Wie kann ich ein Vortex Tube und seine Effizienz verstehen?

Ich habe einige Tests mit dem Wirbelrohr durchgeführt, um seine Effizienz im Vergleich zu einem Kühlsystem zu ermitteln. Ziel war es festzustellen, ob wir Druckluft oder CO2 verwenden können, um das Kühlsystem zu ersetzen. Das Wirbelrohr funktioniert nur mit unter Druck stehender Flüssigkeit. Wenn ein plötzlicher Druckabfall die Temperatur senkt und der spiralförmige Separator im Inneren des Wirbelrohrs, der die Flüssigkeit um ihn herum zirkuliert, wodurch heiße Flüssigkeit und Kälte getrennt und in 2 verschiedene Richtungen geleitet werden. Unter Verwendung von kalter Luft, die getrennt wurde. Ich könnte Wasser bis zu 0,5 Grad in C-Skala kühlen, aber es erfordert eine hohe Durchflussrate und einen hohen Druck, um weiter nach unten zu fallen.

Video zum Lufttemperaturdelta in einem Wirbelrohr – Testvideo

Video über Kühlwasser mit kalter Luft aus dem Auslass des Wirbelrohrs. Testvideo

Warum funktioniert es? Man muss die statische Gastemperatur, die Gesamtgastemperatur und den Antrieb verstehen, wenn man sich ein richtiges physikalisches Bild des Effekts machen will. Dies ist ein Artikel von mir und Co-Autoren, der das Grundgesetz der Rotationskühlung (auch bekannt als Eulers Turbinengleichung) erklärt, er geht von Mathematik und Physik auf zweitem Niveau aus:

Polihronov, J. et al, A. Thermodynamics of angle propulsion in fluids , Phys Rev Lett 109 054504 2012

Siehe auch diese Website, ich stelle eine leicht verständliche Erklärung des Wirbelrohreffekts zusammen
https://sites.google.com/site/vortextubeeffect

Ausführlicher -

Betrachten wir das Konzept der „Diskretisierung“ der Wirbelströmung: Vereinfachen wir die Wirbelströmung, indem wir ein einfaches Strömungssystem einführen, das immer noch die Physik der Temperaturtrennung aufweist. Das einfache Strömungssystem umfasst einen rotierenden adiabatischen Kanal und einen Tank mit komprimiertem Gas, der am Einlass des Kanals angebracht ist. Der Ausgang des Kanals ist bei$r=0$, während der Einlass bei ist$r=R$, Der Punkt$0$ist das Rotationszentrum.

Versetzen Sie das System in eine gleichmäßige Rotation. Die lineare Geschwindigkeit am Einlass sei$c= \omega R$. Dann ist im stationären Bezugssystem die Gesamttemperatur des Gases am Einlass (an der Peripherie).$T=T_0 + c^2/2c_p$, wo$T_0$ist die statische Temperatur des Gases im Tank. Aus der Rothalpy-Erhaltung erhalten wir die Gesamttemperatur am Auslass (in der Mitte) zu sein$T=T_0 -c^2/2c_p$,$c_p$ist die isobare Wärmekapazität des Gases. Somit ist die gesamte Temperaturtrennung$\Delta T=c^2/c_p$. Was passiert mit der statischen Temperatur$T_s$? Am Einlass (an der Peripherie),$T_s=T_0$; am Ausgang ist es$T_0-c^2/2c_p$. Damit ist die statische Temperaturtrennung gegeben$\Delta T_s=c^2/2c_p$.

Temperaturtrennung wird auch in einem sich geradlinig bewegenden System beobachtet. Stellen Sie sich ein elementares System vor, das einen adiabatischen Kanal und einen Tank mit komprimiertem Gas umfasst, der am vorderen Ende des Kanals angebracht ist. Stellen Sie das System auf eine gleichmäßige lineare Geschwindigkeit ein$c$. Lassen Sie Gas das System mit Geschwindigkeit verlassen$0$im stationären Bezugssystem tritt das Gas am hinteren Ende des Kanals aus.

Die Temperaturtrennungen$\Delta T$und$\Delta T_s$sind genau die gleichen wie im Rotationsfall; nur jetzt muss die Enthalpieerhaltung angewendet werden, um nach den Temperaturen aufzulösen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wirbelrohrphänomen ein Beispiel für die Arbeit der Eulerschen Turbinengleichung ist.

Wenn es um den Wirbelrohreffekt geht, ist diese Analyse ein sehr guter Ausgangspunkt.

Ich hoffe, das hat geholfen!

-J. Polihronow

Der Eingangsstrom hat nicht nur eine thermische Energie, sondern auch eine mechanische. Mechanische Energie kann für Arbeit verwendet werden, und die Gastemperatur wird durch Arbeit leicht verändert - bei adiabatischen Prozessen steigt sie, wenn Gas gedrückt wird, und fällt, wenn Gas sich ausdehnen kann. Dies gibt eine allgemeine Vorstellung davon, warum diese Röhre funktionieren und gleichzeitig kein Maxwell-Dämon sein könnte. Ein detailliertes Bild kann jedoch sehr komplex sein und ein fortgeschrittenes Verständnis der Gasdynamik erfordern.

Wenn wir die gesamten thermischen und mechanischen Energien beider Ausgangsströme berechnen, würden wir feststellen, dass etwas mechanische Energie verloren geht und die Gesamtentropie gestiegen ist. Das Mischen dieser Ströme wieder in einem würde uns ein langsameres und etwas heißeres Gas geben als es ursprünglich war. Dies ist der gleiche Effekt wie das einfache Verlangsamen des Stroms an einigen Hindernissen.

Die Gastemperaturen steigen mit der Kompression und fallen mit der Dekompression. Die äußeren Schichten des Wirbels verdichten das Gas (Wärme) aufgrund der Zentrifugalkraft. Das Zentrum des Wirbels hat einen vergleichsweise niedrigen Druck. (Kühl).

Hier ist ein Artikel, in dem die Autoren zwei Kühlsysteme mit offenem Kreislauf vergleichen: den Bell-Coleman-Kreislauf und das Wirbelrohr, und die Leistungskoeffizienten für beide berechnen. Zusammen mit der Arbeit von Nemu Rozario denke ich, dass dies die Fragen des OP beantworten könnte.

https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi9svfCg7HYAhUIslQKHRTWBfsQjhwIBQ&url=https%3A%2F%2Fwww.slideshare.net%2Faparnamalyala%2Fair-refrigeration- system-by-bell-coleman-cycle-and-wirbeltube&psig=AOvVaw1LDm7iitvP7LGIoXbr07e5&ust=1514698972087380

siehe dies in SlideShare online:

Luftkühlsystem von Bell Coleman Cycle and Vortex tube 1. Von: Projektleiter: E.Nikhil Kumar(12000T0338) Anil Kumar M.Aparna (12000T0304) P.Jagan (12000T0314) k.Sirisha (12000T0353) M.Ram Kumar(12000T0321 ) 2. Ziel  Das Ziel unseres Projekts ist es, den Kühleffekt sowohl mit dem Bell-Coleman-Zyklus als auch mit dem Vortex-Rohr zu erzeugen.  In diesem Projekt konzentrierten wir uns hauptsächlich auf die kalten Endtemperaturen des Wirbelrohrs, durch das der Kühleffekt erzeugt wird. Wir haben vier verschiedene Wirbelrohre mit unterschiedlichen Abmessungen, Düsenanzahl, Öffnung und Venturi hergestellt und ihre COPs und Kühlraten verglichen.  Unser Projekt gibt den Rahmen vor, herkömmliche Kältesysteme durch Luftkältesysteme zu ersetzen.

Dieses Forschungspapier über " Der maximale COP von Vortex-Rohren " bietet eine sehr klare und gründliche Erklärung.

Die Einleitung erläutert das Wirbelrohr als Winkelantriebsmaschine und leitet im weiteren Verlauf daraus den maximalen theoretischen Wirkungsgrad ab.

Abschnitt 4 auf Seite 4 listet den theoretischen maximalen Wirkungsgrad für ein Wirbelrohr mit Luft von 42 % auf. Anschließend wird Referenz Nr. 3 für empirische Effizienzventile aufgeführt, die Reibung und andere Ineffizienzen berücksichtigen (MO Hamdan, A. Alawar, E. Elnajjar und W. Siddique. „Feasibility of Vortex Tube Air-Conditioning System“, Proc. ASME, AJTEC2011, ( 2011).)

Der veröffentlichte empirische Wirkungsgrad für ein Wirbelrohr liegt zwischen 3 % und 5 %.