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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.

El gas presurizado se inyecta tangencialmente en una cámara de remolino cerca de un extremo de un tubo, lo que produce una rotación rápida (el primer vórtice) a medida que se desplaza a lo largo de la superficie interior del tubo hasta el extremo más alejado. 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 del vórtice central también está más frío al regresar al punto de partida, donde se libera del tubo.

Método de funcionamiento

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 la física de primeros principios y no se limita únicamente a los tubos de vórtice, sino que se aplica al gas en movimiento en general. Demuestra que la separación de temperatura en un gas en movimiento se debe únicamente a la conservación de la entalpía en un marco de referencia en movimiento.

El proceso térmico en el tubo vórtice se puede estimar de la siguiente manera:

El principal fenómeno físico del tubo vorticial es la separación de temperatura entre el núcleo frío del vórtice y la periferia cálida del vórtice. El "efecto del tubo vorticial" 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 giratorio 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 térmica isobárica del gas. Esta ecuación se publicó en 2012; explica el principio de funcionamiento fundamental de los tubos vórtice (Aquí hay un video con una demostración animada de cómo funciona esto [5] ). La búsqueda de esta explicación comenzó en 1933 cuando se descubrió el tubo vórtice y continuó durante más de 80 años.

La ecuación anterior es válida para un paso de turbina adiabática; muestra claramente que mientras el gas que se mueve hacia el centro se enfría, el gas periférico en el paso se "vuelve más rápido". Por lo 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 se deriva directamente de la ley de conservación de la energía. El gas comprimido a temperatura ambiente se expande para ganar velocidad a través de una tobera; luego sube la barrera centrífuga de rotación durante la cual también se pierde energía. La energía perdida se entrega al vórtice, 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 lo 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). La salida de trabajo de la turbina se convierte en calor por el compresor en el extremo caliente.

Enfoque fenomenológico

Este enfoque se basa en observaciones y datos experimentales. Está específicamente diseñado para la forma geométrica del tubo de vórtice y los detalles de su flujo, y se adapta a los observables particulares del flujo complejo del tubo de vórtice, a saber, la turbulencia, los fenómenos acústicos, los campos de presión, las velocidades del aire y muchos otros. Los modelos publicados anteriormente del tubo de vórtice son fenomenológicos. Son:

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

Se 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 había analizado en profundidad; en la literatura de ingeniería, esta ecuación se estudia principalmente para mostrar el trabajo de salida de una turbina; mientras que el análisis de temperatura no se realiza porque el enfriamiento de la turbina 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 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 vórtices Helikon . [10] El físico alemán Rudolf Hilsch  [de] mejoró el diseño y publicó un artículo ampliamente leído en 1947 sobre el dispositivo, al que llamó Wirbelrohr (literalmente, tubo de remolino). [11] En 1954, Westley [12] publicó un estudio exhaustivo 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 una importante contribución a la literatura de RHVT con sus extensas revisiones sobre el tubo vórtice 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 vórtice bajo el nombre de la empresa Fulton Cryogenics. [19] Fulton vendió la empresa a Vortec, Inc. [19] El tubo 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 se produce una rotación de cuerpo libre desde el núcleo y una capa límite gruesa en la pared. El aire se separa provocando una corriente de aire más fría que sale del escape con la esperanza de enfriarse como un refrigerador. [22] En 1988, RT Balmer aplicó agua líquida como medio de trabajo. Se descubrió que cuando la presión de entrada es alta, por ejemplo 20-50 bar, el proceso de separación de energía térmica también existe en el flujo de vórtice incompresible (líquidos). Tenga en cuenta que esta separación solo se debe al calentamiento; ya no se observa enfriamiento ya que el enfriamiento requiere compresibilidad del fluido de trabajo.

Eficiencia

Los tubos vórtice tienen una eficiencia menor que los equipos de aire acondicionado tradicionales . [23] Se utilizan comúnmente para enfriamiento localizado de bajo costo, cuando hay aire comprimido disponible.

Aplicaciones

Aplicaciones actuales

Los tubos de vórtice comerciales están diseñados para aplicaciones industriales para producir una caída de temperatura de hasta 71 °C (160 °F). Sin partes móviles, sin electricidad y sin refrigerante, un tubo de vórtice puede producir refrigeración de hasta 1800 W (6000 BTU/h) utilizando 100 pies cúbicos estándar por minuto (2,832 m 3 /min) de aire comprimido filtrado a 100 psi (6,9 bar). 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 de vórtice se utilizan para enfriar herramientas de corte ( tornos y fresadoras , tanto manuales como CNC ) durante el mecanizado. El tubo de vórtice es ideal para esta aplicación: los talleres de mecanizado generalmente ya utilizan aire comprimido, y un chorro rápido 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 sucio, costoso y peligroso para el medio ambiente.

Véase también

Referencias

  1. ^ Walker, Jearl (1975). "La locura de remover 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, Indah (2019). "Optimización de parámetros del tipo de tubo, presión y fracción de masa en el rendimiento del tubo de vórtice utilizando el método Taguchi". Revista internacional de calor y tecnología . 37 (2): 597–604. doi : 10.18280/ijht.370230 .
  3. ^ [1] - ZS Spakovszky. Unificada: termodinámica y propulsión (Apuntes de clase), Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, Mass. 2007. cap. 12.3.
  4. ^ Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2012). "Termodinámica de la propulsión angular en fluidos". Physical Review Letters . 109 (5): 054504-1–054504-4. Código Bibliográfico :2012PhRvL.109e4504P. doi :10.1103/PhysRevLett.109.054504. PMID  23006180.
  5. ^ 【Fun科學】惡魔急凍管 (只要把空氣灌進去就瞬間變冷!!), 17 de septiembre de 2021 , consultado el 18 de septiembre de 2021.
  6. ^ Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2015). "Efecto de tubo de vórtice sin paredes". Revista Canadiense de Física . 93 (8): 850–854. Código Bibliográfico :2015CaJPh..93..850P. doi :10.1139/cjp-2014-0227.
  7. ^ Xue, Y.; et al. (2010). "Una revisión crítica de la separación de temperatura en un tubo de vórtice". Exper. Therm. Fluid Sci . 34 (8): 1367–1374. Bibcode :2010ETFS...34.1367X. 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". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 12 (7): 1822–1842. doi :10.1016/j.rser.2007.03.006.
  9. ^ Georges Joseph Ranque, “Método y aparato para obtener de un fluido bajo presión dos corrientes de fluidos a diferentes temperaturas”, patente estadounidense n.º 1.952.281 (presentada: 6 de diciembre de 1932; expedida: 27 de marzo de 1934).
  10. ^ Farmelo, Graham (2009). El hombre más extraño: La vida oculta de Paul Dirac . Nueva York: Basic Books. pp. 248-249, 307, 311, 313-24, 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". Revista de instrumentos científicos . 18 (2): 108–113. Bibcode :1947RScI...18..108H. doi :10.1063/1.1740893. PMID  20288553. Traducido del artículo original 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. Nota de la Facultad de Aeronáutica, Cranfield, Reino Unido
  13. ^ Curley W, McGree R Jr (1951) Bibliografía de tubos de vórtice. Refrig Eng 59(2):191–193
  14. ^ Kalvinskas L (1956) Tubos de vórtice (una extensión de la bibliografía de Wesley). Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto Tecnológico de California, búsqueda de literatura, 56, Parte 2
  15. ^ Dobratz BM (1964) Tubos de vórtice: 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, Vol 6
  17. ^ Hellyar KG (1979) Licuefacción de gases 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 de vórtice soplan calor y frío". Popular Science . 209 (4): 123–125 – vía Google Books.
  20. ^ Chengming Gao, Estudio experimental sobre el tubo de vórtice de Ranque-Hilsch, (2005) página 2
  21. ^ Los tubos Vortex están construidos de acero inoxidable y utilizan un generador y una válvula hechos de latón y sellados con juntas tóricas de vitón para permitir su uso en la más amplia gama de entornos.
  22. ^ RT Balmer. Separación térmica de Ranque-Hilsch impulsada por presión en líquidos. Trans. ASME, J. Fluids Engineering , 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 Bibliográfico :2015CaJPh..93.1279P. doi :10.1139/cjp-2015-0089.
  24. ^ Herramientas Newman Inc. http://www.newmantools.com/vortex.htm
  25. ^ "Streamtek Corp". 20 de agosto de 2021.Martes 2 de junio de 2020

Lectura adicional

Enlaces externos