Sección transversal de una válvula Tesla, que muestra el diseño de su cavidad, de la solicitud de patente original.Visualización del flujo en forma de línea de trazos a Re=200 utilizando un colorante inyectado aguas arriba:
(a) Dirección hacia adelante. Dos filamentos adyacentes permanecen en el corredor central del conducto con solo pequeñas desviaciones laterales.
(b) Dirección inversa. Los filamentos rebotan en las estructuras periódicas, desviándose cada vez más bruscamente antes de ser redirigidos alrededor de las "islas" y mezclarse. (c) y (d) son imágenes ampliadas
Una válvula Tesla , llamada conducto valvular por su inventor, es una válvula de retención pasiva de geometría fija . Permite que un fluido fluya preferentemente en una dirección, sin partes móviles. El dispositivo recibe su nombre de Nikola Tesla , a quien se le otorgó la patente estadounidense 1.329.559 en 1920 por su invención. La solicitud de patente describe la invención de la siguiente manera: [1]
El interior del conducto está provisto de ensanchamientos, rebajes, salientes, deflectores o cubetas que, si bien no ofrecen prácticamente ninguna resistencia al paso del fluido en una dirección, salvo la fricción superficial, constituyen una barrera casi infranqueable para su flujo en la dirección opuesta.
Tesla ilustró esto con el dibujo, que muestra una posible construcción con una serie de once segmentos de control de flujo, aunque se podría utilizar cualquier otro número de dichos segmentos según se desee para aumentar o disminuir el efecto de regulación del flujo.
Diodicidad
Las válvulas son estructuras que tienen una mayor caída de presión para el flujo en una dirección (inversa) que en la otra (adelante). Esta diferencia en la resistencia al flujo provoca un caudal direccional neto en la dirección de avance en flujos oscilantes. La eficiencia se expresa a menudo en diodicidad , que es la relación de las resistencias direccionales.
La resistencia al flujo se define, de forma análoga a la ley de Ohm para la resistencia eléctrica, [2] como la relación entre la caída de presión aplicada y el caudal resultante:
donde es la diferencia de presión aplicada entre dos extremos del conducto y el caudal.
La diodicidad es entonces la relación entre la resistencia al flujo inverso y la resistencia al flujo directo: . Si , el conducto en cuestión tiene un comportamiento diodico.
Por tanto, la diodicidad es también la relación de las caídas de presión para caudales idénticos: [3]
¿Dónde está la caída de presión del flujo inverso y la caída de presión del flujo directo para el caudal ?
Al no tener partes móviles, las válvulas Tesla son mucho más resistentes al desgaste y la fatiga, especialmente en aplicaciones con frecuentes inversiones de presión, como los chorros de pulso . [5]
Una micrografía de una válvula Tesla en una microbomba de válvula fija, con flujo restringido de derecha a izquierda [6]
La válvula Tesla se utiliza en aplicaciones de microfluidos [7] y ofrece ventajas como escalabilidad, durabilidad y facilidad de fabricación en una variedad de materiales. [8] También se utiliza en aplicaciones de macrofluidos y motores de chorro de pulso. [4] En 2021, Xiaomi anunció que algunos de sus teléfonos móviles utilizarán tecnología de refrigeración líquida de bucle. Esta tecnología utiliza una válvula Tesla para asegurarse de que el flujo de refrigerante sea unidireccional. [9] [10]
Principio de funcionamiento de la válvula Tesla: La figura superior muestra el flujo en la dirección de bloqueo: en cada segmento, una parte del fluido gira (rojo) e interfiere con el flujo hacia adelante (negro). La figura inferior muestra el flujo en la dirección libre (azul).
Una simulación de dinámica de fluidos computacional de válvulas Tesla con dos y cuatro segmentos mostró que la resistencia al flujo en la dirección de bloqueo (o inversa) era aproximadamente 15 y 40 veces mayor, respectivamente, que la dirección sin impedimentos (o hacia adelante). [11] Esto respalda la afirmación de la patente de Tesla de que en el conducto valvular de su diagrama, se puede obtener una relación de presión "que se aproxima a 200 de modo que el dispositivo actúa como una válvula con una ligera fuga". [1]
Sin embargo, los experimentos de flujo constante, incluso con el diseño original, muestran proporciones más pequeñas de las dos resistencias, en el rango de 2 a 4. [4] También se ha demostrado que el dispositivo funciona mejor con flujos pulsátiles . [4]
^ ab "Patente n.°: US001329559". Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos . Oficina del Director de Comunicaciones. Archivado desde el original el 3 de enero de 2017. Consultado el 2 de enero de 2017 .
^ Nguyen, Quynh M.; Huang, Dean; Dean, Evan; Romanelli, Genievieve; Meyer, Charlotte; Ristroph, Leif (octubre de 2020). "El diodo fluídico de Tesla y la analogía electrónica-hidráulica". American Journal of Physics . 89 (4): 393–402. arXiv : 2103.14813 . doi :10.1119/10.0003395. S2CID 232401497.
^ de Vries; Florea; Homburg; Frijns (2017). "Diseño y funcionamiento de una válvula tipo tesla para tubos de calor pulsantes". Revista internacional de transferencia de calor y masa . 105 : 1–11. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.062 .
^ abcd Nguyen, Quynh M.; Abouezzi, Joanna; Ristroph, Leif (17 de mayo de 2021). "La turbulencia temprana y los flujos pulsátiles mejoran la diodicidad de la válvula macrofluídica de Tesla". Nature Communications . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Bibcode :2021NatCo..12.2884N. doi : 10.1038/s41467-021-23009-y . PMC 8128925 . PMID 34001882.
^ Mohammadzadeh, K.; Kolahdouz, Ebrahim M.; Shirani, E.; Shafii, MB (2013). "Estudio numérico sobre el rendimiento de la microválvula tipo Tesla en una microbomba sin válvulas en el rango de bajas frecuencias" . Journal of Micro-Bio Robotics . 8 (3–4): 145–159. doi :10.1007/s12213-013-0069-1. S2CID 109638783. Archivado desde el original el 23 de abril de 2021. Consultado el 12 de mayo de 2021 .
^ Forster, Fred K.; Bardell, Ronald L.; Afromowitz, Martin A.; Sharma, Nigel R. (1995). Diseño, fabricación y prueba de microbombas con válvulas fijas. Actas de la División de Ingeniería de Fluidos de ASME . Vol. 234. págs. 39–44.
^ Deng, Yongbo; Liu, Zhenyu; Zhang, Ping (28 de enero de 2010). "Optimización de microválvulas de resistencia fluídica con piezas inmóviles y bajo número de Reynolds". 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) . págs. 67–70. doi :10.1109/MEMSYS.2010.5442565. ISBN978-1-4244-5761-8. S2CID 22740698. Archivado desde el original el 12 de mayo de 2021 . Consultado el 12 de mayo de 2021 .
^ Gamboa, Adrian R.; Morris, Christopher J.; Forster, Fred K. (2005). "Mejoras en el rendimiento de microbombas con válvulas fijas mediante la optimización de la forma de las válvulas". Journal of Fluids Engineering . 127 (2): 339. doi :10.1115/1.1891151. S2CID 55961879.
^ "Explicado: Cómo funciona la tecnología de refrigeración líquida en los teléfonos inteligentes".
^ "La refrigeración líquida y las válvulas Tesla llegan a los teléfonos inteligentes".
^ "Conducto valvular de Tesla - Fluid Power Journal". Fluid Power Journal . 2013-10-23. Archivado desde el original el 2017-01-13 . Consultado el 2017-01-13 .
