Simulación del comportamiento fluidodinámico y térmico de un tubo vortex comercial

Abstract

El tubo Vortex o tubo del vórtice de Ranque–Hilsch (TVRH) es un dispositivo mecánico sin piezas móviles que permite generar a partir de un fluido a presión dos corrientes a diferentes niveles de temperatura. Presenta aplicación en diversos campos como la refrigeración en operaciones de maquinado en dispositivos CNC, de componentes electrónicos, de cámaras CCTV y ambientales, mientras que la corriente caliente puede emplearse para el sellado de plásticos y el ablandamiento adhesivos, entre otros usos. Una aplicación relativamente reciente plantea la posibilidad de empleo en intervenciones quirúrgicas que requieran refrigeración localizada. La gran ventaja de los tubos Vortex estriba en el hecho de su relativa simpleza tanto desde el punto de vista constructivo como de su operación. Como contrapartida y, si bien el dispositivo se conoce hace tiempo (principios de la década del 30 del siglo XX), los fenómenos físicos que ocurren dentro del mismo involucran una compleja interrelación entre la mecánica de fluidos y la transferencia de calor, que resulta en comportamientos sobre los cuales no hay aún una respuesta de consenso. En este trabajo se propone abordar un análisis basado en simulaciones numéricas empleando una plataforma CFD para un tubo Vortex actualmente comercializado, del cual se dispone en la bibliografía de una caracterización experimental completa. A los fines de validar las simulaciones se comparan los valores de las diferencias de temperatura entre la entrada y la salida para las corrientes, fría y caliente, con los valores experimentales para distintas fracciones de la corriente fría respecto al caudal de entrada, encontrándose una buena concordancia. Adicionalmente, se presentan y discuten resultados referidos a los campos de velocidad, presión y temperatura para distintas condiciones de operación.