소용돌이관

압축 가스를 고온 및 저온으로 분리

랑케힐슈 보텍스 튜브로도 알려진 보텍스 튜브는 압축 가스를 고온과 저온으로 분리하는 기계 장치다. 핫엔드에서 나오는 가스는 200°C(392°F), 콜드엔드에서 나오는 가스는 -50°C(-58°F)에 이를 수 있다.^[1] 그것은 움직이는 부품이 없다.

가압된 가스는 스월 챔버에 접선적으로 주입되어 높은 회전률로 가속된다. 튜브 끝의 원뿔형 노즐 때문에 압축 가스의 외부 셸만 그 끝에서 빠져나올 수 있다. 기체의 나머지 부분은 외부 소용돌이 안에서 지름의 감소된 내적 소용돌이로 되돌아올 수밖에 없다.

운영방법

보텍스 튜브의 온도 분리를 설명하기 위해 크게 두 가지 접근법이 있다.

기본 접근법: 물리학

이 접근방식은 제1원칙의 물리학만을 기초로 하며 소용돌이관에만 국한되지 않고 일반적으로 움직이는 가스에 적용된다. 그것은 움직이는 기체에서의 온도 분리가 단지 움직이는 기준 프레임에서의 엔탈피 보존에 기인한다는 것을 보여준다.

보텍스 튜브의 열 과정은 다음과 같은 방법으로 추정할 수 있다: 1) 기체를 냉각시키고 열 함량을 회전 운동 에너지로 바꾸는 유입 가스의 단열 팽창. 엔탈피와 운동에너지의 합인 총 엔탈피는 보존된다.2) 주변 회전 기체 흐름은 뜨거운 출구를 향해 이동한다. 여기서 열 회수 효과는 빠르게 회전하는 주변 흐름과 반대로 천천히 회전하는 축 흐름 사이에서 발생한다. 여기서 열은 축류에서 주변으로 전달된다.3) 회전의 운동 에너지는 점성 소산을 이용하여 열로 변한다. 가스의 온도가 상승하다. 열회수 과정에서 총 엔탈피가 증가하였으므로 이 온도는 들어오는 가스보다 높다.4) 일부 뜨거운 가스는 뜨거운 배출구를 떠나 여열을 운반한다.5) 나머지 가스는 차가운 배출구를 향한다. 그것이 차가운 배출구로 전달되면서, 그것의 열 에너지는 주변 유동으로 전달된다. 축과 변방의 온도는 도처에서 거의 같으나 축에서 회전이 느리기 때문에 총 엔탈피 역시 낮다.6) 축류에서 나오는 낮은 총 엔탈피 냉각 가스는 냉출구를 떠난다.

보텍스 튜브의 주된 물리적 현상은 차가운 보텍스 코어와 따뜻한 보텍스 주변 사이의 온도 분리다. "피질관 효과"는 오일러의 터빈 방정식이라고도 하는 ^[2]오일러의 작업 방정식으로 충분히 설명되며,^[3] 가장 일반적인 벡터 형태로 다음과 같이 쓸 수 있다.

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

-

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

→

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

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

→

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

r

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

→

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

=

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

{\

여기서 $T$ $T$ 은 $T$ 방사형 ${\vec {r}}$ r ${\vec {r}}$ → ${\$ 에서 회전하는 가스의 총 또는 정지 온도로서 ${\vec {r}}$ 기준의 고정 프레임에서 관측된 절대 가스 ${\vec {v}}$ 는 ${\vec {v}}$ v → ${\vec {v}}$ {\ $displaystyle{\v}$ 로 표시되며 ${\vec {v}}$ 시스템의 각도 속도는 ${\vec {\omega }}$ 이다 ${\vec {\omega }}$ ${\displaystyle{\vec{\omega}}$ 및 ${\vec {\omega }}$ $c_{p}$ $c_{p}$ ${\$ 는 $c_p$ 기체의 등축 열 용량이다. 이^[4] 방정식은 2012년에 출판되었다; 그것은 소용돌이 튜브의 기본 작동 원리를 설명한다. 이 설명에 대한 탐구는 1933년 소용돌이 관이 발견되면서 시작되어 80년 이상 계속되었다.

위의 방정식은 단열 터빈 통로에 유효하다; 그것은 중앙을 향해 이동하는 가스가 차가워지는 동안 통로의 주변 가스는 "더 빨리" 가고 있음을 분명히 보여준다. 따라서 소용돌이 냉각은 각진 추진력 때문이다. 가스가 중심에 도달해 냉각될수록 소용돌이에 더 많은 회전 에너지를 전달해 소용돌이가 더 빨리 회전한다. 이러한 설명은 에너지 절약의 법칙에서 직접 유래한다. 노즐을 통해 속도를 내기 위해 상온에서 압축가스를 확장한 후 에너지가 손실되는 회전 원심장벽을 기어오른다. 잃어버린 에너지는 소용돌이에 전달되어 회전이 빨라진다. 소용돌이관에서는 주변의 흐름을 둘러싸고 있는 원통형 벽이 경계를 이루며 운동체의 내부 에너지로의 변환을 강제하는데, 이 원통형 벽은 핫 출구에서 뜨거운 공기를 생산한다.

따라서 보텍스 튜브는 회전자 없는 터보 익스팬더다.^[5] 로터리스 방사 유입 터빈(콜드 엔드, 중심)과 로터리스 원심 압축기(핫 엔드, 주변 장치)로 구성된다. 터빈의 작업 출력은 압축기에 의해 열로 변환된다.

현상학적 접근법

이 접근방식은 관찰 및 실험 데이터에 의존한다. 특히 볼텍스 튜브의 기하학적 형태와 흐름의 세부사항에 맞게 조정되며 난류, 음향 현상, 압력장, 공기 속도 등 복잡한 볼텍스 튜브 흐름의 특정 관측 가능성과 일치하도록 설계된다. 이전에 출판된 보텍스 튜브의 모델은 현상학적이다. 다음 구성 요소:

방사압력차: 원심압축 및 공기팽창
각운동량의 방사상 전달
에너지의 방사상 음향 스트리밍
방사형 열펌프

이러한 모델에 대한 자세한 내용은 최근 보텍스 튜브에 대한 리뷰 기사에서 확인할 수 있다.^[6]^[7]

현상학적 모델은 오일러의 터빈 방정식을 철저히 분석하지 않은 초기에 개발되었다. 공학 문헌에서 이 방정식은 대부분 터빈의 작업 출력을 보여주기 위해 연구되었다. 반면 터빈 냉각은 발전, 휘와 달리 더 제한적이기 때문에 온도 분석은 수행되지 않았다.ch는 터빈의 주된 응용이다. 과거 소용돌이관에 대한 현상학적 연구는 경험적 자료를 제시하는 데 유용했다. 그러나, 소용돌이 흐름의 복잡성 때문에 이 경험적 접근법은 효과의 측면만을 보여줄 수 있을 뿐 그 작동 원리를 설명할 수는 없었다. 경험적 세부사항에 전념하여, 오랫동안 경험적 연구는 소용돌이 튜브 효과를 수수께끼처럼 보이게 했고 그 설명은 논쟁의 문제였다.

역사

소용돌이 튜브는 1931년 프랑스 물리학자 조르주 J. 란케에 의해 발명되었다.^[8] 1934년 폴 디라크가 동위원소 분리를 수행하는 장치를 검색하던 중 재발견되었다. 헬리오콘 소용돌이 분리 과정을 참조하라.^[9] 독일의 물리학자 루돌프 힐슈[de]는 디자인을 개선하여 1947년 이 기기에서 널리 읽힌 논문을 발표하였는데, 이것을 위르벨로르(문학적으로, 소용돌이 파이프)라고 불렀다.^[10] 1954년 웨슬리는 '볼텍스 튜브의 서지학 및 조사'라는 제목의 종합 조사를 발표했는데, 이 조사에는 100개 이상의 참고문헌이 포함되어 있었다. 1951년 컬리와 맥그리,^[12] 1956년 칼빈스카스,^[13] 1964년 도브라츠,^[14] 1972년 내쉬,^[15] 1979년 헬리아르는 소용돌이 관과 그 용도에 대한 광범위한 검토로 RHVT 문헌에 중요한 공헌을 하였다. 1952년부터 1963년까지 C. Darby Fulton Jr.는 보텍스 튜브의 개발과 관련된 4개의 미국 특허를 획득했다.^[17] 1961년, Fulton은 Fulton Cryogenics라는 회사 이름으로 소용돌이 튜브를 제조하기 시작했다.^[18] Fulton 박사는 그 회사를 Vortec, Inc.에 매각했다.^[18] 소용돌이관은 린더스트롬-랑에 의해 1967년에 가스 혼합물, 산소와 질소, 이산화탄소와 헬륨, 이산화탄소와 공기를 분리하는데 사용되었다.^[19] ^[20] 보텍스 튜브도 어느 정도 액체와 함께 작용하는 것으로 보이는데, 이는 중심부와 벽의 두꺼운 경계층으로부터 자유로운 신체 회전이 일어나는 실험 실험 실험에서 허와 스웬슨에 의해 증명되었다. 공기가 분리되어 배기구가 냉장고처럼 차갑게 식기를 바라며 나오는 차가운 기류가 발생한다.^[21] 1988년 R. T. 발머는 액체 물을 워킹 매체로 적용하였다. 흡입구 압력이 높을 때(예: 20-50bar) 열 에너지 분리 프로세스는 압축할 수 없는(액체) 소용돌이 흐름에서도 존재하는 것으로 조사되었다. 이러한 분리는 가열에만 기인한다는 점에 유의하십시오. 냉각은 작동 유체의 압축성을 요구하므로 더 이상 냉각이 관찰되지 않기 때문이다.

효율성

보텍스 튜브는 기존 에어컨 장비보다 효율이 낮다.^[22] 그것들은 압축 공기를 이용할 수 있을 때, 값싼 스폿 냉각에 일반적으로 사용된다.

적용들

현재 응용 프로그램

상업용 소용돌이 튜브는 산업용으로 설계되어 최대 71 °C(160 °F)의 온도 강하를 발생시킨다. 움직이는 부품도, 전기도, 냉매도 없는 볼텍스 튜브는 100 psi(6.9bar)에서 100 psi(2.832m³/min)의 여과된 압축 공기를 분당 100 표준 입방 피트(2.832m/min)로 사용해 최대 1,800W(6,000BTU/h)의 냉장고를 생산할 수 있다. 고온 공기 배기의 제어 밸브는 광범위한 범위에서 온도, 흐름 및 냉각을 조정한다.^[23]^[24]

보텍스 튜브는 가공 중 절삭 공구(래치 및 밀, 수동 작동 및 CNC 기계)의 냉각에 사용된다. 보텍스 튜브는 이 용도와 잘 어울린다: 기계 공장은 일반적으로 압축 공기를 사용하고 있으며, 차가운 공기의 빠른 분사기는 공구가 생산한 칩의 냉각과 제거 모두를 제공한다. 이를 통해 지저분하고 비싸며 환경적으로 위험한 액체 냉각제의 필요성을 완전히 제거하거나 대폭 줄일 수 있다.

참고 항목

참조

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외부 링크

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[3] Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2012). "Thermodynamics of angular propulsion in fluids". Physical Review Letters. 109 (5): 054504-1–054504-4. Bibcode:2012PhRvL.109e4504P. doi:10.1103/PhysRevLett.109.054504. PMID 23006180.

[4] 【Fun科學】惡魔急凍管(只要把空氣灌進去就瞬間變冷!!), retrieved 2021-09-18

[5] Polihronov, Jeliazko G.; Straatman, Anthony G. (2015). "Vortex tube effect without walls". Canadian Journal of Physics. 93 (8): 850–854. Bibcode:2015CaJPh..93..850P. doi:10.1139/cjp-2014-0227.

[6] Xue, Y.; et al. (2010). "A critical review of temperature separation in a vortex tube". Exper. Therm. Fluid Sci. 34 (8): 1367–1374. doi:10.1016/j.expthermflusci.2010.06.010.

[7] Eiamsa-ard, S.; et al. (2008). "Review of Ranque–Hilsch effects in vortex tubes". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 12 (7): 1822–1842. doi:10.1016/j.rser.2007.03.006.

[8] 조지프 랑크, "다른 온도에서 두 개의 유체 흐름을 받는 유체로부터 얻을 수 있는 방법과 장치" 미국 특허 번호 1,952,281호(패일: 1932년 12월 6일 발행: 1934년 3월 27일).

[9] Farmelo, Graham (2009). The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac. New York: Basic Books. pp. 248–9, 307, 311, 313–4, 321, 431. ISBN 978-0-465-02210-6.

[10] Hilsch, Rudolf (1947). "The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process". Review of Scientific Instruments. 18 (2): 108–113. Bibcode:1947RScI...18..108H. doi:10.1063/1.1740893. PMID 20288553. 독일어 원문에서 번역: 루돌프 힐슈(1946) "Die Expansion von Gasen im Zentripugalfeld als Kaelteproze" (냉각 과정으로서 원심장 내 기체의 팽창), Zeitschrift für Naturforschung, 1 : 208–214. 온라인: Zeitschrift für Naturforschung

[11] Westley R (1954) 도서목록과 소용돌이 관에 대한 조사. 영국 크랜필드 항공대

[12] 컬리 W, 맥그리 R 주니어(1951) 소용돌이 관의 서지학. 냉매 Eng 59(2):191–193

[13] 칼빈스카스 L(1956) 보텍스 튜브(웨슬리의 서지학 증축). Jet Propropulation Laboratory, Institute of Technology Latistics Search, 56, 2부

[14] Dobratz BM (1964) Vortex tube: 서지학. 로렌스 방사선 연구소 UCRL 7829

[15] 나시 JM (1972) 더 랑크-힐슈 보텍스 튜브와 그 튜브의 우주선 환경 제어 시스템에 응용. 데브이론 앱 메치, 제6권

[16] 헬리아 KG (1979) 란케를 이용한 가스 액상화Hilsch vortex tube: 설계 기준 및 참고 문헌 목록. 매사추세츠 공과대학교 화학 엔지니어 학위 보고

[17] "Free Patents Online". Retrieved August 27, 2017.

[:0-18] Stone, Greg (October 1976). "Vortex Tubes Blow Hot and Cold". Popular Science. 209:4: 123–125 – via Google Books.

[19] 청밍 가오, 랑크힐스 보텍스 튜브에 관한 실험적 연구, (2005)페이지 2

[20] 보텍스 튜브는 스테인리스강으로 구성되며, 황동으로 만든 제너레이터와 밸브를 사용하고 바이턴 오링으로 밀봉하여 가장 광범위한 환경에서 사용할 수 있도록 한다.

[21] R.T. 발머. 압력 구동 랑크-힐시 온도 분리(액체 내) 트랜스. ASME, J. 유체 공학, 110:161–164, 1988년 6월.

[22] Polihronov, J.; et al. (2015). "The maximum coefficient of performance (COP) of vortex tubes". Canadian Journal of Physics. 93 (11): 1279–1282. Bibcode:2015CaJPh..93.1279P. doi:10.1139/cjp-2015-0089.

[23] 뉴먼 툴스 주식회사 http://www.newmantools.com/vortex.htm

[24] "Streamtek Corp". 2020년 6월 2일 화요일

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