Tubo de Ranque-Hilsch

O tubo de Ranque-Hilsch é um dispositivo termodinâmico sem partes móveis que permite a produção de ar frio, imaginado pelo francês Georges Joseph Ranque em 1931 e aprimorado pelo alemão Rudolph Hilsch . Este dispositivo é conhecido no mundo industrial com o nome de tubo de vórtice.

Tubo de Ranque-Hilsch.png

Operação conveniente

A teoria mais comum seria que o ar injetado tangencialmente cria por vórtice um fluxo de vórtice extremamente rápido (um milhão de rotações por minuto) e é freado por uma válvula cônica. A troca de calor com a onda de retorno resfria o ar refletido.

Deve ser fornecido com ar comprimido muito seco e limpo (5 a 10 bar) (filtração 5 µm). A manipulação da válvula de saída permite ajustar o par fluxo / resfriamento da saída fria: quanto maior o volume de saída, menor é a queda de temperatura. Fabricado nos tamanhos de 10 a 40  cm de comprimento e 1 a 5  cm de diâmetro, pode atingir uma diferença de temperatura de 70  ° C entre o ar que entra e o lado frio. Sob essas premissas, a capacidade de resfriamento é da ordem de 3  kW (potência que depende do volume de ar tratado pelo tubo Vortex).

Pode funcionar com qualquer gás que não condense nas temperaturas produzidas. No entanto, o tubo de vórtice não pode fornecer gás pressurizado e a contrapressão admissível na saída fria é bastante baixa (0,2 bar no máximo)

Pode ser usado sempre que o resfriamento sem contato for necessário (usinagem, teste de componentes eletrônicos, fabricação de chocolate). Por outro lado, o sistema (compressor + tubo) é muito menos eficiente em termos energéticos do que as unidades de refrigeração convencionais, mas seu baixo custo e rapidez de instalação o tornam muito competitivo.

O uso de tubos de vórtice está de volta à moda na Europa, ainda é fabricado na França por uma empresa especialista em vácuo e pega industrial, na forma de KitClim para ser instalado em quadros elétricos. (Norte).

Um pouco de termodinâmica

Primeiro principio

O da conservação de energia. A equação termodinâmica:

Seja p a fração (em massa) do gás que sai do lado frio, ec o calor específico do gás, com os índices a (oferta), f (lado frio) e c (lado quente):

c a T a = p c f T f + (1- p ) c c T c

Presumindo um gás ideal , podemos simplificar:

T a = p T f + (1- p ) T c

Quanto mais tentamos aumentar o desempenho, mais nos afastamos do gás perfeito.

Segundo principio

De acordo com o segundo princípio da termodinâmica , é impossível resfriar um corpo frio com um mais quente sem gastar energia. No entanto, é isso que esse dispositivo parece fazer. Considerando todo o sistema, compressor e tubo de Ranque-Hilsch, fica claro que é o compressor que fornece esse trabalho.

Em 2010, os princípios de operação do tubo não foram totalmente compreendidos. Sua ação está ligada à compressibilidade do fluido, pois é totalmente inoperante com o líquido. Somente em 2012 uma publicação que trata do assunto esclareceu seu funcionamento.

Usos e desempenho

Vários usos do tratamento de gás foram ou ainda estão sendo estudados. Todos esbarram na baixa eficiência do conjunto compressor e tubo, da ordem de 0,10, enquanto a de um refrigerador ( COP ) chega a 10.

Apesar dessa baixa eficiência, muitas aplicações têm sido desenvolvidas no mundo industrial, pois o ar comprimido é uma fonte comum de energia por lá, facilmente disponível e porque o tubo de vórtice não possui parte móvel, o que minimiza quebras e custo de manutenção. Como a temperatura do ar frio produzido pode cair para aproximadamente -45 °, com saída de calor de até 2.500  k cal / h , o tubo de Ranque é utilizado para resfriar ferramentas de corte em uma máquina-ferramenta, moldes de objetos poliméricos, dispositivos eletrônicos ; combinado com uma camisa de circulação de ar, o tubo de vórtice melhora as condições de trabalho em ambientes confinados ou aquecidos.

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links externos

Notas e referências

  1. Jeliazko G. Polihronov e Anthony G. Straatman , “  Thermodynamics of Angular Propulsion in Fluids  ”, Physical Review Letters , vol.  109, n o  5,1 st agosto 2012, p.  054504 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.109.054504 , ler online , acessado em 9 de agosto de 2018 )

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