Vortexrör

För termen "virvelrör" som används i vätskedynamik , se Vorticity .

Separering av en komprimerad gas i en varm ström och en kall ström

Virvelröret , även känt som Ranque-Hilsch vortexrör , är en mekanisk anordning som separerar en komprimerad gas i varma och kalla strömmar. Gasen som kommer ut från den varma änden kan nå temperaturer på 200 °C (390 °F), och gasen som kommer ut från den kalla delen kan nå −50 °C (−60 °F). Den har inga rörliga delar och anses vara en miljövänlig teknik eftersom den enbart kan arbeta på tryckluft och inte använder Freon . Dess effektivitet är dock låg, vilket motsäger miljöfördelarna.

Trycksatt gas injiceras tangentiellt i en virvelkammare och accelereras till en hög rotationshastighet . På grund av det koniska munstycket i änden av röret tillåts endast det yttre skalet av den komprimerade gasen strömma ut i den änden. Återstoden av gasen tvingas återvända i en inre virvel med reducerad diameter inuti den yttre virveln. Vid upp till 1 000 000 RPM roterar denna luftström mot den heta änden där en del strömmar ut genom reglerventilen. Den återstående luften, som fortfarande snurrar, tvingas tillbaka genom mitten av denna yttre virvel. Den inre strömmen avger kinetisk energi i form av värme till den yttre strömmen och lämnar virvelröret som kall luft. Den yttre strömmen lämnar den motsatta änden som varm luft.

Arbetssätt

För att förklara temperaturseparationen i ett virvelrör finns det två huvudsakliga tillvägagångssätt:

Grundläggande tillvägagångssätt: fysiken

Detta tillvägagångssätt är baserat på enbart fysik från de första principerna och är inte begränsat till endast virvelrör, utan gäller för gas i rörelse i allmänhet. Den visar att temperaturseparation i en rörlig gas endast beror på entalpibevarande i en rörlig referensram.

Den termiska processen i virvelröret kan uppskattas på följande sätt:

Det huvudsakliga fysiska fenomenet hos virvelröret är temperaturseparationen mellan den kalla virvelkärnan och den varma virvelperiferin. "Virvelrörseffekten" förklaras fullständigt med arbetsekvationen för Euler, även känd som Eulers turbinekvation, som kan skrivas i sin mest allmänna vektorform som:

$T-{\frac {{\vec {v}}\cdot {\vec {\omega }}\times {\vec {r}}} {c_{p}}}={\mbox{const}}$ ,

där $T$ är den totala, eller stagnationstemperaturen för den roterande gasen vid radiell position ${\vec {r}}$ , betecknas den absoluta gashastigheten som observerats från den stationära referensramen med ${\vec {v}}$ ; systemets vinkelhastighet är ${\vec {\omega }}$ och $c_{p}$ är gasens isobariska värmekapacitet. Denna ekvation publicerades 2012; den förklarar den grundläggande funktionsprincipen för virvelrör (Här är en video med animerad demonstration av hur detta fungerar). Sökandet efter denna förklaring började 1933 när virvelröret upptäcktes och fortsatte i mer än 80 år.

Ovanstående ekvation är giltig för en adiabatisk turbinpassage; det visar tydligt att medan gas som rör sig mot mitten blir kallare, "blir den perifera gasen i passagen snabbare". Därför beror vortexkylning på vinkelframdrivning. Ju mer gasen kyls genom att nå centrum, desto mer rotationsenergi levererar den till virveln och därmed roterar virveln ännu snabbare. Denna förklaring härrör direkt från lagen om energihushållning. Komprimerad gas vid rumstemperatur expanderas för att få fart genom ett munstycke; den klättrar sedan upp i rotationsbarriären under vilken energi också går förlorad. Den förlorade energin levereras till virveln, vilket påskyndar dess rotation. I ett virvelrör begränsar den cylindriska omgivande väggen flödet i periferin och tvingar sålunda fram omvandling av kinetik till intern energi, som producerar varm luft vid den heta utgången.

Därför är virvelröret en rotorlös turboexpanderare . Den består av en rotorlös radiell inflödesturbin (kall ände, mitt) och en rotorlös centrifugalkompressor (varm ände, periferi). Turbinens arbetseffekt omvandlas till värme av kompressorn i den heta änden.

Fenomenologiskt förhållningssätt

Detta tillvägagångssätt bygger på observationsdata och experimentella data. Den är speciellt skräddarsydd för virvelrörets geometriska form och detaljerna i dess flöde och är utformad för att matcha de speciella observerbara egenskaperna hos det komplexa virvelrörsflödet, nämligen turbulens, akustiska fenomen, tryckfält, lufthastigheter och många andra. De tidigare publicerade modellerna av virvelröret är fenomenologiska. Dom är:

1. Radiell tryckskillnad: centrifugal kompression och luftexpansion
2. Radiell överföring av rörelsemängd
3. Radiell akustisk strömning av energi
4. Radiell värmepumpning

Mer om dessa modeller finns i de senaste översiktsartiklarna om virvelrör.

De fenomenologiska modellerna utvecklades vid en tidigare tidpunkt när turbinekvationen för Euler inte analyserades noggrant; i den tekniska litteraturen studeras denna ekvation mest för att visa arbetseffekten för en turbin; medan temperaturanalys inte utförs eftersom turbinkylning har mer begränsad tillämpning till skillnad från kraftgenerering, som är den huvudsakliga tillämpningen av turbiner. Fenomenologiska studier av virvelröret i det förflutna har varit användbara för att presentera empiriska data. Men på grund av virvelflödets komplexitet kunde detta empiriska tillvägagångssätt endast visa aspekter av effekten men kunde inte förklara dess funktionsprincip. Tillägnad empiriska detaljer fick de empiriska studierna under lång tid virvelrörseffekten att framstå som gåtfull och dess förklaring – en fråga om debatt.

Historia

Vortexröret uppfanns 1931 av den franske fysikern Georges J. Ranque . Den återupptäcktes av Paul Dirac 1934 medan han letade efter en anordning för att utföra isotopseparation, se Helikon vortexseparationsprocess . Den tyske fysikern Rudolf Hilsch förbättrade designen och publicerade en mycket läst artikel 1947 om enheten, som han kallade en Wirbelrohr (bokstavligen, virvelrör). 1954 publicerade Westley en omfattande undersökning med titeln ''A bibliography and survey of the vortex tube'', som inkluderade över 100 referenser. 1951 gjorde Curley och McGree, 1956 Kalvinskas, 1964 Dobratz, 1972 Nash och 1979 Hellyar viktiga bidrag till RHVT-litteraturen genom sina omfattande recensioner av virvelröret och dess tillämpningar. Från 1952 till 1963 erhöll C. Darby Fulton, Jr. fyra amerikanska patent relaterade till utvecklingen av virvelröret. 1961 började Fulton tillverka virvelröret under företagsnamnet Fulton Cryogenics. Dr. Fulton sålde företaget till Vortec, Inc. Vortexröret användes för att separera gasblandningar, syre och kväve, koldioxid och helium, koldioxid och luft 1967 av Linderstrom-Lang. Vortexrör verkar också fungera med vätskor till viss del, vilket Hsueh och Swenson demonstrerade i ett laboratorieexperiment där fri kroppsrotation sker från kärnan och ett tjockt gränsskikt vid väggen. Luft separeras vilket gör att en svalare luftström kommer ut genom avgaserna i hopp om att kylas av som ett kylskåp. 1988 applicerade RT Balmer flytande vatten som arbetsmedium. Det visade sig att när inloppstrycket är högt, till exempel 20-50 bar, existerar värmeenergiseparationsprocessen även i inkompressibelt (vätske) virvelflöde. Observera att denna separation endast beror på uppvärmning; kylning observeras inte längre eftersom kylning kräver komprimerbarhet av arbetsvätskan.

Effektivitet

Se även: Prestandakoefficient

Vortexrör har lägre effektivitet än traditionell luftkonditioneringsutrustning . De används vanligtvis för billig punktkylning, när tryckluft är tillgänglig.

Ansökningar

Aktuella applikationer

Kommersiella virvelrör är designade för industriella applikationer för att ge ett temperaturfall på upp till 71 °C (160 °F). Utan rörliga delar, ingen elektricitet och inget köldmedium kan ett virvelrör producera kylning upp till 1 800 W (6 000 BTU/h) med 100 standard kubikfot per minut (2,832 m 3 /min) av filtrerad tryckluft vid 100 ^psi ( 6,9 bar). En reglerventil i varmluftsutblåset justerar temperaturer, flöden och kyla över ett brett område.

Vortexrör används för kylning av skärverktyg ( svarvar och fräsar , både manuellt manövrerade och CNC -maskiner) under bearbetning. Virvelröret är väl anpassat till denna applikation: maskinverkstäder använder i allmänhet redan tryckluft, och en snabb stråle av kall luft ger både kylning och borttagning av spånen som produceras av verktyget. Detta eliminerar helt eller drastiskt minskar behovet av flytande kylvätska, som är rörigt, dyrt och miljöfarligt.

Se även

• Helikon vortexseparationsprocess
• Maxwells demon
• Windhexe

Vidare läsning

• G. Ranque, (1933) "Experiences sur la détente giratoire avec productions simultanées d'un echappement d'air chaud et d'un echappement d'air froid," Journal de Physique et Le Radium , Supplement, 7:e serien, 4 : 112 S – 114 S.
• HC Van Ness, Understanding Thermodynamics , New York: Dover, 1969, med början på sidan 53. En diskussion om virvelröret i termer av konventionell termodynamik.
• Mark P. Silverman, And Yet it Moves: Strange Systems and Subtle Questions in Physics , Cambridge, 1993, kapitel 6
• Samuel B. Hsueh och Frank R. Swenson,"Vortex Diode Interior Flows," 1970 Missouri Academy of Science Proceedings, Warrensburg, Mo.
• CL Stong, The Amateur Scientist , London: Heinemann Educational Books Ltd, 1962, kapitel IX, avsnitt 4, The "Hilsch" Vortex Tube, p514-519.
• Van Deemter, JJ (1952). "Om teorin om Ranque-Hilschs kyleffekt". Tillämpad vetenskaplig forskning . 3 (3): 174–196. doi : 10.1007/BF03184927 .
• Saidi, MH; Valipour, MS (2003). "Experimentell modellering av Vortex Tube Refrigerator". Journal of Applied Thermal Engineering . 23 (15): 1971–1980. doi : 10.1016/s1359-4311(03)00146-7 .
• Valipour, MS; Niazi, N (2011). "Experimentell modellering av ett krökt Ranque–Hilsch virvelrörkylskåp". International Journal of Refrigeration . 34 (4): 1109–1116. doi : 10.1016/j.ijrefrig.2011.02.013 .
• M. Kurosaka, Acoustic Streaming in Swirling Flow and the Ranque-Hilsch (vortex-tube) Effect, Journal of Fluid Mechanics, 1982, 124:139-172
• M. Kurosaka, JQ Chu, JR Goodman, Ranque-Hilsch Effect Revisited: Temperature Separation Traced to Orderly Spinning Waves eller 'Vortex Whistle', Paper AIAA-82-0952 presenterad vid AIAA/ASME 3rd Joint Thermophysics Conference (juni 1982)
•   Gao, Chengming (2005). Experimentell studie på Ranque-Hilsch Vortex-röret . Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven. ISBN 90-386-2361-5 .
•   R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D'Alessandro, S. Montelpare. Numerisk analys av kompressibelt turbulent spiralflöde i ett Ranque-Hilsch-virvelrör. Computational Methods and Experimental Measurement XIV, s. 353–364, Ed. C. Brebbia, CM Carlomagno, ISBN 978-1-84564-187-0 .
•   A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Fluid Dynamics Analysis of a Ranque-Hilsch Vortex-Tube. Il Nuovo Cimento C, vol. 32, 2009, ISSN 1124-1896 .
•   A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Numerisk simulering av turbulent flöde i ett Ranque-Hilsch-virvelrör. International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 52, nummer 23–24, november 2009, s. 5496–5511, ISSN 0017-9310 .
•   N. Pourmahmoud, A. Hassanzadeh, O. Moutaby. Numerisk analys av effekten av spiralformade munstycken på kylkapaciteten hos Ranque Hilsch Vortex-rör. International Journal of Refrigeration , vol. 35, nummer 5, 2012, s. 1473–1483, ISSN 0140-7007 .
• MG Ranque, 1933, "Experiences sur la detente giratoire avec production simulanees d'un echappement d'air chaud et d'air froid", Journal de Physique et le Radium (på franska), Supplement, 7:e serien, Vol. 4, s. 112 S–114 S.
• R. Hilsch, 1947, "Användningen av expansionen av gaser i ett centrifugalfält som kylningsprocess", Review of Scientific Instruments, Vol. 18, nr 2, s. 108–113.
• J Reynolds, 1962, "A Note on Vortex Tube Flows", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 14, s. 18–20.
• TT Cockerill, 1998, "Thermodynamics and Fluid Mechanics of a Ranque-Hilsch Vortex Tube", Ph.D. Examensarbete, University of Cambridge, Institutionen för teknik.
• W. Fröhlingsdorf och H. Unger, 1999, "Numerical Investigations of the Compressible Flow and the Energy Separation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 42, s. 415–422.
• J. Lewins och A. Bejan, 1999, "Vortex Tube Optimization Theory", Energy, vol. 24, s. 931–943.
• JP Hartnett och ERG Eckert, 1957, "Experimentell studie av hastighets- och temperaturfördelningen i ett flöde av höghastighetsvirveltyp", Transactions of the ASME, vol. 79, nr 4, s. 751–758.
• M. Kurosaka, 1982, "Acoustic Streaming in Swirling Flows", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 124, s. 139–172.
• K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang och D. Seher, 1983, "An Investigation of Energy Separation in a Vortex Tube", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 26, nr 3, s. 341–348.
• BK Ahlborn och JM Gordon, 2000, "The Vortex Tube as a Classical Thermodynamic Refrigeration Cycle", Journal of Applied Physics, Vol. 88, nr 6, s. 3645–3653.
• GW Sheper, 1951, Refrigeration Engineering, vol. 59, nr 10, s. 985–989.
• JM Nash, 1991, "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics", Proc. av den 26:e Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, s. 521–525.
• D. Li, JS Baek, EA Groll och PB Lawless, 2000, "Thermodynamic Analysis of Vortex Tube and Work Output Devices for the Transcritical Carbon Dioxide Cycle", Preliminära förfaranden för den 4:e IIR-Gustav Lorentzen-konferensen om naturliga arbetsvätskor vid Purdue , EA Groll & DM Robinson, redaktörer, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, s. 433–440.
• H. Takahama, 1965, "Studies on Vortex Tubes", Bulletin of JSME, Vol. 8, nr 3, s. 433–440.
• B. Ahlborn och S. Groves, 1997, "Secondary Flow in a Vortex Tube", Fluid Dyn. Research, vol. 21, s. 73–86.
• H. Takahama och H. Yokosawa, 1981, "Energy Separation in Vortex Tubes with a Divergent Chamber", ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 103, s. 196–203.
• M. Sibulkin, 1962, "Unsteady, Viscous, Circular Flow. Del 3: Application to the Ranque-Hilsch Vortex Tube", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 12, s. 269–293.
• K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang och D. Seher, 1984, "A Similarity Relation for Energy Separation in a Vortex Tube", Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 27, nr 6, s. 911–920.
• H. Takahama och H. Kawamura, 1979, "Performance Characteristics of Energy Separation in a Steam-Operated Vortex Tube", International Journal of Engineering Science, Vol. 17, s. 735–744.
• G. Lorentzen, 1994, "Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant", H&V Engineer, Vol. 66. N:o 721, s. 9–14.
• DM Robinson och EA Groll, 1996, "Using Carbon Dioxide in a Transcritical Vapor Compression Refrigeration Cycle", Proceedings of the 1996 International Refrigeration Conference at Purdue, JE Braun och EA Groll, redaktörer, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, pp 329-336.
• WA Little, 1998, "Recent Developments in Joule-Thomson Cooling: Gases, Coolers, and Compressors", Proc. Av 5:e Int. Cryocooler Conference, s. 3–11.
• AP Kleemenko, 1959, "One Flow Cascade Cycle (in system of Natural Gas Liquefaction and Separation)", Proceedings of the 10th International Congress on Refrigeration, Pergamon Press, London, sid. 34.
• J. Marshall, 1977, "Effekt av driftförhållanden, fysisk storlek och vätskeegenskaper på gasseparationsprestanda hos ett Linderstrom-Lang Vortexrör", Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 20, s. 227–231

externa länkar

• GJ Ranques amerikanska patent
• Detaljerad förklaring av virvelrörseffekten med många bilder
• Oberlin college fysik demo
• Artiklar om Vortex Tube
• Att bygga ett virvelrör denna gamla Tony, Youtube
• Vortex'n 2 This Old Tony, Youtube