girdap tüpü - Vortex tube

Sıkıştırılmış gazın sıcak akım ve soğuk akım olarak ayrılması

Vorteks tüpü olarak da bilinen, Ranque-Hilsch girdap tüp , a, mekanik cihaz sıkıştırılmış ayıran bir gaz , sıcak ve soğuk akış halinde. Sıcak uçtan çıkan gaz 200 °C (392 °F) sıcaklığa ulaşabilir ve soğuk uçtan çıkan gaz -50 °C'ye (-58 °F) ulaşabilir. Hareketli parçası yoktur .

Basınçlı gaz bir girdap odasına teğet olarak enjekte edilir ve yüksek bir dönüş hızına hızlandırılır . Ötürü, konik meme borusunun sonunda, sıkıştırılmış gazın, yalnızca dış kabuk bir uçta kaçmasına izin verilir. Gazın geri kalanı, dış girdap içinde çapı küçültülmüş bir iç girdapta geri dönmeye zorlanır.

çalışma yöntemi

Bir girdap tüpündeki sıcaklık ayrımını açıklamak için iki ana yaklaşım vardır:

Temel yaklaşım: fizik

Bu yaklaşım yalnızca birinci prensip fiziğine dayanır ve yalnızca girdap tüpleriyle sınırlı değildir, genel olarak hareketli gaz için geçerlidir. Hareketli bir gazdaki sıcaklık ayrımının yalnızca hareketli bir referans çerçevesindeki entalpi korunumundan kaynaklandığını gösterir.

Girdap tüpündeki termal süreç şu şekilde tahmin edilebilir: 1) Gelen gazın, gazı soğutan ve ısı içeriğini dönmenin kinetik enerjisine dönüştüren adyabatik genişlemesi. Entalpi ve kinetik enerjinin toplamı olan toplam entalpi korunur. 2) Çevresel dönen gaz akışı, sıcak çıkışa doğru hareket eder. Burada ısı geri kazanımı etkisi, hızlı dönen çevresel akış ile karşıt yavaş dönen eksenel akış arasında gerçekleşir. Burada eksenel akıştan çevresel akışa ısı transferi gerçekleşir. 3) Dönmenin kinetik enerjisi, viskoz yayılım yoluyla ısıya dönüşür. Gazın sıcaklığı yükselir. Isı geri kazanım işlemi sırasında toplam entalpi arttığı için bu sıcaklık gelen gazdan daha yüksektir. 4) Sıcak gazın bir kısmı sıcak çıkışı terk ederek fazla ısıyı uzaklaştırır. 5) Gazın geri kalanı soğuk çıkışa doğru döner. Soğuk çıkışa geçerken, ısı enerjisi çevresel akışa aktarılır. Eksen ve çevredeki sıcaklık her yerde hemen hemen aynı olmasına rağmen, eksende dönme daha yavaş olduğundan toplam entalpi de daha düşüktür. 6) Eksenel akıştan düşük toplam entalpi ile soğutulan gaz, soğuk çıkışı terk eder.

Girdap tüpünün ana fiziksel olgusu, soğuk girdap çekirdeği ile sıcak girdap çevresi arasındaki sıcaklık ayrımıdır. "Vorteks tüp etkisi", Euler'in türbin denklemi olarak da bilinen ve en genel vektörel biçiminde şu şekilde yazılabilen Euler'in iş denklemi ile tam olarak açıklanmaktadır:

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

,

radyal konumda dönen gazın toplam veya durgunluk sıcaklığı nerede , sabit referans çerçevesinden gözlemlenen mutlak gaz hızı ile gösterilir ; sistemin açısal hızıdır ve gazın izobarik ısı kapasitesidir. Bu denklem 2012 yılında yayınlanmıştır; girdap tüplerinin temel çalışma prensibini açıklar (İşte bunun nasıl çalıştığını gösteren animasyonlu bir video). Bu açıklama arayışı, girdap tüpünün keşfedildiği 1933 yılında başladı ve 80 yıldan fazla bir süre devam etti. ${\görüntüleme stili T}$ ${\vec {r}}$ ${\vec {v}}$ ${\ Displaystyle {\vec {\omega }}}$ $c_{p}$

Yukarıdaki denklem adyabatik bir türbin geçişi için geçerlidir; merkeze doğru hareket eden gaz soğurken, pasajdaki çevresel gazın "hızlandığını" açıkça göstermektedir. Bu nedenle, girdap soğutması açısal tahrikten kaynaklanmaktadır. Gaz merkeze ulaşarak ne kadar soğursa girdaba o kadar fazla dönme enerjisi verir ve böylece girdap daha da hızlı döner. Bu açıklama doğrudan enerji korunumu yasasından kaynaklanmaktadır. Oda sıcaklığında sıkıştırılmış gaz, bir memeden hız kazanmak için genleştirilir; daha sonra, enerjinin de kaybolduğu, dönmenin santrifüj bariyerini tırmanır. Kayıp enerji, dönüşünü hızlandıran girdaba iletilir. Bir girdap tüpünde, silindirik çevreleyen duvar, akışı çevrede sınırlar ve böylece kinetik enerjinin sıcak çıkışta sıcak hava üreten iç enerjiye dönüşümünü zorlar.

Bu nedenle, girdap tüpü rotorsuz bir turbo genişleticidir . Rotorsuz radyal giriş türbini (soğuk uç, merkez) ve rotorsuz santrifüj kompresörden (sıcak uç, çevre) oluşur. Türbinin iş çıkışı, sıcak uçtaki kompresör tarafından ısıya dönüştürülür.

fenomenolojik yaklaşım

Bu yaklaşım, gözlem ve deneysel verilere dayanır. Girdap tüpünün geometrik şekline ve akışının ayrıntılarına özel olarak uyarlanmıştır ve karmaşık girdap tüpü akışının belirli gözlemlenebilirlerine, yani türbülans, akustik olaylar, basınç alanları, hava hızları ve diğerleri ile eşleşecek şekilde tasarlanmıştır. Girdap tüpünün daha önce yayınlanmış modelleri fenomenolojiktir. Onlar:

Radyal basınç farkı: merkezkaç sıkıştırma ve hava genleşmesi
Açısal momentumun radyal aktarımı
Radyal akustik enerji akışı
Radyal ısı pompalama

Bu modeller hakkında daha fazla bilgi, girdap tüpleri hakkındaki son inceleme makalelerinde bulunabilir.

Fenomenolojik modeller, Euler'in türbin denkleminin tam olarak analiz edilmediği daha erken bir zamanda geliştirildi; mühendislik literatüründe, bu denklem çoğunlukla bir türbinin iş çıktısını göstermek için incelenir; türbinlerin ana uygulaması olan güç üretiminden farklı olarak türbin soğutmanın daha sınırlı bir uygulaması olduğundan sıcaklık analizi yapılmaz. Girdap tüpünün geçmişteki fenomenolojik çalışmaları, ampirik verilerin sunulmasında faydalı olmuştur. Bununla birlikte, girdap akışının karmaşıklığından dolayı bu ampirik yaklaşım, etkinin sadece yönlerini gösterebildi, ancak çalışma prensibini açıklayamadı. Ampirik ayrıntılara adanmış, uzun süredir deneysel çalışmalar girdap tüpü etkisinin esrarengiz görünmesini ve açıklamasını - bir tartışma konusu haline getirdi.

Tarih

Girdap tüpü 1931'de Fransız fizikçi Georges J. Ranque tarafından icat edildi . 1934 yılında Paul Dirac tarafından izotop ayrımı gerçekleştirmek için bir cihaz ararken yeniden keşfedildi , bkz. Helikon girdap ayırma işlemi . Alman fizikçi Rudolf Hilsch [ de ] tasarımı geliştirdi ve 1947'de Wirbelrohr (kelimenin tam anlamıyla, girdap borusu) adını verdiği cihaz hakkında geniş çapta okunan bir makale yayınladı . 1954'te Westley, 100'den fazla referans içeren “Bir bibliyografya ve girdap tüpünün anketi” başlıklı kapsamlı bir araştırma yayınladı. 1951'de Curley ve McGree, 1956'da Kalvinskas, 1964'te Dobratz, 1972'de Nash ve 1979'da Hellyar, girdap tüpü ve uygulamaları üzerine kapsamlı incelemeleriyle RHVT literatürüne önemli katkılarda bulundular. 1952'den 1963'e kadar, C. Darby Fulton, Jr. girdap tüpünün geliştirilmesine ilişkin dört ABD patenti aldı. 1961'de Fulton, Fulton Cryogenics şirket adı altında girdap tüpünü üretmeye başladı. Dr. Fulton şirketi Vortec, Inc.'e sattı. Girdap tüpü, 1967 yılında Linderstrom-Lang tarafından gaz karışımlarını, oksijen ve nitrojeni, karbondioksit ve helyumu, karbondioksiti ve havayı ayırmak için kullanıldı. Hsueh ve Swenson tarafından yapılan bir laboratuvar deneyinde gösterildiği gibi, vorteks tüpleri de bir dereceye kadar sıvılarla çalışıyor gibi görünmektedir. Hava, bir buzdolabı gibi soğumayı umarak egzozdan çıkan daha soğuk bir hava akımına neden olarak ayrılır. 1988'de RT Balmer, çalışma ortamı olarak sıvı su uyguladı. Giriş basıncı yüksek olduğunda, örneğin 20-50 bar olduğunda, sıkıştırılamaz (sıvılar) girdap akışında da ısı enerjisi ayırma işleminin var olduğu bulunmuştur. Bu ayrılmanın yalnızca ısıtmadan kaynaklandığını unutmayın; soğutma çalışma sıvısının sıkıştırılabilirliğini gerektirdiğinden artık soğutma gözlemlenmez.

Yeterlik

Vorteks tüpleri, geleneksel klima ekipmanlarından daha düşük verimliliğe sahiptir . Basınçlı hava mevcut olduğunda, genellikle ucuz nokta soğutma için kullanılırlar.

Uygulamalar

Mevcut uygulamalar

Ticari girdap tüpleri, endüstriyel uygulamalar için 71 °C'ye (160 °F) kadar sıcaklık düşüşü sağlamak üzere tasarlanmıştır. Hareketli parça, elektrik ve bir soğutucu ile bir vorteks tüp dakikada 100 standart fit küp (2.832 m ile 1.800 W (6000 Btu / h) için soğutma üretebilir ³ (100 psi / dakika), süzüldü basınçlı havanın 6.9 bar). Sıcak hava egzozundaki bir kontrol valfi, geniş bir aralıkta sıcaklıkları, akışları ve soğutmayı ayarlar.

Vorteks borular, işleme sırasında kesici takımların ( tornalar ve frezeler , hem manuel olarak çalıştırılan hem de CNC makineleri) soğutulması için kullanılır . Vorteks tüpü bu uygulamaya çok uygundur: makine atölyeleri genellikle zaten basınçlı hava kullanır ve hızlı bir soğuk hava jeti hem soğutmayı hem de alet tarafından üretilen talaşların çıkarılmasını sağlar. Bu, dağınık, pahalı ve çevreye zararlı olan sıvı soğutma sıvısı ihtiyacını tamamen ortadan kaldırır veya büyük ölçüde azaltır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

G. Ranque, (1933) "Expériences sur la détente giratoire avec Productions simultanees d'un echappement d'air chaud et d'un echappement d'air froid," Journal de Physique et Le Radium , Ek, 7. seri, 4 : 112 S – 114 S.
HC Van Ness, Termodinamiği Anlamak , New York: Dover, 1969, sayfa 53'ten başlıyor. Girdap tüpünün geleneksel termodinamik açısından bir tartışması.
Mark P. Silverman, Ve Yine de Hareket Ediyor: Fizikte Garip Sistemler ve İnce Sorular , Cambridge, 1993, Bölüm 6
Samuel B. Hsueh ve Frank R. Swenson, "Vortex Diode Interior Flows", 1970 Missouri Academy of Science Proceedings, Warrensburg, Mo.
CL Stong, Amatör Bilim Adamı , Londra: Heinemann Eğitim Kitapları Ltd, 1962, Bölüm IX, Bölüm 4, "Hilsch" Vorteks Tüpü, s514-519.
Van Deemter, JJ (1952). "Ranque-Hilsch Soğutma Etkisi Teorisi Üzerine". Uygulamalı Bilim Araştırması . 3 (3): 174–196. doi : 10.1007/BF03184927 .
Saidi, MH; Valipour, MS (2003). "Vorteks Tüplü Buzdolabının Deneysel Modellenmesi". Uygulamalı Isı Mühendisliği Dergisi . 23 (15): 1971–1980. doi : 10.1016/s1359-4311(03)00146-7 .
Valipour, MS; Niazi, N (2011). "Bir kavisli Ranque-Hilsch girdap tüplü buzdolabının deneysel modellemesi". Uluslararası Soğutma Dergisi . 34 (4): 1109-1116. doi : 10.1016/j.ijrefrig.2011.02.013 .
M. Kurosaka, Dönen Akışta Akustik Akış ve Ranque-Hilsch (vorteks-tüp) Etkisi, Journal of Fluid Mechanics, 1982, 124:139-172
M. Kurosaka, JQ Chu, JR Goodman, Ranque-Hilsch Etkisi Yeniden Ziyaret Edildi: Düzenli Dönen Dalgalara veya 'Vorteks Düdüğü'ne Göre Sıcaklık Ayrımı İzlendi, AIAA/ASME 3. Ortak Termofizik Konferansı'nda sunulan Bildiri AIAA-82-0952 (Haziran 1982)
Gao, Chengming (2005). Ranque-Hilsch Vortex Tüpü Üzerinde Deneysel Çalışma . Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven. ISBN'si 90-386-2361-5.
R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D'Alessandro, S. Montelpare. Ranque-Hilsch girdap tüpünde sıkıştırılabilir türbülanslı sarmal akışın sayısal analizi. Hesaplamalı Yöntemler ve Deneysel Ölçüm XIV, s. 353-364, Ed. C. Brebbia, CM Carlomagno, ISBN 978-1-84564-187-0 .
A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Bir Ranque-Hilsch Vorteks Tüpünün Akışkanlar Dinamiği Analizi. Il Nuovo Cimento C, cilt 32, 2009, ISSN 1124-1896 .
A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Ranque-Hilsch girdap tüpünde türbülanslı akışın sayısal simülasyonu. Uluslararası Isı ve Kütle Transferi Dergisi , Cilt. 52, Sayılar 23–24, Kasım 2009, s. 5496–5511, ISSN 0017-9310 .
N. Pourmahmoud, A. Hassanzadeh, O. Moutaby. Ranque Hilsch Vorteks Tüpünün Soğutma Kapasitesi Üzerinde Helisel Nozul Boşluğu Etkisinin Sayısal Analizi. Uluslararası Soğutma Dergisi , Cilt. 35, Sayı 5, 2012, s. 1473–1483 , ISSN 0140-7007 .
[1] 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 (Fransızca), Ek, 7. seri, Cilt. 4, s. 112 S–114 S.
[2] R. Hilsch, 1947, "Santrifüj Alanında Gazların Genleşmesinin Soğutma Süreci Olarak Kullanımı", Review of Scientific Instruments, Cilt. 18, No. 2, s. 108–113.
[3].J Reynolds, 1962, "Vortex Tube Flows Üzerine Bir Not", Journal of Fluid Mechanics, Cilt. 14, s. 18–20.
[4]. TT Cockerill, 1998, "Bir Ranque-Hilsch Vortex Tüpünün Termodinamiği ve Akışkanlar Mekaniği", Ph.D. Tez, Cambridge Üniversitesi, Mühendislik Bölümü.
[5] W. Fröhlingsdorf ve H. Unger, 1999, "Sıkıştırılabilir Akışın Sayısal Araştırmaları ve Ranque-Hilsch Vorteks Tüpünde Enerji Ayrımı", Int. J. Isı Kütle Transferi, Vol. 42, s. 415-422.
[6] J. Lewins ve A. Bejan, 1999, "Vortex Tube Optimization Theory", Energy, Cilt. 24, s. 931–943.
[7] JP Hartnett ve ERG Eckert, 1957, "Yüksek hızlı girdap tipi akışta Hız ve Sıcaklık Dağılımının Deneysel Çalışması", Transactions of the ASME, Cilt. 79, No. 4, s. 751–758.
[8] M. Kurosaka, 1982, "Dönen Akışlarda Akustik Akış", Journal of Fluid Mechanics, Cilt. 124, s. 139-172.
[9] K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang ve D. Seher, 1983, "An Investigation of Energy Separation in a Vortex Tube", International Journal of Heat and Mass Transfer, Cilt. 26, No. 3, s. 341–348.
[10] BK Ahlborn ve JM Gordon, 2000, "The Vortex Tube as a Classical Thermodynamic Refrigeration Cycle", Journal of Applied Physics, Cilt. 88, No. 6, s. 3645–3653.
[11] GW Sheper, 1951, Soğutma Mühendisliği, Cilt. 59, No. 10, s. 985-989.
[12] JM Nash, 1991, "Yüksek Sıcaklık Kriyojenikleri için Girdap Genişletme Cihazları", Proc. 26. Intersociety Enerji Dönüşüm Mühendisliği Konferansı, Cilt. 4, s. 521–525.
[13] D. Li, JS Baek, EA Groll ve PB Lawless, 2000, "Thermodynamic Analysis of Vortex Tube and Work Output Devices for the Transcritical Carbon Dioxide Cycle", 4. IIR-Gustav Lorentzen Doğal Çalışma Konferansı Ön Bildiriler Kitabı Fluids at Purdue, EA Groll & DM Robinson, editörler, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue Üniversitesi, s. 433–440.
[14] H. Takahama, 1965, "Vorteks Tüpleri Üzerine Çalışmalar", JSME Bülteni, Cilt. 8, No. 3, s. 433–440.
[15] B. Ahlborn ve S. Groves, 1997, "Bir Vorteks Tüpünde İkincil Akış", Fluid Dyn. Araştırma, Cilt. 21, s. 73-86.
[16] H. Takahama ve H. Yokosawa, 1981, "Vortex Tubes with a Divergent Chamber", ASME Journal of Heat Transfer, Cilt. 103, s. 196-203.
[17] M. Sibulkin, 1962, "Kararsız, Viskoz, Dairesel Akış. Bölüm 3: Ranque-Hilsch Vortex Tüpüne Uygulama", Journal of Fluid Mechanics, Cilt. 12, s. 269-293.
[18] K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang ve D. Seher, 1984, "Bir Vorteks Tüpünde Enerji Ayrımı için Benzerlik İlişkisi", Int. J. Isı Kütle Transferi, Vol. 27, No. 6, s. 911-920.
[19] H. Takahama ve H. Kawamura, 1979, "Buharla Çalışan Vorteks Tüpünde Enerji Ayrılmasının Performans Karakteristikleri", International Journal of Engineering Science, Cilt. 17, s. 735-744.
[20] G. Lorentzen, 1994, "Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant", H&V Engineer, Cilt. 66. No. 721, s. 9–14.
[21] DM Robinson ve EA Groll, 1996, "Using Carbon Dioxide in a Transcritical Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Döngüsü", Proceedings of the 1996 International Refrigeration Conference at Purdue, JE Braun ve EA Groll, editörler, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue Üniversite, s. 329-336.
[22] WA Little, 1998, "Joule-Thomson Soğutmasında Son Gelişmeler: Gazlar, Soğutucular ve Kompresörler", Proc. 5. Int. Cryocooler Konferansı, s. 3–11.
[23] AP Kleemenko, 1959, "One Flow Cascade Cycle (Doğal Gaz Sıvılaştırma ve Ayırma şemalarında)", 10. Uluslararası Soğutma Kongresi Bildirileri, Pergamon Press, Londra, s. 34.
[24] J. Marshall, 1977, "Bir Linderstrom-Lang Vorteks Tüpünün Gaz Ayırma Performansı Üzerinde Çalışma Koşulları, Fiziksel Boyut ve Akışkan Karakteristiklerinin Etkisi", Int. J. Isı Kütle Transferi, Vol. 20, s. 227–231

Languages

In other projects