Dispositivo para separar gas comprimido en corrientes frías y calientes.
Separación de un gas comprimido en una corriente caliente y una corriente fría.
El tubo de vórtice , también conocido como tubo de vórtice de Ranque-Hilsch , es un dispositivo mecánico que separa un gas comprimido en corrientes frías y calientes. El gas que emerge del extremo caliente puede alcanzar temperaturas de 200 °C (390 °F) y el gas que emerge del extremo frío puede alcanzar -50 °C (-60 °F). [1] No tiene partes móviles y se considera una tecnología respetuosa con el medio ambiente porque puede funcionar únicamente con aire comprimido y no utiliza freón . [2] Sin embargo, su eficiencia es baja, lo que contrarresta sus otras ventajas medioambientales.
Se inyecta gas presurizado tangencialmente en una cámara de remolino cerca de un extremo de un tubo, lo que provoca una rotación rápida (el primer vórtice) a medida que se mueve a lo largo de la superficie interna del tubo hasta el otro extremo. Una boquilla cónica permite que el gas específicamente de esta capa exterior escape por ese extremo a través de una válvula. El resto del gas se ve obligado a regresar en un vórtice interior de diámetro reducido dentro del vórtice exterior. El gas del vórtice interior transfiere energía al gas del vórtice exterior, por lo que la capa exterior está más caliente en el extremo más alejado de lo que estaba inicialmente. El gas en el vórtice central también está más frío al regresar al punto de partida, donde es liberado del tubo.
Método de operación
Para explicar la separación de temperaturas en un tubo de vórtice, existen dos enfoques principales:
Enfoque fundamental: la física.
Este enfoque se basa únicamente en los primeros principios de la física y no se limita únicamente a los tubos de vórtice, sino que se aplica al gas en movimiento en general. Muestra que la separación de temperaturas en un gas en movimiento se debe únicamente a la conservación de la entalpía en un sistema de referencia en movimiento.
El proceso térmico en el tubo de vórtice se puede estimar de la siguiente manera:
El principal fenómeno físico del tubo de vórtice es la separación de temperatura entre el núcleo frío del vórtice y la cálida periferia del vórtice. El "efecto tubo vórtice" se explica completamente con la ecuación de trabajo de Euler, [3] también conocida como ecuación de la turbina de Euler, que puede escribirse en su forma vectorial más general como: [4]
,
donde es la temperatura total o de estancamiento del gas en rotación en la posición radial ; la velocidad absoluta del gas observada desde el marco de referencia estacionario se denota con ; la velocidad angular del sistema es y es la capacidad calorífica isobárica del gas. Esta ecuación fue publicada en 2012; Explica el principio de funcionamiento fundamental de los tubos de vórtice (aquí hay un vídeo con una demostración animada de cómo funciona [5] ). La búsqueda de esta explicación comenzó en 1933 cuando se descubrió el tubo de vórtice y continuó durante más de 80 años.
La ecuación anterior es válida para el paso de una turbina adiabática; muestra claramente que mientras el gas que se mueve hacia el centro se enfría, el gas periférico en el pasaje se "hace más rápido". Por tanto, el enfriamiento del vórtice se debe a la propulsión angular. Cuanto más se enfría el gas al llegar al centro, más energía rotacional entrega al vórtice y, por lo tanto, el vórtice gira aún más rápido. Esta explicación surge directamente de la ley de conservación de la energía. El gas comprimido a temperatura ambiente se expande para ganar velocidad a través de una boquilla; luego sube la barrera centrífuga de rotación durante la cual también se pierde energía. La energía perdida se entrega al vórtice, lo que acelera su rotación. En un tubo de vórtice, la pared cilíndrica circundante confina el flujo en la periferia y, por lo tanto, fuerza la conversión de energía cinética en energía interna, lo que produce aire caliente en la salida caliente.
Por tanto, el tubo de vórtice es un turboexpansor sin rotor . [6] Consiste en una turbina de entrada radial sin rotor (extremo frío, centro) y un compresor centrífugo sin rotor (extremo caliente, periferia). El trabajo producido por la turbina se convierte en calor mediante el compresor en el extremo caliente.
Enfoque fenomenológico
Este enfoque se basa en observaciones y datos experimentales. Está diseñado específicamente para la forma geométrica del tubo de vórtice y los detalles de su flujo y está diseñado para coincidir con los observables particulares del complejo flujo del tubo de vórtice, a saber, turbulencia, fenómenos acústicos, campos de presión, velocidades del aire y muchos otros. Los modelos del tubo de vórtice publicados anteriormente son fenomenológicos. Ellos son:
Diferencia de presión radial: compresión centrífuga y expansión del aire.
Transferencia radial de momento angular.
Transmisión acústica radial de energía.
Bombeo de calor radial
Puede encontrar más información sobre estos modelos en artículos de revisión recientes sobre tubos de vórtice. [7] [8]
Los modelos fenomenológicos se desarrollaron en una época anterior, cuando la ecuación de la turbina de Euler no se analizaba en profundidad; en la literatura de ingeniería, esta ecuación se estudia principalmente para mostrar el trabajo producido por una turbina; mientras que no se realiza análisis de temperatura ya que el enfriamiento de turbinas tiene una aplicación más limitada a diferencia de la generación de energía, que es la principal aplicación de las turbinas. Los estudios fenomenológicos del tubo de vórtice realizados en el pasado han sido útiles para presentar datos empíricos. Sin embargo, debido a la complejidad del flujo del vórtice, este enfoque empírico solo pudo mostrar aspectos del efecto pero no pudo explicar su principio de funcionamiento. Dedicados a los detalles empíricos, durante mucho tiempo los estudios empíricos hicieron que el efecto del tubo de vórtice pareciera enigmático y su explicación, un tema de debate.
Historia
El tubo de vórtice fue inventado en 1931 por el físico francés Georges J. Ranque . [9] Fue redescubierto por Paul Dirac en 1934 mientras buscaba un dispositivo para realizar la separación de isótopos , lo que llevó al desarrollo del proceso de separación de vórtice Helikon . [10] El físico alemán Rudolf Hilsch [Delaware] mejoró el diseño y publicó un artículo muy leído en 1947 sobre el dispositivo, al que llamó Wirbelrohr (literalmente, tubo de hidromasaje). [11]
En 1954, Westley [12] publicó un estudio completo titulado "Una bibliografía y estudio del tubo de vórtice", que incluía más de 100 referencias. En 1951 Curley y McGree, [13] en 1956 Kalvinskas, [14] en 1964 Dobratz, [15] en 1972 Nash, [16] y en 1979 Hellyar [17] hicieron importantes contribuciones a la literatura sobre RHVT mediante sus extensas revisiones sobre la Tubo vortex y sus aplicaciones. De 1952 a 1963, C. Darby Fulton, Jr. obtuvo cuatro patentes estadounidenses relacionadas con el desarrollo del tubo vórtice. [18] En 1961, Fulton comenzó a fabricar el tubo de vórtice bajo el nombre de la empresa Fulton Cryogenics. [19] Fulton vendió la empresa a Vortec, Inc. [19] El tubo de vórtice se utilizó para separar mezclas de gases, oxígeno y nitrógeno, dióxido de carbono y helio, dióxido de carbono y aire en 1967 por Linderstrom-Lang. [20] [21]
Los tubos de vórtice también parecen funcionar con líquidos hasta cierto punto, como lo demostraron Hsueh y Swenson en un experimento de laboratorio donde la rotación libre del cuerpo se produce desde el núcleo y una gruesa capa límite en la pared. El aire se separa provocando que una corriente de aire más fría salga por el escape con la esperanza de enfriarse como un refrigerador. [22] En 1988, RT Balmer utilizó agua líquida como medio de trabajo. Se descubrió que cuando la presión de entrada es alta, por ejemplo de 20 a 50 bar, el proceso de separación de energía térmica también se produce en un flujo de vórtice (líquido) incompresible. Tenga en cuenta que esta separación se debe únicamente al calentamiento; ya no se observa enfriamiento puesto que el enfriamiento requiere compresibilidad del fluido de trabajo.
Eficiencia
Los tubos Vortex tienen menor eficiencia que los equipos de aire acondicionado tradicionales . [23] Se utilizan comúnmente para enfriamiento puntual económico, cuando hay aire comprimido disponible.
Aplicaciones
Aplicaciones actuales
Los tubos vórtex comerciales están diseñados para aplicaciones industriales para producir una caída de temperatura de hasta 71 °C (160 °F). Sin piezas móviles, sin electricidad y sin refrigerante, un tubo de vórtice puede producir refrigeración de hasta 1.800 W (6.000 BTU/h) utilizando 100 pies cúbicos estándar por minuto (2.832 m 3 /min) de aire comprimido filtrado a 100 psi ( 6,9 bares). Una válvula de control en el escape de aire caliente ajusta las temperaturas, los flujos y la refrigeración en un amplio rango. [24] [25]
Los tubos Vortex se utilizan para enfriar herramientas de corte ( tornos y fresadoras , tanto manuales como máquinas CNC ) durante el mecanizado. El tubo de vórtice se adapta bien a esta aplicación: los talleres mecánicos generalmente ya utilizan aire comprimido, y un rápido chorro de aire frío proporciona tanto enfriamiento como eliminación de las virutas producidas por la herramienta. Esto elimina o reduce drásticamente la necesidad de refrigerante líquido, que es complicado, costoso y peligroso para el medio ambiente.
^ Caminante, Jearl (1975). "La locura de revolver el té". El circo volador de la física . John Wiley & Sons, Inc. pág. 97.ISBN 0-471-91808-3.
^ Sarifudin, Alfan; Wijayanto, Danar S.; Widiastuti, India (2019). "Optimización de parámetros del tipo de tubo, presión y fracción de masa en el rendimiento del tubo Vortex mediante el método Taguchi". Revista Internacional de Calor y Tecnología . 37 (2): 597–604. doi : 10.18280/ijht.370230 .
^ [1] - ZS Spakovszky. Unificado: termodinámica y propulsión (Apuntes de conferencias), Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, Mass. 2007. cap. 12.3.
^ Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2012). "Termodinámica de la propulsión angular en fluidos". Cartas de revisión física . 109 (5): 054504-1–054504-4. Código bibliográfico : 2012PhRvL.109e4504P. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.054504. PMID 23006180.
^ 【Diversión科學】惡魔急凍管 (只要把空氣灌進去就瞬間變冷!!) , consultado el 18 de septiembre de 2021
^ Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2015). "Efecto tubo vórtice sin paredes". Revista Canadiense de Física . 93 (8): 850–854. Código Bib : 2015CaJPh..93..850P. doi :10.1139/cjp-2014-0227.
^ Xue, Y.; et al. (2010). "Una revisión crítica de la separación de temperaturas en un tubo de vórtice". Experto. Termia. Ciencia de fluidos . 34 (8): 1367-1374. doi :10.1016/j.expthermflusci.2010.06.010.
^ Eiamsa-ard, S.; et al. (2008). "Revisión de los efectos Ranque-Hilsch en tubos de vórtice". Reseñas de energías renovables y sostenibles . 12 (7): 1822–1842. doi :10.1016/j.rser.2007.03.006.
^ Georges Joseph Ranque, “Método y aparato para obtener a partir de un fluido bajo presión dos corrientes de fluidos a diferentes temperaturas”, Patente de EE. UU. núm. 1.952.281 (presentada: 6 de diciembre de 1932; emitida: 27 de marzo de 1934).
^ Farmelo, Graham (2009). El hombre más extraño: la vida oculta de Paul Dirac . Nueva York: Libros básicos. págs. 248–9, 307, 311, 313–4, 321, 431. ISBN978-0-465-02210-6.
^ Hilsch, Rudolf (1947). "El uso de la expansión de gases en un campo centrífugo como proceso de enfriamiento". Revisión de Instrumentos Científicos . 18 (2): 108-113. Código bibliográfico : 1947RScI...18..108H. doi : 10.1063/1.1740893. PMID 20288553. Traducido del artículo original en alemán: Rudolf Hilsch (1946) "Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß" (La expansión de gases en un campo centrífugo como proceso de enfriamiento), Zeitschrift für Naturforschung , 1 : 208–214. Disponible en línea en: Zeitschrift für Naturforschung
^ Westley R (1954) Bibliografía y estudio del tubo de vórtice. Facultad de Aeronáutica, Cranfield Note, Reino Unido
^ Curley W, McGree R Jr (1951) Bibliografía de tubos de vórtice. Refrigeración en inglés 59(2):191–193
^ Kalvinskas L (1956) Tubos Vortex (una extensión de la bibliografía de Wesley). Laboratorio de Propulsión a Chorro, Búsqueda de Literatura del Instituto de Tecnología de California, 56, Parte 2
^ Dobratz BM (1964) Tubos Vortex: una bibliografía. Laboratorio de Radiación Lawrence UCRL-7829
^ Nash JM (1972) El tubo de vórtice Ranque-Hilsch y su aplicación a los sistemas de control ambiental de naves espaciales. Dev Theor Appl Mech, volumen 6
^ Hellyar KG (1979) Licuefacción de gas mediante un tubo de vórtice Ranque-Hilsch: criterios de diseño y bibliografía. Informe para el grado de Ingeniero Químico, Instituto Tecnológico de Massachusetts
^ "Patentes gratuitas en línea" . Consultado el 27 de agosto de 2017 .
^ ab Stone, Greg (octubre de 1976). "Los tubos Vortex soplan frío y calor". Ciencia popular . 209 (4): 123–125 - a través de Google Books.
^ Chengming Gao, Estudio experimental sobre el tubo Vortex Ranque-Hilsch, (2005) página 2
^ Los tubos Vortex están fabricados en acero inoxidable y utilizan un generador y una válvula fabricados en latón y sellados con juntas tóricas de vitón para permitir su uso en la más amplia gama de entornos.
^ RT Balmer. Separación de temperatura de Ranque-Hilsch impulsada por presión en líquidos. Trans. ASME, J. Ingeniería de fluidos , 110:161–164, junio de 1988.
^ Polihronov, J.; et al. (2015). "El coeficiente máximo de rendimiento (COP) de los tubos de vórtice". Revista Canadiense de Física . 93 (11): 1279-1282. Código Bib : 2015CaJPh..93.1279P. doi :10.1139/cjp-2015-0089.
^ Newman Tools Inc. http://www.newmantools.com/vortex.htm
^ "Streamtek Corp". 20 de agosto de 2021.martes, 2 de junio de 2020
Otras lecturas
G. Ranque, (1933) "Expériences sur la détente giratoire avec Productions simultanées d'un echappement d'air chaud et d'un echappement d'air froid", Journal de Physique et Le Radium , Suplemento, séptima serie, 4 : 112 S – 114 S.
HC Van Ness, Understanding Thermodynamics , Nueva York: Dover, 1969, a partir de la página 53. Una discusión sobre el tubo de vórtice en términos de termodinámica convencional.
Mark P. Silverman, Y sin embargo se mueve: sistemas extraños y preguntas sutiles en física , Cambridge, 1993, capítulo 6
Samuel B. Hsueh y Frank R. Swenson, "Vortex Diode Interior Flows", 1970 Actas de la Academia de Ciencias de Missouri, Warrensburg, Missouri.
Van Deemter, JJ (1952). "Sobre la teoría del efecto de enfriamiento de Ranque-Hilsch". Investigación en Ciencias Aplicadas . 3 (3): 174–196. doi :10.1007/BF03184927.
Saidi, MH; Valipour, MS (2003). "Modelado experimental de refrigerador de tubos Vortex". Revista de Ingeniería Térmica Aplicada . 23 (15): 1971–1980. doi :10.1016/s1359-4311(03)00146-7.
Valipour, MS; Niazi, N (2011). "Modelado experimental de un refrigerador de tubo vórtice curvo Ranque-Hilsch". Revista Internacional de Refrigeración . 34 (4): 1109-1116. doi :10.1016/j.ijrefrig.2011.02.013.
M. Kurosaka, Transmisión acústica en flujo arremolinado y el efecto Ranque-Hilsch (tubo de vórtice), Journal of Fluid Mechanics, 1982, 124:139-172
M. Kurosaka, JQ Chu, JR Goodman, Ranque-Hilsch Effect Revisited: Temperature Separation Traced to Orderly Spinning Waves or 'Vortex Whistle', documento AIAA-82-0952 presentado en la tercera conferencia conjunta de termofísica AIAA/ASME (junio de 1982)
Gao, Chengming (2005). Estudio experimental sobre el tubo Vortex de Ranque-Hilsch . Eindhoven: Universidad Técnica de Eindhoven. ISBN 90-386-2361-5.
R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D'Alessandro, S. Montelpare. Análisis numérico del flujo helicoidal turbulento compresible en un tubo de vórtice de Ranque-Hilsch. Métodos computacionales y medición experimental XIV, págs. 353–364, Ed. C. Brebbia, CM Carlomagno, ISBN 978-1-84564-187-0 .
A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Análisis de dinámica de fluidos de un tubo de vórtice de Ranque-Hilsch. Il Nuovo Cimento C, vol.32, 2009, ISSN 1124-1896.
A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Simulación numérica de flujo turbulento en un tubo de vórtice de Ranque-Hilsch. Revista internacional de transferencia de masa y calor , vol. 52, números 23 y 24, noviembre de 2009, págs. 5496–5511, ISSN 0017-9310.
N. Pourmahmoud, A. Hassanzadeh, O. Moutaby. Análisis numérico del efecto de la separación de las boquillas helicoidales sobre la capacidad de enfriamiento del tubo Vortex Ranque Hilsch. Revista Internacional de Refrigeración , vol. 35, número 5, 2012, págs. 1473–1483, ISSN 0140-7007.
MG Ranque, 1933, "Experiences sur la detente giratoire avec production simulanees d'un echappement d'air chaud et d'air froid", Journal de Physique et le Radium (en francés), Suplemento, séptima serie, vol. 4, págs. 112 S-114 S.
R. Hilsch, 1947, "El uso de la expansión de gases en un campo centrífugo como proceso de enfriamiento", Review of Scientific Instruments, vol. 18, núm. 2, págs. 108-113.
J Reynolds, 1962, "Una nota sobre los flujos de tubos de vórtice", Journal of Fluid Mechanics, vol. 14, págs. 18-20.
TT Cockerill, 1998, "Termodinámica y mecánica de fluidos de un tubo de vórtice de Ranque-Hilsch", Ph.D. Tesis, Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería.
W. Fröhlingsdorf y H. Unger, 1999, "Investigaciones numéricas del flujo compresible y la separación de energía en el tubo vórtice de Ranque-Hilsch", Int. J. Transferencia de masa de calor, vol. 42, págs. 415–422.
J. Lewins y A. Bejan, 1999, "Teoría de optimización del tubo Vortex", Energía, vol. 24, págs. 931–943.
JP Hartnett y ERG Eckert, 1957, "Estudio experimental de la distribución de velocidad y temperatura en un flujo tipo vórtice de alta velocidad", Transactions of the ASME, vol. 79, núm. 4, págs. 751–758.
M. Kurosaka, 1982, "Transmisión acústica en flujos arremolinados", Journal of Fluid Mechanics, vol. 124, págs. 139-172.
K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang y D. Seher, 1983, "Una investigación de la separación de energía en un tubo de vórtice", Revista internacional de transferencia de calor y masa, vol. 26, núm. 3, págs. 341–348.
BK Ahlborn y JM Gordon, 2000, "El tubo Vortex como ciclo de refrigeración termodinámico clásico", Journal of Applied Physics, vol. 88, núm. 6, págs. 3645–3653.
JM Nash, 1991, "Dispositivos de expansión de vórtice para criogenia de alta temperatura", Proc. de la 26ª Conferencia Intersociedad de Ingeniería de Conversión de Energía, vol. 4, págs. 521–525.
D. Li, JS Baek, EA Groll y PB Lawless, 2000, "Análisis termodinámico de tubos de vórtice y dispositivos de salida de trabajo para el ciclo transcrítico del dióxido de carbono", Actas preliminares de la cuarta conferencia IIR-Gustav Lorentzen sobre fluidos de trabajo naturales en Purdue , EA Groll y DM Robinson, editores, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, págs.
H. Takahama, 1965, "Estudios sobre tubos Vortex", Boletín de JSME, vol. 8, núm. 3, págs. 433–440.
B. Ahlborn y S. Groves, 1997, "Flujo secundario en un tubo de vórtice", Fluid Dyn. Investigación, vol. 21, págs. 73–86.
H. Takahama y H. Yokosawa, 1981, "Separación de energía en tubos de vórtice con cámara divergente", ASME Journal of Heat Transfer, vol. 103, págs. 196-203.
M. Sibulkin, 1962, "Flujo circular, viscoso e inestable. Parte 3: Aplicación al tubo Vortex de Ranque-Hilsch", Journal of Fluid Mechanics, vol. 12, págs. 269–293.
K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang y D. Seher, 1984, "Una relación de similitud para la separación de energía en un tubo de vórtice", Int. J. Transferencia de masa de calor, vol. 27, núm. 6, págs. 911–920.
H. Takahama y H. Kawamura, 1979, "Características de rendimiento de la separación de energía en un tubo de vórtice operado por vapor", Revista Internacional de Ciencias de la Ingeniería, vol. 17, págs. 735–744.
G. Lorentzen, 1994, "Renacimiento del dióxido de carbono como refrigerante", H&V Engineer, vol. 66. Núm. 721, págs. 9-14.
DM Robinson y EA Groll, 1996, "Using Carbon Dioxide in a Transcritical Vapor Compression Refrigeration Cycle", Actas de la Conferencia Internacional de Refrigeración de 1996 en Purdue, JE Braun y EA Groll, editores, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, págs. 329–336.
WA Little, 1998, "Desarrollos recientes en refrigeración Joule-Thomson: gases, refrigeradores y compresores", Proc. Del 5to Int. Conferencia sobre crioenfriadores, págs. 3-11.
AP Kleemenko, 1959, "Ciclo en cascada de un flujo (en esquemas de licuefacción y separación de gas natural)", Actas del 10º Congreso Internacional sobre Refrigeración, Pergamon Press, Londres, p. 34.
J. Marshall, 1977, "Efecto de las condiciones operativas, el tamaño físico y las características del fluido en el rendimiento de la separación de gases de un tubo vórtice Linderstrom-Lang", Int. J. Transferencia de masa de calor, vol. 20, págs. 227-231
enlaces externos
Patente estadounidense de GJ Ranque
Explicación detallada del efecto del tubo de vórtice con muchas imágenes.
Demostración de física de la universidad de Oberlin
Construyendo un tubo Vortex Este viejo Tony, YouTube