11/09/2015 E. TORRELLA. E. TORRELLA Pag. 2

Transcripción

1 Prcipio básico EL ENFRIAMIENTO VORTEX TUBOS RANQUE - HILSCH Una corriente de gas penetra en el dispositivo a través de una tobera tangencial, esto produce un primer enriamiento debido a que exite un cambio de energía de presión a cética. En el terior del tubo vortex se produce una variación de velocidad angular, desde valores bajos en la zona perimetral a altos en la central. La ricción entre ambas zonas tiende a igualar la velocidad angular, por lo que la zona central pierde energía cética y se enría, mientras que la perimetral lo gana y se calienta. E. TORRELLA E. TORRELLA Pag. 2 James Clerk Maxwell ( Supongamos un recipiente con un gas a una temperatura dada, a esta le corresponde una velocidad media de las moléculas, pero algunas de ellas irán mas deprisa que otras. El demonio se encuentra en una abertura central, permitiendo a las moléculas rápidas pasar a un lado y manteniendo las lentas en el otro. Con esto, se logra una lado del recipiente caliente y el otro río, con lo que se puede disponer un motor que aproveche el tercambio térmico entre las zonas. Esta criatura imagaria se debe al matemático James Clerk Maxwell ( , pretendiendo contradecir la segunda ley de la Termodámica. Esta elucubración teórica parece conseguirse en el tubo vortex. Los precursores El tubo vortex se ventó, casi por accidente, en 1928, por Georges Joseph Ranque, un estudiante rancés de ísicas durante una experimetación con una bomba de vortex, al notar que salía aire río por un extremo y caliente por otro. Ranque puso en marcha una compañía para explotar, s éxito, su potencial comercial. A él se debe el tabajo Experiments on Expansion a Vortex with Simultaneous Exhaust o Hot and Cold Air publicado en Le Journal De Physique, et le Radium (Paris, vol 4, June 1933, pp Tanbién la patente US Durante la segunda guerra mundial, el ejercito alemán descubrió, en la Francia ocupada, algunos de los primeros modelos experimentales, lo que sirvió de base al ísico Rudol Hilsch que contuo su desarrollo, dando lugar a un equipo denomado Wirbelröhre (literalmente, tubo vortex. Suyo es el trabajo The Use o the Expansion o Gases A Centriugal Field as Coolg Process publicado en The Review o Scientiic Instruments, vol. 18(2, , (1947. Los trabajos en este sistema no prosperaron por tener eiciencias menores a los del sistema convencional por compresión de vapor. E. TORRELLA Pag. 3 E. TORRELLA Pag. 4 1

2 Dispositivos de Ranque y Hilsch Base de cálculo. Primera ley Si se desprecia la energía cética del gas y el calor transerido con el exterior: h h ( 1 h h E = racción de caudal río Yconh =c p T T T ( 1 T T E c c E E E. TORRELLA Pag. 5 E. TORRELLA Pag. 6 Base de cálculo. Segunda ley s ; este cremento es el que se produce en el gas entrando a una alta presión y saliendo en orma de dos corrientes a baja presión. Despreciando la transmisión de calor al exterior, y para gas perecto: ds c p d(lnt R d(ln p T p A T c p s c A p ln R ln (1 c p ln R ln TE pb TE pb Base de cálculo. Segunda ley (Cont. Considerando la identidad: El aumento de entropía conduce a: x=t /T E c p ( 1 1 R 1 ( 1 / 1 x p x A 1 pb E. TORRELLA Pag. 7 E. TORRELLA Pag. 8 2

3 Consideraciones teóricas Tubo Vortex. Ensayos 1 ( 1 / 1 x p x A 1 pb La mínima temperatura T se obtiene para un proceso reversible (s =. Para tasa de compresión de 1, racción ría de,3y de 7/5 (relación de calores especíicos para un gas diatómico, se tiene: X,3 (1,3 x,7 =,4 Cuya solución es x =,5; por lo que con una temperatura de entrada de ºC (293 K podría obtenerse temperaturas de -258,4ºC (14,7 K, muy erior a los -3ºC que realmente se obtienen como valor mínimo. E. TORRELLA Pag. 9 Instalación de ensayo Sensores stalados 3

4 mc r ; r 1 Tc T Tc m Q COP P Cs R c p 1 Q m c ( T T c p c PCs m R ( T 2 T 1 1 P Cs Nomenclatura m c p ( T2 T1 m c p ( T2 T mc c p ( T Tc ( T Tc ( T Tc COP r r ( 1 / ( 1 / m c p ( T2 T p p T T T p1 p1 1 Ensayo p media [kpa] Var. p V medio [m 3 /h] Ensayos Var. V T media [ºC] Var. T m medio [kg/h] Var. m I II III Ensayo p media [kpa] Var. p V medio [m 3 /h] Var. V T media [ºC] Var. T m medio [kg/h] Var. m I II III Ensayo p media [kpa] Var. p V medio [m 3 /h] Var. V T media [ºC] Var. T m medio [kg/h] Var. m CON AISL SIN Validación ensayos Presión de entrada variable P m P ( h Ec, mc ( hc Ec, c m ( h Ec, out 8 DTC (P_IN = 5.6 Bar DTF (P_IN = 5.6 Bar 6 DTC (P_IN = 4 Bar DTF (P_IN = 4 Bar DTC (P_IN = 2.5 Bar DTF (P_IN = 2.5 Bar DT R = MF/M_IN 15 4

5 Variación presión entrada Se mantiene la temperatura de entrada. Existe un valor mínimo para la temperatura ría. Variación presión entrada El mínimo se observa si dibujamos, para cualquier ensayo, las potencias de la corriente ría en la salida, la total y la debida al producto del caudal másico y la entalpía especíica (la dierencia entre ambas es el producto del caudal másico por la energía cética. Sobre la segunda igura se presenta para uno de los ensayos (el de mayor presión, los valores de caudal másico, y entalpía especíica. De la igura anterior se deduce que el causante que la variable que ocasiona la presencia del mínimo es la variación del caudal másico de salida de la corriente ría Variación presión entrada Temperatura de entrada variable Q m c ( T T r m c ( T T c p c p c dq dtc m c p ( T Tc r m c p dr dr dtc ( T Tc r dr Lo que pone de maniiesto que los valores de r diieren para el máximo de potencia rigoríica y el mínimo de temperatura ría de salida. Además, para el máximo de potencia rigoríica se debe cumplir que la variación de la temperatura ría sea positiva, es decir el valor de r para máxima potencia rigoríica es mayor que el de r para mínima temperatura. T [ºC] 8 DTC_HT DTF_HT 6 DTC_BT DTF_BT DTC_MT DTF_MT R = MF/M_IN 19 5

6 T [ºC] Temperatura de entrada variable TC_HT TF_HT T_IN_HT TC_BT TF_BT T_IN_BT Variación en temperatura de entrada del aire Se observa un a menor temperatura de salida ría cuanto menor sea la temperatura de entrada, con la presencia del valor mínimo comentado. un lígero aumento de la potencia rigoríica con la temperatura de entrada, lo que se debe a que el cremento entre la temperatura de entrada y la ría de salida es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura de entrada. COP igual R = MF/M_IN 22 Eecto del aislamiento Variación aislamiento DT [ºC] 8 6 DTC_SIN DTF_SIN DTC_CON DTF_CON No hay dierencias apreciables en los resultados trabajando con y s aislamiento térmico, y que las escasas dierencias se deben en todo caso a la imposibilidad de reproducir exactamente las condiciones de entrada en ambos ensayos R = MF/M_IN 24 6

7 Tubos Vortex Aplicaciones abiertas E. TORRELLA Pag. 25 E. TORRELLA Pag. 26 Utilización con CO 2 Transcrítico Enriamiento de pequeños rectos Maurer Keller E. TORRELLA Pag. 28 7

8 C /9/15 Regulación El lujo de aire río y su temperatura se controlan ácilmente mediante ajuste de una válvula en la salida de aire caliente. Abriendo esta válvula de reduce el lujo de aire río y su temperatura. Cerrando la válvula se crementa el lujo de aire caliente y la temperatura del río. Controlar un tubo de vortex es ácil, basta con la serción de un termostato en la salida del aire río y que actúe sobre la válvula de control de la salida del aire caliente. Estudio termográico E. TORRELLA Pag. 29 Estudio termográico Estudio termográico 8

9 Consideraciones de servicio Valores de catálogo (Frigid-X La utilización de aire limpio es imprescdible. Por ello se recomienda una iltración de 25 micrones o erior. Las presiones de alimentación se encuentran en el rango de 5,5 a 7,6 Bar. Los límites oscilan desde un máximo de 17,2 y un mínimo de 1,4 Bar. No precisa silenciadores de ruido en el lado río, puede ser conveniente en el caliente. El uncionamiento de los tubos de vortex se deteriora con caída de la presión en la salida del aire caliente. E. TORRELLA Pag. 33 E. TORRELLA Pag. 34 9