¿Cómo puedo entender un tubo Vortex y su eficiencia?

Un tubo Vortex toma una corriente de entrada presurizada, normalmente de un gas, y crea dos corrientes de salida con un diferencial de temperatura. Aparentemente, ha sido descrito como un Demonio de Maxwell .

Ambas fuentes vinculadas son escasas con información sobre cómo y por qué funciona esto. Ahora, tengo dos preguntas:

  • ¿Por qué funciona, específicamente por qué la situación en el vórtice debería conducir a una transferencia de energía térmica desde la corriente interna a la externa?

  • ¿Qué tan eficiente puede ser?

  • ¿Cómo define la eficiencia de un dispositivo que puede estar más cerca del Demonio de Maxwell que de una bomba de calor? Mi sensación es que cualquier análisis no solo debe tener en cuenta la suma de la energía de entrada (energía térmica y mecánica en la corriente) y la suma de la salida (energías térmicas y presiones de ambas corrientes de gas), sino también el diferencial de temperatura que se crea, ya que contiene la capacidad de crear trabajo.*

  • Si, por supuesto, no tiene sentido crear calor a partir de energía de alto grado 8mech.) para transformarlo de nuevo en mech. energía - pero da una idea del valor de la salida.

Esta es una pregunta muy interesante: no había oído hablar de estas cosas antes.

Respuestas (6)

Realicé algunas pruebas con el tubo Vortex para encontrar su eficiencia en comparación con un sistema de refrigeración. El objetivo era determinar si podemos usar aire comprimido o CO2 para reemplazar el sistema de refrigeración. El tubo Vortex funciona solo con fluido presurizado. Cuando la caída repentina de presión reduce la temperatura y el separador en forma de espiral dentro del tubo de vórtice que hace circular el fluido a su alrededor, lo que hace que se separe el fluido caliente y el frío y lo dirige en 2 direcciones diferentes, utilizando aire frío que se separó. Podría enfriar el agua hasta 0,5 grados en escala c, pero requiere un alto caudal y presión para que caiga más.ingrese la descripción de la imagen aquí

Video sobre delta de temperatura del aire en un tubo de vórtice - Video de prueba

Video sobre agua de enfriamiento usando aire frío de la salida del tubo de vórtice. Vídeo de prueba

¡Es genial encontrar a alguien con experiencia real! tienes cifras reales?
Sí. Tengo una diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La tasa de flujo de masa difiere entre la entrada y la salida. Y varias caídas de temperatura a diferentes presiones y tasas de flujo. Finalmente pude llegar a una presión de entrada de 80 psig y una tasa de flujo de masa de 260 lpm. Una caída de temperatura de .2 grado C y salida fría. Tengo datos sobre doe. El nivel de ruido es más alto en la salida de aire caliente.
¿Y cómo es la eficiencia en comparación con los elementos peltier?
No hice ninguna prueba con el elemento peltier. Pero puedo probarlo. Déjame intentarlo y te responderé. Puede ser en unos meses.
¡Silbido! ¿Te moviste para hacer tus pruebas? te agradeceria mucho que ampliaras tu respuesta
La diferencia de temperatura que se logró fue-(lado frío-26,5°C y lado caliente-19,8°C). . Cuando aumenta la presión de entrada, aumenta la diferencia de temperatura en el extremo frío y el extremo caliente. Cuando la presión de entrada aumenta, el COP de Carnot disminuye. Por lo tanto, el tubo de vórtice se puede utilizar para cualquier tipo de aplicación de refrigeración o calefacción puntual.
@VaishakhRajanK, solo quería informarle que el público no tiene acceso a sus enlaces de video de prueba. Si pudiera publicarlos en youtube y volver a vincularlos, se los agradecería. ¡Gracias!
@VaishakhRajanK, Vaya, una eficiencia del 0,2 % es peor de lo que había imaginado. ¿Recuerda la marca de enfriador de vórtice que estaba usando?

¿Por qué funciona? Es necesario comprender la temperatura estática del gas, la temperatura total del gas y la propulsión si se quiere construir una imagen física adecuada del efecto. Este es un artículo mío y de mis coautores que explica la ley fundamental del enfriamiento rotacional (también conocida como la ecuación de la turbina de Euler), asume un nivel de matemáticas y física de segundo año:

Polihronov, J. et al, A. Termodinámica de propulsión angular en fluidos , Phys Rev Lett 109 054504 2012

Además, vea este sitio web, estoy preparando una explicación fácil de leer del efecto del tubo de vórtice
https://sites.google.com/site/vortextubeeffect

Con más detalle -

Considere el concepto de "discretización" de flujo de vórtice: simplifiquemos el flujo de vórtice introduciendo un sistema de flujo simple, que todavía exhibe la física de la separación de temperatura. El sistema de flujo simple comprende un conducto adiabático giratorio y un tanque de gas comprimido conectado a la entrada del conducto. La salida del conducto está en r = 0 , mientras que la entrada está en r = R , el punto 0 es el centro de rotación.

Configure el sistema en rotación uniforme. Sea la velocidad lineal en la entrada C = ω R . Entonces, en el marco de referencia estacionario, la temperatura total del gas a la entrada (en la periferia) es T = T 0 + C 2 / 2 C pags , dónde T 0 es la temperatura estática del gas en el tanque. De la conservación de la rotalpía obtenemos que la temperatura total en la salida (en el centro) es T = T 0 − C 2 / 2 C pags , C pags es la capacidad calorífica isobárica del gas. Por lo tanto, la temperatura de separación total es Δ T = C 2 / C pags . ¿Qué sucede con la temperatura estática? T s ? En la entrada (en la periferia), T s = T 0 ; en la salida, es T 0 − C 2 / 2 C pags . Por lo tanto, la separación de temperatura estática es Δ T s = C 2 / 2 C pags .

La separación de temperatura también se observa en un sistema de movimiento rectilíneo. Considere un sistema elemental que comprende un conducto adiabático y un tanque de gas comprimido unido al extremo delantero del conducto. Establecer el sistema con velocidad lineal uniforme C . Deje que el gas salga del sistema con velocidad 0 en el marco de referencia estacionario, el gas sale por el extremo posterior del conducto.

Las separaciones de temperatura Δ T y Δ T s son exactamente iguales que en el caso de la rotación; solo que ahora se necesita aplicar la conservación de la entalpía para resolver las temperaturas.

En resumen, el fenómeno del tubo de vórtice es un ejemplo del funcionamiento de la ecuación de la turbina de Euler.

Cuando se trata del efecto del tubo de vórtice, este análisis es un muy buen lugar para comenzar.

¡Espero que esto haya ayudado!

-J. Polihronov

Desafortunadamente, el enlace provisto ha sido "movido", y la nueva ubicación es un callejón sin salida. Me gustaría mucho ver que se actualice. En el momento de este comentario, se puede encontrar otro artículo de este autor en ResearchGate

El flujo de entrada no solo tiene energía térmica, también tiene energía mecánica. La energía mecánica se puede usar para el trabajo, y la temperatura del gas se cambia fácilmente por el trabajo: en los procesos adiabáticos, aumenta cuando se presiona el gas y cae cuando el gas puede expandirse. Esto da una idea general de por qué este tubo podría funcionar y al mismo tiempo no ser un Demonio de Maxwell. Aunque la imagen detallada puede ser muy compleja y solicitar una comprensión avanzada de la dinámica de los gases.

Si calculamos las energías térmicas y mecánicas totales de ambas corrientes de salida, encontraremos que se pierde algo de energía mecánica y la entropía total ha aumentado. Mezclar esas corrientes en una sola nos daría un gas más lento y algo más caliente de lo que era inicialmente. Este es el mismo efecto que simplemente ralentizar la corriente en algunos obstáculos.

1) ¿Puede ampliar, um, por qué parte del gas se expande en el tubo? 2) para cualquier motor térmico o bomba de calor Δ T juega un papel importante... ¿por qué no aquí?
1) Piense en esto no solo como un motor térmico sino también como un sistema mecánico. La mecánica de gases aquí es muy relevante. El gas tiene inercia y puede chocar contra las paredes, creando así regiones de mayor y menor presión. También hay otras corrientes de gas además de las paredes y posiblemente algunos fenómenos acústicos. 2) Δ T juega un papel importante aquí también, como en la bomba de calor: impone restricciones sobre lo que se puede hacer y lo que no se puede hacer con un dispositivo de este tipo. Pero Δ T no es la fuente del trabajo aquí, al menos, básicamente.
nos estamos acercando a la verdad... esto es divertido... mire el tubo de esta manera: el aire comprimido entra en el tubo a través de un conjunto de boquillas en ángulo que imparten giro al aire. Piense en el aire que gira alrededor de la circunferencia interna del tubo como la pared del borde en una centrífuga mecánica que gira rápidamente, lo que impulsa al aire interior a la pared de la centrífuga a girar con ella a través de fuerzas de corte. en algún radio interior a la pared del borde giratorio, el resto del aire (el "núcleo") gira como una sola masa, que comprime el aire en la periferia de ese núcleo y enrarece el del centro...
a través de fuerzas centrífugas. esto calienta el aire en el exterior del núcleo y enfría el aire en el interior del núcleo, más cercano al eje central del tubo. el tubo despega el aire periférico caliente que rodea el núcleo y lo expulsa por un extremo del tubo, dejando atrás el aire frío del núcleo.

La temperatura del gas aumenta con la compresión y cae con la descompresión. Las capas exteriores del vórtice están comprimiendo el gas (calor) debido a la fuerza centrífuga. El centro del vórtice tiene una presión comparativamente baja. (Enfriar).

Aquí hay un artículo en el que los autores comparan dos sistemas de refrigeración de ciclo abierto: el ciclo Bell-Coleman y el tubo de vórtice, y calculan los coeficientes de rendimiento para ambos. junto con el trabajo de Nemu Rozario, creo que esto podría responder las preguntas del OP.

https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi9svfCg7HYAhUIslQKHRTWBfsQjhwIBQ&url=https%3A%2F%2Fwww.slideshare.net%2Faparnamalyala%2Fair-refrigeration- system-by-bell-coleman-cycle-and-vortex-tube&psig=AOvVaw1LDm7iitvP7LGIoXbr07e5&ust=1514698972087380

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Sistema de refrigeración por aire por ciclo Bell Coleman y tubo Vortex 1. Por: Guía del proyecto: E.Nikhil Kumar(12000T0338) Anil Kumar M.Aparna (12000T0304) P.Jagan (12000T0314) k.Sirisha (12000T0353) M.Ram Kumar(12000T0321) ) 2. Objetivo  El objetivo de nuestro proyecto es producir el efecto de refrigeración utilizando tanto el ciclo Bell-Coleman como el tubo Vortex.  En este proyecto nos concentramos principalmente en las temperaturas del extremo frío del tubo Vortex a través del cual se produce el efecto de refrigeración. Fabricamos cuatro tubos de vórtice diferentes con diferentes dimensiones, número de boquillas, orificios y Venturi y comparamos sus COP y tasas de enfriamiento.  Nuestro proyecto da el alcance de reemplazar los sistemas de refrigeración convencionales por sistemas de refrigeración por aire.

con respecto a la separación del flujo en una corriente caliente y una corriente fría: el modo de rotación "centrífuga" aparentemente existe en el núcleo interno de la masa de aire dentro del dispositivo. como se señaló anteriormente, la periferia de la masa de aire en rotación estará más caliente que la del centro; la estructura del tubo es tal que desprende la porción más caliente del aire y la conduce hacia afuera por un puerto y envía el aire más frío del núcleo por un puerto diferente. En cualquier caso, definitivamente NO es un dispositivo "demonio de Maxwell".

Este trabajo de investigación sobre " El COP máximo de los tubos Vortex " proporciona una explicación muy clara y completa.

La introducción explica el tubo de vórtice como un motor de propulsión angular y continúa para derivar la máxima eficiencia teórica basada en esto.

El máximo COP de Vortex Tubes, Jeliazko G. Polihronov y Anthony G. Straatman

La Sección 4 en la página 4 enumera la eficiencia máxima teórica para un tubo de vórtice que utiliza aire en un 42 %. Luego ubica la referencia n.° 3 para válvulas de eficiencia empírica que consideran la fricción y otras ineficiencias (MO Hamdan, A. Alawar, E. Elnajjar y W. Siddique. “Factibility of Vortex Tube Air-Conditioning System”, Proc. ASME, AJTEC2011, ( 2011).)

La eficiencia empírica publicada para un tubo de vórtice está entre el 3 % y el 5 %.

¿Cómo puedo entender un tubo Vortex y su eficiencia?
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