DEL TUBO

ESCUELA DE INGENIERÍA

"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TUBO DE HILSCH

Tesis que Presenta:

PETRONILO HERNÁNDEZ MEDIRÁ

En Opción al título de:

INGENIERO MECÁNICO ADMINISTRADOR.

I N D I C E

INTRODUCCIÓN

CAPITULO I.- PLANTEO DEL PROBLEMA

1.1.- ENUNCIADO DEL PROBLEMA 1 1.2.- IMPORTANCIA Y APLICACIÓN I CAPITULO II.- ESTUDIO TEÓRICO SOBRE EL TUBO DE HILSCH

2.1.- DESCRIPCIÓN 3 2.2.- PROPIEDADES REPRIGERANTES 4 2.3.- EFICIENCTA TERMICA 9

OAPÍTULO III.- DISEÑO DEL TUB0 DE HILSCH

3.1.- DIMENSIONES 16

3.2.- HIPÓTESIS DE OPERACIÓN 19

CAPILLO IV.- CONSTRUCCIÓN DEL TUBO DE HILSCH

4.1.- FUNCIONAMIENTO 22 4.2.- DETERMIINACIÓN DE LAS CONDICIONES MAS

FAVORABLES DE OPERACIÓN 23

CAPÍTULO

La idea de que aire caliente y frío podía salir del — mismo tubo, fué primeramente concebida por James Clerk Maxwell, - físico inglés en 1865.- 1933 Jeorges Joseph Banque, metalúr- gico francés, diseñó y construyó el primer modelo originalmente- ideado por Maxwell, patentando dicho invento,

Después de la Segunda Guerra Mundial, varios investigadores americanos que fueren enviados a Alemania, reportaron que- so había descubierto un aparato para el pre-enfriamiento de ga-

ses posterior a la licuefacción, en el laboratorio del Doctor — Budolph Hllseh.- EL Departamento de la Marina envié al Doctor - Robert Kilton de la Universidad John-Hopkins para que investiga- ra.- El Dr. Milton fué a Alemania y obtuve un modele del apara- to inventado per el Dr. Hilseh, el cual llevé a los Estados Uni- dos.- E1 reporte que hiso de dicho aparato en 1946 fué que h a - bía confirmado la diferencia extrema de temperaturas, pero que - el aparate era relativamente ineficiente.

Desde la introducción del tubo de Hilsch en los Esta—

dos Unidos, se han desarrollado muchas teorías acerca del fenóme no que se lleva a cabo en éste; una de dichas teorías es la del- vértiee.- Esta teoría establece que a medida que el aire entra- a la espiral tangeneialmente, las moléculas interiores van adqui riendo velooidades angulares más grandes que las moléculas exte- riores.- Debido a la fricción entre capas adyacentes del gas, - las capas exteriores tienden a ser aceleradas, mientras que las- Bioléoul&B interiores tienden a disminuir su velocidad.- Esto es el resultado de una transferencia neta de energía cinética de —

las moléculas Interioras a las moléculas exteriores; esta trans­

ferencia de energía» más la fricción del gas en la superficie ex tenor del tubo» cuenta para el efecto de calentamiento y enfria miento*

la teoría original de Benque dice que a medida que oi­

gas entra en la espiral, se produce una compresión y expansión - adiabáticas, que puede ser semejante a la expansión y compresión mecánicas para producir los efectos de calentamiento y enfria miento*—

C A P I T U L O I PLARfBO SEL PROBLEMA 1*1*~ EKUHCIASO DEL PROBLEMA >-

El objeto de esta teaia 0 0 «1 diseño y la conetrucción- del tubo de Hilsch,- Para el disello, se cuenta con suficiente —

teoría de donde se pueden obtener dimensiones adecuadas*- Xas - dimensiones óptimas se determinaron anteriormente, ja que se lie

Taren a cabo experimentos con tubos de diferentes dimensiones — hasta que se obtuvieron los mejores resultados** Cabe hacer no- tar que las eficiencias obtenidas fueron bastante bajas como lo- expresé el Br* Bobert Hiten*

Con datos suficientes se procede a la construcción del- tubof urna ves construido» se harán pruebas con él a diferentes - presiones y temperaturas y se compararán los resultados obten!—

dos durante la experimentación» con los resultados teóricos.

Para llevar a cabo los experimentos con el tubo de

Hilsch, debe contarse además con un rotáraetro de medición de flu Jo, con varios manómetros, un galvanómetro, con varias válvulas, con dos termoparos que tienen que colocarse en distintos puntos- y un pequeño compresor que es el que introduce el aire al tubo - con una presión determinada; se alimentará aire a diferentes pre sienes para verificar los distintos efectos que se producen en - el tubo de Hllsoh.-

1 • 2«~ BIPORfAffCIA Y miGACIO! *-

H tubo de Hilseh es un instrumento que actualmente se- utiliaa en los laboratorios, con el único objeto de aplicarlo en

2

Investigación pura; sin embargo este aparato debido a sus propio dadas refrigerantes, puede llegar a tener alguna aplicación prác tica en alguno de los campos especializados de la refrigeración*

Sacíete una pequeña posibilidad de que el tubo de Hilsch reemplace las máquinas refrigerantes ordinarias, debido a que su eficiencia es mucho mejor en la región de relaciones de baja pre alón*- Sin embargo, hay casos especiales donde el tubo de vórti ce tendrá aplicaciones más aceptables debido a su construcción - sencilla, por ejemplo, enfriamiento del aire en los tiros de las minas.

La situación es diferente a temperaturas iniciales ba- jas y relaciones de alta presión.- Se puede esperar que el efec to del tubo de vórtice será superior a la expansión para la 1 1 — cuefacción de gases .-

TABLA 1.- Dimensiones de tubos de Hilscn.

DESIGHACIOH i- BEL TOBO CALIENTE

BlAÜSfSO UBI. TUBO

PRIO lo

BBL IHIECTOS

Bn E.B.L.- Lucite... 8.7 m* 2*4 mm 1.6 Bffi

Hilsoh — 1—C «•.•• 4*6 EB& 2*2 am 1.1 &BS

Misen - 2 4.3 SSB 2.3 ^mm

llXlBch - 3 17.6 asi 6.5 mm 4*1 SBfi

E.R.L. (2ngineoring Sesearen Laboratory) C A P I T U L O II

EggtJBIQ TEÓRICO SOBRE EL ffOBO BE HXI.8CB

La figura No. 1 muestra urna ilustración del tubo de — Hilach.- las disensiones críticas áe varios ándelos utilizados por Hilsch, son dados en la Tabla número 1

4

£1 aire comprimido entra al tubo tangenoialmente a tra- vés de un inyector simple** H punto de entrada está debajo de- una vuelta en espiral, usada para obtener una rotación simétrica del gas dentro del tubo*- SI centro de rotación es el mismo que el del circulo descrito en una forma aproximada por la parte su- perior de la espiral* de tal manera que el aire de entrada* pene tra bajo la masa rotatoria y se une a e l l a gradualmente en vez - de nacerlo en forma brusca*- El tubo del aire caliente y el de- aire frío* están colocados a tope contra los lados de la espiral, localizada de tal manera que los ejes rotacionales del gas están en línea con los ejes geométricos de los tubos; además, los r a - dios de los tubos son los mismos que el del círculo mencionado - anteriormente, de tal manera que no hay ningún cambio de rota—- ciÓn a medida que el gas entra en el tubo caliente.- El extremo de la tubería fría en contacto con la espiral está cerrado con - un diafragma que tiene un orificio en el centro* así* el gas que vá saliendo por la tubería fría, es tomado del centro de la masa rotatoria.- SI extremo del tubo caliente* adyacente a la espi- ral, no tiene diafragma.- Ordinarisiaente, al movimiento en vór- tice succionará aire a través del orificio nacía su centro, pero ésto se evita cerrando la válvula de garganta de la tubería c a - llante hasta que el aire empieza a salir por el orificio.

2.2.- FB0PISDAS5S RBgBIG£BAH?S3.-

Ia importancia de lo que Hilsch llamó "simetría rotado nal», se encontró cuando el orificio no estaba centrado; ésto — traía como consecuencia una disminución considerable de tempera- tura*- También, el tubo hecho de Lucite, más ó menos redondo —

puesto que se taladró Interiormente, casi dobj.0 su oaida de tem- peratura*

La importancia de una sola vuelta en espiral para obte- ner una rotación simétrica, se muestra indirectamente por el he- cho de que el tubo de Lucite hecho sin esa vuelta en espiral, — causó únicamente un aumento de la caída de temperatura 2/3 más - que los tubos le Eilseh (fig* 2}

Bullendo el interior del tubo de Lucite, causó una caí- da adicional de temperatura de 10$^t demostrando con ésto que el- arrastre del gas sobre las paredes del tubo, es otro factor mas- que influencia la operación*

La longitud del tubo frío fué variada entre 7*6 y 15.2 cm«, y el tubo callente entre 20 y 38 em., sin que se produjera un efecto notable*- Aparentemente, la figura más pequeña de es tos modelos era la mejor; sin embargo, un tubo callente con el-

doble del diámetro del resto del tubo de Lucite, disminuye el - enfriamiento cerca de un tercio; este mismo efecto no se produ- jo en el tubo frío*

Hilseh hace la observación de que, para un mejor fun- cionamiento, el Inyector y el orificio deben estar lo más cerca posible*

Las figuras 2 y 3 presentan gráficas de los datos toma, dos de Bllsch, pero también incluyen algunos resultados obteni- dos con los tubos cuyas dimensiones fueron dadas en la Tabla nú mero 1 •—

Como se maestra en la fig. 2, el funcienamiento- dal tubo de Lucite se acerca mucho a} tubo de Hilsch bien hecho, sin embargo, el tubo de Lucite no tiene espiral de entrada.- 11 aire que fluye fuera del tubo frío, correspondiente a una caída- máxima de temperatura, varía desde 43» hasta 255».- La caída de -

temperatura aumenta con la presión del inyector, aunque no lineal mente.- Con los tubos de Hilsch, entre más largos éstos, más - — grande la caída de temperatura.

i '

La fig. 3 maestra eómo el enfriamiento varía con una - parte del flujo a través del tubo frío, ésto ees Gémo el punto- de temperatura mínima es alcanzado a medida que la fracción de - aire que sale por la tubería fría varía.- Las curvas superiores muestran el hecho de que, para el tubo I-C, la diferencia de tem peratura entre el tubo caliente y el frío, varía linealaente con

i-~ ^{1 . , , : : t ^ O}

8

la fricción del aire que está fluyendo por el tubo frío.

El coeficiente de desarrollo se define como la razón» de calor sustraído a trabajo realizado y para un refrigerador de uso- doméstico que usa como refrigerante íreon, es alrededor de 4.- 11 trabajo mínimo para una temperatura constante en la compresión de- una mol de gas ideal desde la presión atmosférica basta la presión en el inyector» es i-

A « R fn ln Pn (1) Patm

donde í-

A* Trabajo mínimo

Tn« Temperatura absoluta del gas Pn« Presión en el inyector

Patm» Presión atmosférica

1* Constante del gas « 1.98

Deducción de la ecuación No. 1.- Proceao isotérmico.

P?« P^tT , * 1 Ta

V« P,V^t diferenciando esta expresión, dv»-#t?. a.

pero P i Y i m py y P= S T

1 'ijf

A

A « - / IT . PV dp m

A « -KTn In Pn Patm

£1 signo negativo significa que se está dando trabajo.-

El enfriamiento producido por el tubo de vórtice por — mol de aire a través del inyector, es i-

Q =yH. Cp M ( Tn - Te) (2) donde s-

JX. *»

M = Peso molecular, 29 para el aire

Cp = Capacidad calorífera a presión constante Te » Temperatura en el tubo frío

Para el tubo de Hilsch 1~C, utilizando aire a 5 atas, — abs., (Tn-Te) max es 38° C, y^es 0,38 Sn consecuencia, como €p es casi constante arriba de este rango de presión y es igual a — 0,24, substituyendo en la ecuación (2) resulta

Q « (0.38) (0.24) (29) (38) « Q * 101 cmVloa-aol

11 trabajo mínimo se determina por la ecuación (1) i A - (1.98) (293) ln 5 -

A m 935 cm^ / Iba-mol

Por lo tanto» el coeficiente de desarrollo es s- 1 m 101 / 935 *

B » 0.11

2•3gflCIEHClA TESMICA »-

Los cálculos de la eficiencia para el enfriamiento del- tubo de Hilsch, se harán comparándolos con la eficiencia de e n ­ friamiento de la expansión adiabática de un gas perfecto en una - máquina de expansión, que libera trabajo extemo.- Una máquina - de éstas, teóricamente, está dando un flujo continuo de aire frío de temperatura T,, el cual se produce por la expansión de un gas-

10

H e »

de temperatura T^Q desde la presión P hasta la presión Pa.- Por - 10 tanto» para este proceso s-

T⁰ / T. « (P/Pa)^ (3)

dondeí—

T» * Temperatura del aire frío T⁰ » Temperatura del gas

& * Cp/Cv

Deducción de la ecuación No. 3*

Expansión adiabática, PV « HT | ¥ m 1T/P

P«Vt * p£ ?2

P (ST/pf - P, (BT./P,)

P/P* • « P.AÍ . TÍ { P Í x*"- P.Í T^{t V / í} p'r T « P«^ T^t

T/T. • (P/P./lT

El trabajo 1 ?J.berado por la máquina de expansión por - unidad de peso es E « Cp (T⁰ - T,) y es equivalente a la cantidad de calor Q removida del gas.

11 trabajo mínimo requerido para la compresión (isotér- mica} es i-

A « KT In P/Pa

Substituyendo P/Pa de la ecuación (3), se obtiene s- A » Cp To ln To/f,

11 trabajo neto requerido es A - E, y el resultado obtenido para—

1* eficiencia de la máquina de expansión es t-

x - 1 (4) x ln x^Tx-I)

donde s-

Ne a Trabajo neto requerido A * Trabajo mínimo

E * Trabajo liberad©

Q * Calor removido del gas x * Tq/T,

La eficiencia del tubo de vórtice es menor que la de la máquina de expansión» puesto que solamente una fracción^, del gas

se expande en el flujo frío y el calor es removido por otra frac- ción del gas (lr^l) .-

Por otra parte» no se gana ningún trabajo por expan——

slón*—

£1 gas es expandido a lo largo de un camino en forma de espiral y luego es sacado a través de un diafragma*- La fricción interna tiende a producir una velocidad angular uniforme a lo lar go de la expansión en el campo centrífugo*- £1 mismo efecto se - puede obtener Instalando una turbina de rueda enfrente del inyec- tor} ésto transformaría el tubo de vórtice en una turbina de e x - pansión» donde el gas comprimido entra cerca de la circunferencia y sale a baja presión cerca del eje, mientras que al trabajo meca nieo es liberado por el rotor de la turbina*- En este caso teóri oo, todo el gas puede ser removido como gas frío a través del día fragata; y la eficiencia será Se como se derivó en la Bq, (4)*- El trabajo desarrollado en el rotor de la turbina puede ser cambiado a calor por medio de un embrague de fricción en la flecha*- Este ealor puede ser removido separándose una pequeña fracción del gas

12 expandido hacia el lado caliente del tubo de vértice, el cual es- capará con una alta temperatura deseada,

la eficiencia de tal tubo de vértice con una turbina, - sería más grande que la del tubo real de vértice, debido a que ca si todo el gas escaparía como un flujo frío a través del diafrag- ma,- En este caso, no se desarrollaría ningún trabajo de expan—

siénj su calor equivalente sería arrastrado por una pequeña canti dad de gas escapando por el tubo caliente.- La eficiencia de un- tubo ideal de vértice, será comparada con la del actual tubo de - vértice} ésta se obtiene omitiendo el trabajo de expansión B en - el denominador de la £q, (4)«- SI resultado, es s—

II w « (x-1) / x ln x (5) donde *-

líw « Eficiencia ideal x * T^Q / T,

-4—g—i-.-—'fl*. T ,.y. • 4trt»*l<

i

La Fig* 4 muestra la dependencia de Ne y Hw en x, tam­

bién, y para comparación únicamente, la eficiencia de una máquina Carnet He*- Como una máquina de este tipo no es muy práctica pa­

ra la producción de un flujo continuo de aire frío de temperatura es frecuentemente utilizada en la práctica para ese propésit®.

Las escalas superiores en la fig* 4 muestran la relación de pre—

sien P/Pa para la cual la relación de temperatura T⁰ / T^tt es al­

canzada para gases mono y diatómicos*- Para x»l, Se y He se apro xlman a^c , mientras que totes los valores de H se aproximan a ce ro para valores grandes de x •-

La eficiencia teórica del tubo de vórtice es bastante - favorable, especialmente para relaciones de presión grandes que -

se aproximen al valor de He *-

14 Los resultados» de estas consideradonos teóricas» serán comparados ahora con los datos obtenidos experimentalmente con - varios tubos de Hilsch (Tabla 2}.- Los datos dados en esta t a - bla se refieren a un tubo con un diámetro * 17,6 mm,- Los datos dados en la línea 2 se tomaron de las curvas en la Fig, 5*- Los valores de la cantidad Jy£<-(f⁰ - T)J max en la línea 5, que es — proporcional a la cantidad Q, se tomaron de las curvas en la Fig, 6 y fueron multiplicados por un factor de 1,1 ,- Se pone de manifiesto que la caída de temperatura x alcanza casi 50JÉ del va lor teórico La eficiencia de enfriamiento B se define como la relación entre la eficiencia actual obtenida y la eficiencia teó rica calculada} su valor es cerca de 20j£,- La eficiencia prácti ca termodinámica en la línea 8, es definida como BttW} esta defi- nición es válida si se utiliza un compresor ideal de aire,-

Ss probable que las eficiencias reales sean algo mejor - que las dadas en la Tabla 2.- Isto se debe a que» primeramente - el método de medlcién de temperatura dá valores poco favorables }- y segundo, a la presencia de humedad en el aire comprimido, la — cual aparece en el flujo frío como cristales de hielo.-

TABLA II.- Batos experimentales de los tubos de Hilsoh.

1.— Belaeión de Preslén (P/Pa). •. 2.5 4 7 11 2.- Calda de temperatura máxima -

<*⁰ - 1

j

3 - Calda de temperatura teórica-

(Tq — T») .••*»••**«.*».. 67° C 95° 0 124° 0 144° 0 4*— Temperatura de eficiencia - -

x « (T⁰ - T») max/(T⁰ - T^T) 0.36 _0.38 0.42 0.47 5.- [/(«o * *>1 *** • 15.5° C 21° C 24°C 27.5°C 6.~ Eficiencia de enfriamiento —

B ^Cf©-*)] max / - T,>

5 M 6 Í

16 C A P I T U L O III

MH SS* WXí Kt W W M> ttttUHMf BISSSO DEL TUBO BB HILSCH.

3.1.- BiaCEHSIOlBS .-

Las figuras ? contienen resultados obtenidos con un tubo de vortex de diámetro I * 4*6 mm«, se encontró que un diámetro pa ra el inyector de D = 1.1 mm* era un valor bastante favorable. — Valores más pequeños de B, serian menos favorables, ya que el flu 4© rotativo iría disminuyendo muy rápidamente lo cual produce una

importante oontribucién de la friocien entre el gas y las paredes»

Valores más grandes de B permitirían el paso de grandes cantida—

des de finjo que no podrían ser manejados por el tuco sin que se- aumente la presión Pi a valores muy altos,- Esto haría la rela- ción de expansión P/Pi poco favorable.-

Las Figs. 7 muestran las temperaturas de los tubos frío- y caliente como una función de JA para cuatro diferentes valores - de presión inicial P del gas*- La relación jk puede ser camblada- por medio de una válvula colocada en el extremo del tubo callen—

te, que tenía una longitud de 30 esu- A esa distancia del inyec- tor, los componentes rotativos del gas han disminuido suficiente- mente,- La cantidad de flujo total es proporcional a la presión- absoluta P del gas que está entrando, pero es prácticamente inde- pendiante de la colocación de la válvula, y por lo tanto &*JK .—

Para B » 1*1 mm. y aire a una presión manométrlca de p « 10 atmós feras, la cantidad de flujo fué de 0 » 7*0 w?/tw •-

La presión interna también está graficada en las Figs* 7 y fué medida cerca de la válvula de garganta,- La influencia del

diámetro del diafragma B es mostrado para cuatro diferentes valo- re**—

Siempre hay un cierto valor á*J{ que produce un valor mí nlmo de temperatura del aire frío,- Entre más grande es el valor deyX, la temperatura del lado caliente será más alta.- Un dia-—

fragma pequeño (B * 1.4 mm.) no es muy favorable, especialmente - para altos valores deJi^t porque la presión interna Pi y las pérdi das se hacen muy grandes.- Be otra manera, el diafragma más gran de (B m 2.7 mm.) dá un efecto de enfriamiento pequeño en el míni

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y O f ESTUDIOS SUPERICr.iS CE MOlJ§RRET

mo de la curva porque peralte la entrada de aire de regiones don­

de el flujo rotativo es aun considerable.- Para valores grandes- de JL (por ejemplos 0.3), el efecto más favorable de enfrian!ente­

se obtiene con el diafragma más grande.- La selección del diáme­

tro del diafragma B, depende en al se quiere alcanzar temperatu­

ras muy bajas Ó se quieren producir grandes cantidades de aire -*?

fríe.- SI valer B » 2.2 mm., se puede considerar la solución más favorable para estos últimos factores.

SI enfriamiento y el calentamiento del aire con raspee-

to a u t - p . » * * . d.l «uarto, « m igual., p a r a / - 0.5 .-O. -

aquí que la relación

(enfriamiento) * (1-y^) (calentamiento)

debe ser siempre válida puesto que la cantidad de oalor removído- del aire frío debe ser igual a la cantidad de calor dado al aire- callente.

La cantidad total del flujo Q para todos los tubos puede ser representada por la relación

donde t-

D * Área del inyector en mm.²

1 » Presión inicial del aire en atmósferas

@ « Flujo de aire en kg/hr

X m 0 . 8 * * (br—mm*- — atmósferas)

La eficiencia aumenta para los tubos de diámetro más gran de, porque para tubos de diámetro más grande las pérdidas per ca­

ler debido a la conducción de oalor del eje a la circunferencia - del vórtice es poco importante.- Entre más grande es el diámetro

del tubo R, menor es la relación B/H, donde B es el diámetro — más favorable del diafragma.- Bebe recordarse, sin embargo, —

que un diafragma pequeño favorece la transmisión de aire frío,- el cual ha sido bien expandido y está prácticamente libre de mo vimiento rotatorio.-

La longitud del tubo frío fué variada entre 7.6 y 15.2- cm., y el tubo caliente entre 20 y 38 cm., sin que se produjera un efecto notable .-

3.2.- BiPofBsis

m mmumm .-

En el tubo de Hilsch, gas es introducido tangenclalmen- te a alta velocidad a través de un inyector.- Consecuentemente, existe una masa de gas en el tubo que está circulando répidamen te.- Qha parte del flujo total que entra al tubo, es removlda- en el eje de rotación, haciéndola pasar por un orificio del día fragma que cierra ese extreme del tubo; el flujo vá entrando — por un camino en forma de espiral.- El resto del gas deja el - tubo en forma de remoline per la válvula de garganta.- El in—

yector, orificio y camino en forma de espiral están esencialmen te en el mismo plano, el cual es paralelo y adyacente al día—- fragma.- El gas frío sale a través del orificio, el gas callen te sale a través de la válvula de garganta.-

ün factor muy notable del tubo de Hilsch, es la gran di farénela entre las temperaturas del lado frío y del lado callen te, que se pueden obtener bajo ciertas condiciones•-

La fig. 3 muestra una diferencia de 140°C (250^o?) cuan- do según las condiciones de operación son tales que, casi el si re sale por el tubo frío, y sólo una pequeña parte del aire ca-

20 líente sal® por el tubo caliente,- Por lo tanto, al hacerse una hipótesis acerca fiel tubo de Hilsch, debe no solamente oarpJJLcar- se el enfriamiento del gas, sino también el mecanismo por medio- del cual la energía que se quita del flujo frío, es agregada a - la porción del gas que Tiene a ser el flujo caliente,- Un balan ce de energía indica que un cambio come éste se requiere, pero - no muestra come es hecho.-

La transferencia de energía de un punto dado en la masa circulante de gas ocurre como una reacción reversible a la expan siÓn interna del gas en ese punto.- Como la pared rígida no per mite que ae efectúe trabajo fuera de un radio dado (ésto es, no- se efectúa donde la fuerza actúa), el trabajo debe ser hecho tan geneialmente, y consiste en un empuje sobre un elemento del gas.

La fuerza resistente que existe es la fricción de la masa del — gas, que debe notarse, es tangencial.- Esta componente se hace- más aparente en esta forma, debido a que el flujo entra en forma de espiralf las líneas de flujo de esa porción de gas que se mué

•en hacia el eje, no son concéntricas a la pared, en vez de éso, forman un ángulo con la pared en cualquier punto.- Este trabajo tangeneialmente dirigido es tomado de la entalpia del gas a tra­

vés del mecanismo de expansión, y causa un aumento en la r o t a — clon de la masa que es una función de la fracción del gas que se está moviendo a lo largo de la espiral (ésto es, la fracción del flujo frío).- Este trabajo tangencial es eventualaente convertí do en calor por la fricción sobre la pared, y el calor es tomado por el flujo caliente•-

Como parte del mismo proceso, existe una expansión ra—

dial contra el campo centrífugo •- Este trabajo por expansión —

también es tomado de la entalpia almacenada por el gas.- late - trabajo es hecho por el gas en el tubo, únicamente en la direc—

cien perpendicular al flujo en el tubo, es posible mostrar que - las componentes tangencial y radial del trabajo hecho por expan- sien son iguales, y que esta igualdad se lleva a cabo en condi—

cienes de una velocidad angular constante en la masa rotatoria - del gas*—

22 C A | I f ÜUL. O IV

COHSTBÜCCIOff BEL TUBO BE HILSCH.

4.1FgMCIOHAKIMTO.-

Los resultados de Tartos experimentos preliminares mos­

traron que para un efecto favorable de enfriamiento, el diafrag­

ma debe ser instalado le más cerca posible del inyector.- El — flujo de aire circular cérea del inyector y del diafragma debe - tener una rotación lo más simétrica posible.-

Para una explicación del mecanismo del tubo de vórtice, se hará referencia a la fig, lj si ambos extremos de los tubos - están abiertos, el aire que está entrando por el inyector tangen cialmente escapa por las paredes del tubo callente con un movi­

miento en forma de hélice, mientras que la fuerza centrífuga y - la frleelón interna del gas producen una presión más baja en la- reglón axial»— Be aquí que aire sea succionado a través del día fragma en el tubo frío»— Isto se puede evitar si el flujo que - pasa per el tubo caliente es reducido por una válvula que se co­

lees en el extremo de este tubo*- Esta válvula debe estar sufi­

cientemente alejada del inyector (aproximadamente 50 veces el — diámetro del tubo), de tal manera que el gas que está llegando a

3A válvula, haya perdido gran parte de su movimiento helicoidal- debldo a la fricción interna*- Cerrando parcialmente la válvu­

la, es posible forzar una fracción^, del aire que escape ó sal­

ga a través del diafragma*- Esta fracción de aire aumenta al au mentar la presión interna Pi que puede ser medida en el tubo ca­

liente cerca de la válvula^t y se origina en la región cerca del- eje del vórtice en la parte izquierda del tubo.- II aire que es

tá saliendo por el diafragma ha sido expandido en el campo cen- trífugo de una región de alta presión hasta una presión Pij y — les ha transferido una parte considerable de energía cinética, - per medie de fricción interna, a las capas periféricas.-' Per lo tanto» una fracción del aire expandido sale por el tubo frío - con una temperatura reducida» y una fracción (1- ), escapa por - el tubo callente con un aumento de temperatura*—

En ausencia de fricción interna, y con un gradiente de- presión suficiente, la velocidad del aire aumentará hasta la ve- locidad supersónica durante la expansión entre la circunferencia y el eje del vórtice en el tubo*- La fricción interna, sin e m - bargo, es particularmente efectiva en esta región.- Habrá, por—

lo tanto, una disminuoión del contenido de calor en la parte — axial del flujo de aire que está fluyendo hacia la derecha, y un ásmente del eontanide de caler del aire que fluye hacia la i»

qulerda, si se previene un cambio de calor en las cercanías de - las paredes del tubo*-

Con una selección de la fracción y (1- ), aire comprl mido a pecas atmósferas de presión y a una temperatura de 20°C,-

produelrá fácilmente una temperatura de -f 20O°C en el tubo cali en te y -50°C en el tubo fríe.-

é.2,- mTmnmmxm

m

mrnmm m mm m

mmB£=

—

En la construcción del tubo de vórtice de acuerdo con - la fig» 1, les resultados de varios experimentos preliminares — han sido utilizados,- Estos muestran que la eficiencia no ha si

do afectada por ninguna forma particular del recipiente eillndrl ce, ó del tubo caliente.- Por lo tanto, un tubo cilindrico de -

24 longitud suficiente na sido utilizado,- 11 tubo que tiene el — diafragma puede tener cualquier forma que no interfiera con el - flujo de aire frío,- Utilizando diafragmas de diferentes formas no aumentaron la eficiencia*- H uso de un tubo de plata alema- na de paredes delgadas, redujo la transferencia de calor entre - la parte caliente y la fría» per© solo en un pequeño valor.-

Existe un n&aero de variables por considerar que afec- tan la operación*- Como es difícil derivar estas influencias — teóricamente de un análisis del comportamiento del flujo compre- sible en una forma cuantitativa, Sstas fueron sujetas a una i n - vestigación experimental.- las temperaturas del gas en el flujo en las dos direcciones dependen de las siguientes variables i-

(1) Temperatura fe, presión pj y cantidad de flujo 0 — del aire comprimido expandido •-

(2) Presión externa Pa fuera del tubo de vórtice.- (3) Diámetro del tubo S, el diafragma B, y el inyector

Bf estas cantidades determinan G •-

(4) Helación de distribución de aire entre el flujo en ambas direcciones,^ masa de aire frío / masa - total de aire *—

C A P I T U L O V

* • * K Mtt * • SW « B M B M f SM

1.1.- CQKCLCSIOHBS »-

Se efectuaron varias pruebas con el aparato sin que ss~

obtuvieran resultados satisfactorios} estas pruebas se hicieron- a diferentes presiones de entrada del aire, notándose que a una- presión de 2.81 Kg/cm la diferencia de temperaturas entre los - dos tubos era más palpable, sin embargo, esta diferencia de tem- peraturas resultó tan pequeña que se optó por volver a construir los tubos ya que éstos no estaban pulidos en su interior en for- ma correcta.- una vez que se tuvieron los tubos se procedió a - experimentar nuevamente} esta vez como en la anterior se hiele—

ron las pruebas a diferentes presiones del aire comprimido, sln- que de nuevo se lograran obtener resultados satisfactorios, ó — sea que con los tubos pulidos interiormente, se obtuvo la misma- pequeña diferencia de temperaturas antre los dos tubos.-

Teóricaraente y según los experimentos que se han lleva- do a cabo con el tubo de Hilsch, se han alcanzado temperaturas - hasta de -50°C en el lado frío y de 4 200°C an el lado callente.

El aparato fué construido de acuerdo con las especificaciones da das por la teoría, y, de acuerdo con dicha teoría se hicieron — las diferentes pruebas.- He se llegaron a obtener resultados sa tisfactorlos como antes se indica, pero éso fu6 debido a peque—

ños errores de construcción; la parte del aparato que más i n — — fluencia tuvo en este aspecto fué el inyector, s© tuvo dificul—

tad en su construcción debido a la variación de su diámetro y co me la salida tiene un diámetro muy pequeño, ésto dificultó su pu

llmentr.ción interior.-

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A continuación se dan los resultados obtenidos de dos - diferentes presiones} cese podrá verse, la variación de tempera- turas es muy pequeña

PHESIOH TEKPSSA7ÜBA

tubo Caliente Tubo frío

Xjg / em #— °C

2*81 30.5 26.5

3>86 30 27.5

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