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11-132 El tubo de remolino (llamado también tubo de Ranque o de Hirsch) es un dispositivo que produce un efecto de refrigeración al expandir gas, por ejemplo aire, presionado, en un tubo (en vez de una turbina como en el ciclo Brayton in-vertido). Lo inventó y lo patentó Ranque en 1931, y lo mejoró Hirsch en 1945, y está disponible comercialmente en varios tamaños. El tubo de remolino es simplemente un tubo circular recto provisto de una tobera, como se muestra en la figura. El aire comprimido a la temperatura T1 y la presión P1 se acelera en la tobera expandiéndolo casi a la presión atmosférica, y se introduce tangencialmente en el tubo a una velocidad muy alta (típicamente supersónica), para producir un movimiento de remolino (vórtic e) dentro del tubo. El gas con este movimiento giratorio se deja salir por el tubo de diámetro mayor que se extiende hacia la derecha, y el flujo másico se controla mediante una válvula colocada aproximadamente a 30 diámetros corriente abajo. Una cantidad más pequeña de aire en la región central se deja escapar hacia la izquierda por una pequeña abertura en el centro. Se observa que el gas que está en la región central y escapa por la abertura central está frío, mientras que el gas que está en la región periférica y escapa por el tubo de diámetro mayor está caliente. Si la temperatura y el flujo másico del aire frío son Tf y m . f, respectivamente, la tasa de refrigeración en el tubo de remolino se puede expresar como donde cp es el calor específico del gas y T1 _ Tf es la caída de temperatura del gas en el tubo de remolino (el efecto de enfriamiento). Se obtienen caídas de temperatura tan altas como 60 °C (o 108 °F) a altas relaciones de presiones de alrededor de 10. El coeficiente de desempeño de un tubo de remolino se puede definir como la relación de la tasa de refrigeración como se indica antes, con respecto a la potencia utilizada para comprimir el gas. Va de alrededor de 0.1 a 0.15, que está claramente inferior a los COP de los refrigeradores ordinarios por compresión de vapor. Este interesante fenómeno se puede explicar como sigue: La fuerza centrífuga crea un gradiente de presión radial en el vórtice, y así el gas en la periferia se presuriza y se calienta por el gas que está en la región central, que, como resultado, se enfría. Asimismo, la energía se transfiere de las capas internas hacia las externas cuando éstas desaceleran las capas internas debido a la viscosidad del fluido que tiende a producir un vórtice bien definido. Estos dos efectos hacen que la energía y, por lo tanto, la temperatura del gas en la región central, decline. La conservación de la energía exige que la energía del fluido en las capas externas aumente en una cantidad equivalente. El tubo de remolino no tiene partes móviles, y por lo tanto es inherentemente confiable y durable. La fácil disponibilidad de aire comprimido a presiones hasta de 10 atm en la mayoría de instalaciones industriales hace que el tubo de remolino resulte especialmente atractivo en tales instalaciones. A pesar de su baja eficiencia, el tubo de remolino ha encontrado aplicación en operaciones de enfriamiento localizado de pequeña escala, como el enfriamiento de piezas soldadas o componentes electrónicos críticos, enfriamiento de agua de beber y el enfriamiento de ropas de trabajadores en entornos calientes. Considere un tubo de remolino que recibe aire comprimido a 500 kPa y 300 K y suministra 25 por ciento de éste como aire frío a 100 kPa y 278 K. El aire ambiente está a 300 K y 100 kPa, y el compresor tiene una eficiencia isentrópica de 80 por ciento. El aire sufre una caída de presión de 35 kPa en el posenfriador y las líneas de aire comprimido entre el compresor y el tubo de remolino. a) Sin realizar ningún cálculo, explique cómo se compararía el COP del tubo de remolino con el COP de un sistema real de refrigeración de aire basado en el ciclo Brayton invertido para la misma relación de presiones. También compare las temperaturas mínimas que se pueden obtener por los dos sistemas para la misma temperatura y la misma presión de entrada. b) Suponiendo que el tubo de remolino es adiabático, y usando calores específicos a temperatura ambiente, determine la temperatura de salida del flujo de aire caliente. c) Demuestre, con cálculos, que este proceso no viola la segunda ley de la termodinámica. d) Determine el coeficiente de desempeño de este sistema de refrigeración y compárelo con el COP de un refrigerador de Carnot. | |
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