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 (392 ° F ) y el gas que emerge del "extremo frío" puede alcanzar los -50 ° C (-58 ° F). [1] No tiene partes móviles .
El gas presurizado se inyecta tangencialmente en una cámara de turbulencia y se acelera a una alta velocidad de rotación . Debido a la boquilla cónica en el extremo del tubo, solo la capa exterior del gas comprimido puede escapar por ese extremo. El resto del gas se ve obligado a regresar en un vórtice interior de diámetro reducido dentro del vórtice exterior.
Método de operación
Para explicar la separación de temperatura en un tubo de vórtice, existen dos enfoques principales:
Enfoque fundamental: la física
Este enfoque se basa únicamente en la física de los primeros principios 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 temperatura en un gas en movimiento se debe solo a la conservación de la entalpía en un marco de referencia en movimiento.
El proceso térmico en el tubo de vórtice se puede estimar de la siguiente manera: 1) La expansión adiabática del gas entrante, que enfría el gas y convierte su contenido de calor en energía cinética de rotación. Se conserva la entalpía total, que es la suma de la entalpía y la energía cinética. 2) El flujo de gas giratorio periférico se mueve hacia la salida caliente. Aquí, el efecto de recuperación de calor tiene lugar entre el flujo periférico de rotación rápida y el flujo axial de rotación lenta opuesta. Aquí el calor se transfiere del flujo axial al periférico. 3) La energía cinética de rotación se convierte en calor por medio de la disipación viscosa. La temperatura del gas aumenta. Como la entalpía total se ha incrementado durante el proceso de recuperación de calor, esta temperatura es más alta que la del gas entrante. 4) Parte del gas caliente sale por la salida caliente, llevándose el exceso de calor. 5) El resto del gas gira hacia la salida fría. A medida que avanza hacia la salida fría, su energía térmica se transfiere al flujo periférico. Aunque la temperatura en el eje y en la periferia es aproximadamente la misma en todas partes, la rotación es más lenta en el eje, por lo que la entalpía total también es menor. 6) El gas enfriado de baja entalpía total del flujo axial sale por la salida fría.
El principal fenómeno físico del tubo de vórtice es la separación de temperatura entre el núcleo del vórtice frío y la periferia del vórtice caliente. El "efecto del tubo de vórtice" se explica completamente con la ecuación de trabajo de Euler, [2] también conocida como ecuación de la turbina de Euler, que se puede escribir en su forma vectorial más general como: [3]
- ,
dónde 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 se publicó en 2012; explica el principio de funcionamiento fundamental de los tubos de vórtice. 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 un paso de turbina adiabático; muestra claramente que mientras el gas que se mueve hacia el centro se enfría, el gas periférico en el pasaje 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 de rotación entrega al vórtice y, por lo tanto, el vórtice gira aún más rápido. Esta explicación se deriva directamente de la ley de conservación de 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 envía 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 interna, que produce aire caliente en la salida caliente.
Por lo tanto, el tubo de vórtice es un turboexpansor sin rotor . [4] 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 es convertida en calor por el compresor en el extremo caliente.
Enfoque fenomenológico
Este enfoque se basa en la observación y los datos experimentales. Se adapta específicamente a la forma geométrica del tubo de vórtice y los detalles de su flujo y está diseñado para coincidir con los observables particulares del flujo del tubo de vórtice complejo, a saber, turbulencia, fenómenos acústicos, campos de presión, velocidades del aire y muchos otros. Los modelos publicados anteriormente del tubo de vórtice son fenomenológicos. Ellos son:
- Diferencia de presión radial: compresión centrífuga y expansión de aire
- Transferencia radial de momento angular
- Flujo acústico radial de energía
- Bombeo de calor radial
Puede encontrar más información sobre estos modelos en artículos de revisión recientes sobre tubos de vórtice. [5] [6]
Los modelos fenomenológicos se desarrollaron en una época anterior cuando la ecuación de la turbina de Euler no se analizó a fondo; en la literatura de ingeniería, esta ecuación se estudia principalmente para mostrar la producción de trabajo de una turbina; mientras que el análisis de temperatura no se realiza ya que la refrigeración 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 en el pasado han sido útiles para presentar datos empíricos. Sin embargo, debido a la complejidad del flujo de vórtice, este enfoque empírico pudo mostrar solo aspectos del efecto, pero no pudo explicar su principio operativo. Dedicado 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 . [7] Fue redescubierto por Paul Dirac en 1934 mientras buscaba un dispositivo para realizar la separación de isótopos, ver Proceso de separación de vórtices de Helikon . [8] El físico alemán Rudolf Hilsch mejoró el diseño y publicó un artículo ampliamente leído en 1947 sobre el dispositivo, al que llamó Wirbelrohr (literalmente, tubería de remolino). [9] En 1954, Westley [10] publicó un estudio completo titulado "Una bibliografía y estudio del tubo de vórtice", que incluía más de 100 referencias. En 1951 Curley y McGree, [11] en 1956 Kalvinskas, [12] en 1964 Dobratz, [13] en 1972 Nash, [14] y en 1979 Hellyar [15] hicieron una importante contribución a la literatura RHVT por sus extensas revisiones sobre la tubo de vórtice y sus aplicaciones. De 1952 a 1963, C. Darby Fulton, Jr. obtuvo cuatro patentes estadounidenses relacionadas con el desarrollo del tubo de vórtice. [16] En 1961, Fulton comenzó a fabricar el tubo de vórtice bajo el nombre de la empresa Fulton Cryogenics. [17] El Dr. Fulton vendió la empresa a Vortec, Inc. [17] 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. [18] [19] 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 ocurre desde el núcleo y una capa límite gruesa en la pared. El aire se separa provocando una corriente de aire más fría que sale por el escape con la esperanza de enfriarse como un refrigerador. [20] En 1988 RT Balmer aplicó agua líquida como medio de trabajo. Se encontró que cuando la presión de entrada es alta, por ejemplo 20-50 bar, el proceso de separación de energía térmica también existe en un flujo de vórtice incompresible (líquidos). Tenga en cuenta que esta separación se debe únicamente al calentamiento; ya no se observa enfriamiento ya que el enfriamiento requiere compresibilidad del fluido de trabajo.
Eficiencia
Los tubos de vórtice tienen menor eficiencia que los equipos de aire acondicionado tradicionales . [21] Se utilizan comúnmente para enfriamiento puntual económico, cuando se dispone de aire comprimido.
Aplicaciones
Aplicaciones actuales
Los tubos de vórtice comerciales están diseñados para aplicaciones industriales para producir una caída de temperatura de hasta 71 ° C (127 ° F). Sin partes móviles, sin electricidad y sin refrigerante, un tubo de vórtice puede producir refrigeración hasta 6,000 BTU / h (1,800 W) usando solo 100 scfm 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. [22] [23]
Los tubos de vórtice se utilizan para enfriar las herramientas de corte ( tornos y fresadoras , tanto máquinas manuales como CNC ) durante el mecanizado. El tubo de vórtice se adapta bien a esta aplicación: los talleres mecánicos generalmente ya usan aire comprimido, y un rápido chorro de aire frío proporciona enfriamiento y eliminación de las "virutas" producidas por la herramienta. Esto elimina por completo o reduce drásticamente la necesidad de refrigerante líquido, que es complicado, caro y peligroso para el medio ambiente.
Ver también
Referencias
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Otras lecturas
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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
- Artículos sobre el tubo de vórtice