km (150.000 mi).

DEX-COOL específicamente ha causado controversia . El litigio lo ha relacionado con fallas en las juntas del colector de admisión en los motores 3.1L y 3.4L de General Motors (GM), y con otras fallas en los motores 3.8L y 4.3L. Uno de los componentes anticorrosión presentados como 2-etilhexanoato de sodio o potasio y ácido etilhexanoico es incompatible con el nailon 6,6 y el caucho de silicona , y es un plastificante conocido . De acción de clase demandas se registraron en varios estados de los EE.UU., y en Canadá, para hacer frente a algunas de estas afirmaciones. El primero de ellos en llegar a una decisión fue en Missouri, donde se anunció un acuerdo a principios de diciembre de 2007. A fines de marzo de 2008, GM acordó compensar a los reclamantes en los 49 estados restantes. GM ( Motors Liquidation Company ) se declaró en quiebra en 2009, lo que inmovilizó las reclamaciones pendientes hasta que un tribunal determine a quién se le paga.

Según el fabricante de DEX-COOL, "mezclar un refrigerante 'verde' [que no sea OAT] con DEX-COOL reduce el intervalo de cambio del lote a 2 años o 30,000 millas, pero de lo contrario no causará daños al motor". El anticongelante DEX-COOL usa dos inhibidores: sebacato y 2-EHA ( ácido 2-etilhexanoico ), este último que funciona bien con el agua dura que se encuentra en los Estados Unidos, pero es un plastificante que puede causar fugas en las juntas.

Según documentos internos de GM, el culpable final parece ser el funcionamiento de vehículos durante largos períodos de tiempo con niveles bajos de refrigerante. El nivel bajo de refrigerante es causado por tapas de presión que fallan en la posición abierta. (Las nuevas tapas y botellas de recuperación se introdujeron al mismo tiempo que DEX-COOL). Esto expone los componentes calientes del motor al aire y los vapores, lo que provoca corrosión y contaminación del refrigerante con partículas de óxido de hierro, lo que a su vez puede agravar el problema del tapón de presión, ya que la contaminación mantiene los tapones abiertos permanentemente.

El nuevo refrigerante de larga duración de Honda y Toyota usa OAT con sebacate, pero sin el 2-EHA. Algunos fosfatos agregados brindan protección mientras se acumula la OAT. Honda excluye específicamente el 2-EHA de sus fórmulas.

Normalmente, el anticongelante OAT contiene un tinte naranja para diferenciarlo de los refrigerantes convencionales a base de glicol (verde o amarillo), aunque algunos productos OAT pueden contener un tinte rojo o malva. Algunos de los refrigerantes OAT más nuevos afirman ser compatibles con todos los tipos de refrigerantes OAT y a base de glicol; estos son típicamente de color verde o amarillo.

Tecnología de ácido orgánico híbrido

Los refrigerantes HOAT suelen mezclar una OAT con un inhibidor tradicional, generalmente silicatos.

Un ejemplo es Zerex G05 , que es una fórmula baja en silicatos y libre de fosfatos que incluye el inhibidor de benzoato .

Un refrigerante HOAT puede tener una esperanza de vida de hasta 10 años / 180 000 millas.

Tecnología de ácido orgánico híbrido de fosfato

Los refrigerantes P-HOAT mezclan fosfatos con HOAT. Esta tecnología se utiliza normalmente en las marcas asiáticas y, a menudo, se tiñe de rojo o azul.

Tecnología de ácido orgánico híbrido de silicato

Los refrigerantes Si-OAT mezclan silicatos con HOAT. Esta tecnología se utiliza normalmente en las marcas europeas y, a menudo, se tiñe de rosa.

Aditivos

Todas las formulaciones de anticongelante para automóviles, incluidas las formulaciones más nuevas de ácido orgánico (anticongelante OAT), son peligrosas para el medio ambiente debido a la mezcla de aditivos (alrededor del 5%), incluidos lubricantes, amortiguadores e inhibidores de corrosión. Debido a que los aditivos del anticongelante son patentados, las hojas de datos de seguridad (SDS) proporcionadas por el fabricante enumeran solo aquellos compuestos que se consideran peligros de seguridad significativos cuando se usan de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Los aditivos comunes incluyen silicato de sodio , fosfato disódico , molibdato de sodio , borato de sodio , benzoato de denatonio y dextrina (hidroxietil almidón).

El tinte de fluoresceína disódica se agrega a las fórmulas de etilenglicol convencionales para distinguir visualmente las cantidades filtradas de otros fluidos de vehículos y como marcador de tipo para distinguirlo de los tipos incompatibles. Este tinte emite fluorescencia de color verde brillante cuando se ilumina con luz azul o ultravioleta de la luz del día o de lámparas de prueba.

El anticongelante para automóviles tiene un olor característico debido al aditivo tolitriazol , un inhibidor de la corrosión. El olor desagradable en el uso industrial del tolitriazol proviene de las impurezas del producto que se forman a partir de los isómeros de toluidina (orto-, meta- y para-toluidina) y meta-diamino tolueno, que son productos secundarios en la fabricación del tolitriazol. Estos subproductos son muy reactivos y producen aminas aromáticas volátiles que son responsables del olor desagradable.

Ver también

Referencias