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

Abstract

El tubo del vórtice de Ranque-Hilsch (TVRH) es un dispositivo sin partes móviles que, sin aporte externo de energía, permite generar a partir de un fluido a presión que ingresa tangencialmente al tubo a través de toberas, dos corrientes a diferente nivel de temperatura. El funcionamiento de este dispositivo y los aspectos fenomenológicos referidos al mismo han concitado el interés de la comunidad científica, no habiendo a la fecha una teoría enteramente aceptada al respecto. A pesar de ello, el desarrollo de aplicaciones prácticas del TVRH no se vio limitada, aprovechándose la corriente de menor nivel de temperatura, para operaciones de refrigeración (operaciones de maquinado CNC, de componentes electrónicos, de cámaras CCTV, etc.), y la de mayor de nivel de temperatura, para aplicaciones de calentamiento (sellado de plásticos, ablandamiento de adhesivos, etc.). Loa usos mencionados en el párrafo anterior se enfocan únicamente en el uso de aire como fluido de trabajo. Principalmente, debido a la alta disponibilidad de aire comprimido tanto a pequeña como a mayor escala (i.e., en la industria). Debe notarse, que está focalización en la utilización de aire puede estar limitando la aplicación de los TVRH con otros fluidos de trabajo. En el ámbito académico-científico, si bien se ha estudiado de manera experimental el funcionamiento del TVRH con otros fluidos tales como agua, fluidos refrigerantes [2], mezclas bifásicas, gases monoatómicos [5, 6], diatómicos y mezclas, el número de trabajos publicados al 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 de un TVRH comercial 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. El estudio realizado pretende caracterizar el comportamiento térmico del TVRH mediante dos tipos de análisis diferentes. Un primer análisis numérico a partir de un modelo CFD del TVRH previamente validado para aire y un segundo análisis termodinámico macroscópico. Principalmente se busca determinar la influencia de las propiedades termo-físicas en el funcionamiento del TVRH, la eficiencia térmica alcanzada y el grado de generación de entropía.