Caracterización macroscópica del funcionamiento de un tubo Vortex para distintos fluidos de trabajo

JUAN MANUEL PENILLAS; NÉSTOR JAVIER MARIANI

Jornada; Séptimas Jornadas de Investigación, Transferencia, Extensión y Enseñanza 2023; 2023

Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de La Plata

El tubo del vórtice de Ranque-Hilsch (TVRH) es un dispositivo sin partes móviles que permite generar, a partir de un fluido a presión, dos corrientes a diferentes niveles de temperatura. Su funcionamiento y los fenómenos físicos que ocurren dentro del mismo han concitado el interés de la comunidad científica, no habiendo a la fecha una interpretación de consenso. Sin embargo, la ausencia de una explicación sobre el comportamiento interno no limitó sus aplicaciones ni su desarrollo industrial, utilizándose a la fecha en diversos campos como la refrigeración en operaciones de maquinado CNC, de componentes electrónicos, de cámaras CCTV, etc., mientras que la corriente caliente puede emplearse para el sellado de plásticos y el ablandamiento de adhesivos, entre otros usos. Recientemente se propuso una novedosa aplicación en intervenciones quirúrgicas que requieren refrigeración localizada. Una parte importante de las aplicaciones prácticas, incluida la refrigeración localizada, utilizan al aire como fluido de trabajo. Sin embargo, en el ámbito científico se ha estudiado de manera experimental el funcionamiento del TVRH con otros fluidos tales como agua, fluidos refrigerantes, mezclas bifásicas, gases monoatómicos, diatómicos y mezclas. El número de trabajos publicados a este respecto resulta significativamente menor frente a los estudios realizados con aire y, simultáneamente, no se ha alcanzado un consenso en referencia al efecto de la variación del fluido de trabajo en el comportamiento del TVRH.En este contexto, se propone estudiar el comportamiento macroscópico del TVRH para cinco (5) gases diferentes: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, hidrógeno y helio, y compararlo con el correspondiente al aire. La selección de los tipos de gases incluye aquellos que puedan tener interés práctico y/o aquellos que se dispongan normalmente en los laboratorios. A su vez, se simula de manera numérica el comportamiento que presenta cada uno de estos fluidos empleando un modelo CFD de un TVRH comercial de EXAIR® validado previamente para aire.Tres de los fluidos seleccionados (nitrógeno, oxígeno e hidrógeno) presentan un comportamiento similar al aire, mientras que el dióxido de carbono y el helio conducen diferencias temperaturas entre la de entrada y las de salida menores y mayores, respectivamente, indicando que el helio es el fluido que mayor capacidad de refrigeración y calentamiento tiene. Simultáneamente, se comparan los resultados simulados respecto a los teóricos con la finalidad de definir el grado de generación de entropía, parámetro que resulta de interés para establecer la eficiencia térmica (de acuerdo a la 2da ley de la termodinámica) que puede obtenerse con cada uno de los gases estudiados, aspecto fundamental para analizar y evaluar una posible aplicación práctica.