O Tubo de Vortex Ranque-Hilsch
Autor: Engenheiro George O. Smith
Publicado pela revista Scientific American nos anos 50.
Um equipamento simples, sem peças móveis, feito com tubos e conexões hidráulicas, capaz de produzir baixas temperaturas a partir de ar comprimido.
O físico britânico James Clerk Maxwell fez profundas contribuições à física e, entre as mais significantes, estava sua lei da distribuição aleatória. Considerando uma caixa fechada contendo um gás, Maxwell começou dizendo que a temperatura do gás era devida à movimentação individual das moléculas do gás dentro da caixa. Mas, uma vez que a caixa fica parada, a soma das velocidades individuais das moléculas de gás deve ser zero.
Em essência, a lei de Maxwell da distribuição diz que para
cada molécula de gás que vai para o oeste a
Após uma análise séria das conseqüências de sua lei, Maxwell se permitiu um toque de humor. Ele sugeriu que existia a probabilidade estatística de que, em algum momento no futuro, todas as moléculas em uma caixa de gás ou em um copo de água podem se mover na mesma direção. Isto faria que a água saísse do copo. Maxwell foi além e disse que se pudéssemos treinar um pequeno duende (nota do tradutor: a expressão em inglês é “demon”) para que este, em uma tubulação de água, abrisse uma pequena válvula quando uma molécula rápida se aproximasse e fechasse esta válvula para moléculas lentas, seria possível separar um fluxo de água em água quente e água fria.
O duende de Maxwell iria desafiar a lei da termodinâmica que diz, em essência, que “você não pode obter alguma coisa por nada”. Ou seja, não é possível separar água fria da água quente sem aplicar algum trabalho. Por isto, quando os físicos do mundo ouviram que os alemães haviam desenvolvido um aparelho que podia obter baixas temperaturas utilizando o duende de Maxwell, eles ficaram intrigados, apesar de obviamente céticos. Um físico investigou o assunto para a marinha americana. Ele descobriu que o aparelho era muito engenhoso, apesar de não ser o milagre que haviam anunciado.
Consiste de um tubo em forma de T, quando ar comprimido é admitido na “perna” do T, ar quente sai por um braço e ar frio pelo outro. Obviamente, trabalho precisa ser realizado para comprimir o ar.
A origem do aparelho é obscura (nota do tradutor: nem tanto, o aparelho tem uma história bem registrada). Dizem que o princípio foi descoberto por um francês, que deixou alguns modelos experimentais no caminho do exército alemão quando a França foi ocupada. Estes foram entregues a um físico alemão chamado Rudolf Hilsch, que estava trabalhando em aparelhos de refrigeração para o esforço de guerra alemão. Hilsch fez algumas melhorias no projeto do francês, mas descobriu que não era mais eficiente que os métodos convencionais de refrigeração. O tubo ficou conhecido como tubo de Hilsch (nota do tradutor: o nome do francês era Ranque, e hoje o tubo é conhecido como tubo de Ranque-Hilsch, nome adotado nesta tradução).
O tubo de Ranque-Hilsch pode ser
construído com peças hidráulicas conforme as figuras. O braço horizontal do
tubo T contém uma peça com formato espiral que se encaixa dentro do tubo. No
degrau da parte espiral, tem um orifício que se conecta à entrada de ar
comprimido. O ar entra por este orifício e gira, formando um redemoinho (vortex). O lado “quente” do tubo tem cerca de
Três fatores determinam a performance do tubo de Ranque-Hilsch: o ajuste da válvula, a pressão em que o ar é admitido no orifício e o tamanho do furo na arruela. Para cada valor de pressão de ar e furo da arruela, existe um ajuste da válvula que resulta em máxima diferença de temperatura entre o tubo quente e o frio. Quando o aparelho é ajustado apropriadamente, produzirá temperaturas de cerca de 38 graus no tubo quente e -50 graus no tubo frio (uma temperatura abaixo do ponto de congelamento do mercúrio e perto daquela do “gelo seco”). Precisa ser mencionado, entretanto, que poucos amadores conseguiram estas performances extremas. A maior parte das obtém mínimos da ordem de -20 ºC e máximos de 60ºC.
Apesar de sua performance impressionante, a eficiência do tubo de Ranque-Hilsch deixa muito a desejar. Na verdade, ainda não há consenso sobre como ele funciona (nota do tradutor: até hoje, 2006, não há consenso sobre seu funcionamento). De acordo com uma explicação, o ar comprimido disparado na espiral forma um vórtex (redemoinho) de alta velocidade. As moléculas de ar na parte externa do vórtex têm sua velocidade reduzida pela fricção com a parede do tubo. Por causa de sua velocidade menor, elas são sujeitas às leis da força centrífuga e “caem” para o centro do vórtex. As moléculas rápidas próximas à esta camada externa transferem parte de sua energia para esta camada, através do bombardeamento de algumas das moléculas lentas e, conseqüentemente, aumentando a velocidade destas. O resultado deste processo é a acumulação de moléculas lentas, de baixa energia, no centro da massa rodopiante, e de moléculas rápidas, de alta energia, na parte externa. Em termodinâmica dos gases, os termos “alta energia” e “alta velocidade” significa “alta temperatura”. Então, o vórtex consiste em uma parte central de ar frio cercada de uma camada externa de ar quente. A diferença de temperatura entre a parte central e a externa é aumentada por um efeito secundário que usa o princípio que a temperatura de uma determinada quantidade de gás, com uma determinada quantidade de energia, é maior quando o gás está em um volume menor do que quando está em um volume maior. Portanto, quando o gás se expande, a temperatura cai. No caso do tubo de Ranque-Hilsch, a ação da força centrífuga comprime a camada externa de ar quente em uma massa compacta que só pode escapar fluindo pela parede interna do tubo “quente”, uma vez que é bloqueado pela “arruela”. A taxa de compressão pode ser determinada pelo ajuste da válvula.
Em contraste, a parte interna do vórtex, relativamente fria mas com uma pressão ainda consideravelmente acima da atmosférica, flui através do furo na “arruela” e tem a sua temperatura reduzida ainda mais ao se expandir para a pressão atmosférica.
Aparentemente, a ineficiência do tubo de Ranque-Hilsch como um aparelho de refrigeração impediu sua aplicação comercial. Mesmo assim, amadores que querem um meio de obter temperaturas relativamente baixas e que não tem acesso a uma fonte de gelo seco podem achar o tubo útil. Quando feito de maneira correta e propriamente ajustado, fornece um jato de ar 20 vezes mais frio do que aquele refrigerado pela simples expansão através de um tubo Venturi. Portanto, o tubo de Ranque-Hilsch pode ser utilizado para congelamento rápido de tecidos para microscopia ou para esfriar válvulas fotomultiplicadoras. Mas além das aplicações potenciais do tubo, o que poderia ser mais divertido do que aprisionar o duende de Maxwell e fazê-lo explicar em detalhes como ele consegue soprar ar frio e quente ao mesmo tempo.
A propósito, este não é um projeto para a pessoa que procura um aparelho feito comercialmente. Até onde eu saiba, tubos de Ranque-Hilch não são encontrados prontos no mercado. Você mesmo tem que fazer o seu. Nem é um projeto para aqueles que querem especificações detalhadas e desenhos. As dimensões fornecidas nas figuras são apenas aproximadas. Certamente não são os valores ótimos. Se você gosta de exploração, o aparelho apresenta muitas questões a serem resolvidas. Qual seria, por exemplo, o efeito de substituir o orifício reto usado por Hilsch por um divergente? Porque não criar o vórtex através de palhetas como as das turbinas? Uma câmera espiral em formato de toróide aumentaria a eficiência? Quais proporções ideais entre os tubos? Porquê não fazer a espiral de plástico, ou mesmo de madeira? Também se pode imaginar uma espiral feita com uma tira de latão soldada a uma conexão normal de tubos. Sem dúvida, o amador dedicado pode surgir com mais e melhores alternativas.