Análisis del efecto de las variables principales en un ciclo de refrigeración empleando un Tubo Vortex

Abstract

El tubo de vórtice de Ranque-Hilsch (TVRH) es un dispositivo sin partes móviles que transforma un flujo de un fluido comprimido, generalmente aire, en dos corrientes a menor presión, pero con diferentes temperaturas: una más alta y otra más baja respecto a la de entrada. Aunque el dispositivo presenta una eficiencia energética relativamente baja, pues no aprovecha la expansión para generar trabajo, ofrece algunas ventajas frente a otros sistemas de refrigeración. La principal radica en su capacidad para generar bajas temperaturas de manera instantánea y regulable. Además, al no contar con parte móviles, no produce vibraciones y se reducen significativamente la inversión y los costos de mantenimiento. La configuración típica para el funcionamiento de un TVRH consiste en un compresor, un enfriador con el ambiente como sumidero de calor y el propio TRVH, liberándose la corriente de fluido al ambiente. En el contexto de este trabajo, se propone el análisis del efecto de las variables principales en un ciclo de refrigeración que incluye a un TVRH y se desarrolla de la siguiente manera: compresión del fluido (1→2), rechazo de calor hasta alcanzar la temperatura ambiente (2→3), enfriamiento en el recuperador de calor (3→4), expansión y separación en el TVRH produciendo las corrientes fría y caliente (4→5, 4→8), absorción del calor de la carga térmica por parte de la corriente fría (5→6), recuperación de calor en el recuperador (6→7), enfriamiento de la corriente caliente hasta la temperatura ambiente (8→9), mezcla de la corriente de salida del recuperador con la fracción restante y cierre del ciclo (7+9→1). Esta configuración en ciclo cerrado ofrece dos ventajas sustanciales frente a la descarga al ambiente (configuración abierta): en primer lugar, posibilita la utilización de diferentes fluidos de trabajo y, en segundo lugar, incrementa la capacidad de refrigeración a bajas temperaturas. El ciclo analizado se presenta como una alternativa en el campo de la refrigeración, produciendo mejoras significativas respecto al TVRH en la configuración abierta, al incrementar la diferencia de temperatura a más del doble dentro del rango de presiones estudiado (2.5 a 50bar). Esto permite, por ejemplo, refrigerar cargas térmicas de hasta 220K utilizando la compresión de aire ambiente hasta una presión de 15 bar.