Todas estas válvulas tienen algo en común, todas tienen piezas móviles. Aquí es donde radica el desafío del diseño ¿Es posible diseñar una válvula unidireccional sin piezas móviles? La mayoría de nosotros pensaríamos que este es un desafío de diseño imposible, pero no para el genio del diseño Nikola Tesla. Tesla ha desarrollado una válvula unidireccional sin piezas móviles en su patente, la cual nombró como un conducto valvular.
En este artículo, no solo aprenderemos cómo funciona esta válvula, también intentaremos comprender cómo funcionaba la mente de Tesla durante el desarrollo de este producto brillante.
La física del flujo convergente y divergente
Imaginemos un canal simple con algunas ondulaciones en las paredes. Estos tipos de ondulaciones ofrecen la misma resistencia al flujo cuando el fluido entra desde cualquier lado.
Ahora consideremos otro caso en el que se agregan obstáculos en un ángulo. Aquí tienes una pregunta ¿En qué dirección le resultará más fácil al fluido fluir, de izquierda a derecha o de derecha a izquierda? Tu intuición dice que el flujo de derecha a izquierda será más fácil, ¿verdad? Esto se debe a que el flujo es de tipo convergente cuando va de derecha a izquierda, pero cuando la dirección del flujo se invierte, ocurre el efecto divergente.
La física del flujo convergente y divergente son bastante diferentes. En el flujo convergente, a medida que el área se reduce, la velocidad aumenta a lo largo del flujo. Este aumento de velocidad significa que la presión disminuirá a lo largo del flujo. Para el flujo divergente, el caso será exactamente el contrario, la presión aumentará a lo largo del flujo. Este aumento de presión se conoce como una condición de gradiente de presión adverso.
A medida que la presión aumenta a lo largo del flujo, la partícula de fluido desacelerará a lo largo de la longitud y después de una longitud determinada, podría ocurrir una inversión de flujo. Esta inversión conducirá a la formación de vórtices y pérdidas de energía. En resumen, el flujo divergente es más difícil de mantener y ofrece mucha más resistencia que el flujo convergente.
El diseño de Nikola Tesla
Modifiquemos la disposición de los obstáculos. Unos obstáculos están conectados a la pared y los restantes son más pequeños. Analicemos qué sucede con el flujo cuando se mueve de izquierda a derecha. Como se esperaba, el flujo se divide en dos partes después de la divergencia del flujo.
Después de esto, los flujos secundarios se dirigen a mezclarse con el flujo principal casi en un ángulo de 180 grados. Este proceso es similar a la mezcla de dos chorros provenientes de direcciones opuestas, lo cual resulta en el giro del flujo y pérdidas. Este diseño obviamente produce más restricción que el diseño anterior y este proceso se repite en cada par de obstáculos. Por otro lado, cuando el flujo va de derecha a izquierda, pasa muy fácilmente sin mucha obstrucción.
Hagamos algunas modificaciones geométricas más a este diseño. El diseño anterior es una reflexión simétrica. Desplacemos la porción inferior como se muestra. Ahora, el ancho de la obstrucción se incrementa. Lo que tienes ahora es el diseño de Nikola Tesla en la válvula Tesla. El flujo siempre se divide en dos corrientes: el flujo en línea recta es la corriente principal y el flujo desviado es la corriente secundaria. En su diseño, Nikola Tesla integró de manera inteligente todas las interesantes mecánicas de fluidos que hemos aprendido hasta ahora de manera óptima.
La mecánica detallada de la válvula Tesla
Consideremos primero el flujo de derecha a izquierda. Inicialmente, el flujo se divide en dos corrientes; obviamente, el flujo secundario será muy bajo ya que el fluido tiene que tomar un giro innecesario para ingresar a esa región. Esto significa que la mayoría del flujo será debido a la corriente principal y fluirá casi en línea recta sin mucha obstrucción. Cuando el fluido entra desde la izquierda, el flujo se divide nuevamente en dos corrientes.
En la sección inferior, el flujo se diverge y el gradiente de presión adverso dificultará su paso. La segunda corriente choca contra una estructura en forma de cubeta y pierde su impulso. Después de esta pérdida de impulso, el flujo toma un giro aproximado de 180 grados, lo cual nuevamente causa pérdidas en el flujo. Después de todos estos obstáculos, esta corriente se mezcla con la primera corriente proveniente en dirección opuesta, lo que resulta en una mayor pérdida de energía. En resumen, cuando el flujo va de derecha a izquierda, se encuentra con una gran obstrucción. Este proceso de expansión repentina, desviación, inversión y mezcla se repite en cada unidad. Al agregar muchas de estas unidades, la resistencia se puede aumentar aún más.
Probemos la válvula Tesla conectándola a la salida de una bomba en funcionamiento. Si la válvula se conecta de esta manera, notarás un buen flujo a través de ella y obviamente la caída de presión a través de la válvula será despreciable. Simplemente conecta la válvula en la dirección inversa y el flujo disminuirá drásticamente y la caída de presión a través de la válvula será enorme. La válvula Tesla no puede bloquear completamente el flujo, pero esta válvula de una sola pieza es muy duradera porque ofrece más resistencia al flujo en una dirección sin piezas móviles.
Se ha utilizado en aplicaciones de investigación en microfluidos y motores de pulso de combustión interna. Se utiliza junto con una microbomba para suministrar líquido en cantidades muy pequeñas, tan pequeñas como 3 mililitros por minuto. Los motores de pulso sin válvula de modelo utilizan la válvula Tesla para reemplazar la válvula de lengüeta en los motores de pulso de combustión interna convencionales. Esperamos que este artículo te ayude a comprender cómo funcionaba la mente de Nikola Tesla en el desarrollo de este producto.
