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tubo de vórtice

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:

  1. Diferencia de presión radial: compresión centrífuga y expansión del aire.
  2. Transferencia radial de momento angular.
  3. Transmisión acústica radial de energía.
  4. 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.

Ver también

Referencias

  1. ^ 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.
  2. ^ 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 .
  3. ^ [1] - ZS Spakovszky. Unificado: termodinámica y propulsión (Apuntes de conferencias), Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, Mass. 2007. cap. 12.3.
  4. ^ 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.
  5. ^ 【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
  6. ^ 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.
  7. ^ 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.
  8. ^ 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.
  9. ^ 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).
  10. ^ 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. ISBN 978-0-465-02210-6.
  11. ^ 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
  12. ^ Westley R (1954) Bibliografía y estudio del tubo de vórtice. Facultad de Aeronáutica, Cranfield Note, Reino Unido
  13. ^ Curley W, McGree R Jr (1951) Bibliografía de tubos de vórtice. Refrigeración en inglés 59(2):191–193
  14. ^ 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
  15. ^ Dobratz BM (1964) Tubos Vortex: una bibliografía. Laboratorio de Radiación Lawrence UCRL-7829
  16. ^ 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
  17. ^ 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
  18. ^ "Patentes gratuitas en línea" . Consultado el 27 de agosto de 2017 .
  19. ^ ab Stone, Greg (octubre de 1976). "Los tubos Vortex soplan frío y calor". Ciencia popular . 209 (4): 123–125 - a través de Google Books.
  20. ^ Chengming Gao, Estudio experimental sobre el tubo Vortex Ranque-Hilsch, (2005) página 2
  21. ^ 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.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ Newman Tools Inc. http://www.newmantools.com/vortex.htm
  25. ^ "Streamtek Corp". 20 de agosto de 2021.martes, 2 de junio de 2020

Otras lecturas

enlaces externos