W artykule przedstawiono sposób obliczania i projektowania parametrów pracy rury Ranque’a–Hilscha. Dokonano przykładowych obliczeń, zaprojektowano i wykonano rurę wirową, którą przebadano na stanowisku eksperymentalnym. Rezultaty obliczeń porównano z wynikami eksperymentu i badaniami innych autorów.

Nietrudno zauważyć, że efekt wirowy, odkryty na początku XX wieku przez francuskiego uczonego G. Ranque’a [2, 12], polegający na wykorzystywaniu do oziębiania wirowej ekspansji strumienia gazu, nie jest do końca doceniany w technice klimatyzacyjnej. „Rurka wirowa” to prosty odcinek rury z dyszą wprowadzoną stycznie do wewnętrznej powierzchni, zwężką w przekroju rury i zaworem regulacyjnym.

Strumień sprężonego powietrza rozpręża się w dyszy 2 i wypływa z niej z prędkością 200÷400 m/s, dopływając stycznie do rury 1 (rys. 1.). W osi rury tworzy się wir o dużej prędkości, zmniejszającej się wraz z odległością od środka. W wyniku zjawisk zachodzących wewnątrz rury, przez jeden koniec rury, zamknięty współosiową kryzą 3, wypływa powietrze zimne, przez drugi natomiast, z zaworem regulacyjnym 4 – wypływa powietrze gorące. Czasem stosuje się chłodzenie rury wodą, która płynie w płaszczu 5.

Rys. 1. Rura Ranque’a (rura wirowa): 1 – rura; 2 – dysza; 3 – kryza; 4 – zawór regulacyjny; 5 – płaszcz chłodnicy

Mechanizm rozdziału przepływającego gazu w rurze wirowej na dwa przeciwprądowe strumienie o różnej temperaturze ma bardzo złożony charakter i cały czas jest wyjaśniany [4, 6, 8]. Najbardziej interesujący jest rozkład prędkości strugi w przekroju poziomym rury. Jak ustalono eksperymentalnie prędkość „osiowa warstw gazu przy ściance rury jest zwrócona w kierunku gorącego końca rury. W odległości około 0,35D od osi, prędkość osiowa strugi jest bliska zeru. Stopniowo przy zmniejszaniu się promienia, prędkość systematycznie wzrasta, ale jej wektor przepływu jest skierowany wprost w stronę zimnego końca. W osi rury prędkość gazu znowu maleje. Prędkość kątowa centralnej, zimnej części strugi, zaczynając od osi aż do granicznego promienia, jest praktycznie stała – tę część strugi nazywa się wirem wymuszonym. W zewnętrznej strudze wirującego strumienia prędkość kątowa maleje ze wzrostem promienia. Tę część nazywa się wirem swobodnym – R. Hilsch [1, 4].

Największą popularność zdobyła hipoteza Hilscha-Fultona, zgodnie z którą mechanizm efektu Ranque’a polega na ciągłym przekształcaniu wiru swobodnego, powstającego w komorze wirowej – w wir wymuszony w przekrojach poprzecznych wzdłuż długości rury skutkiem lepkości gazu [2]. Trudności w opisie i wyjaśnieniu tego dosyć złożonego procesu, powstawanie wielu sprzecznych teorii hipotetycznych, brak wiarygodnych modeli matematycznych i obliczeniowych umożliwiających projektowanie – zdawałoby się niezwykle prostych tzw. „rurek wirowych”, zniechęciło na wiele lat badaczy do prac nad tym problemem. Laboratoria badawcze ukierunkowały swoje prace w stronę doświadczenia i eksperymentu z wyraźnym celem aplikacyjnym i inżynierskim [3, 8, 10]. Tu pojawiły się liczne trudności z uzyskaniem odpowiednich parametrów procesu – znalezienia prostych zależności wiążących wartości ciśnień i prędkości wypływającego powietrza, czystości powietrza, szczelności instalacji z efektem temperaturowym, po stronie zimnej i gorącej [7, 9].

Ocena pracy rury Ranque‘a

(...)

Projektowanie

(...)

Współczynnik efektywności ziębniczej rury wirowej

(...)

Wyniki badań

(...)

Wnioski 

Przedstawiony model obliczeniowy umożliwia zaprojektowanie i ocenę teoretyczną pracy rury wirowej. Pozwala też na określenie zakresu zmian parametrów eksploatacyjnych. Problemem nie do końca wyjaśnionym w literaturze jest konstrukcyjne rozwiązanie dyszy wlotowej zawirowującej strugę oraz odległość kryzy na zimnym końcu od dyszy wlotowej. Pełną weryfi kację słuszności przyjętego postępowania konstrukcyjnego uzyskać można tylko poprzez badania eksperymentalne.

Kolejnym problemem wymagającym szczegółowej analizy eksperymentalnej jest regulacja rozdziału strumienia powietrza wlotowego i ustalenie wartości współczynnika μ. Jak wynika z przeprowadzonych eksperymentów współczynnik μ przyjmuje inne optymalne wartości dla T_{z max} (μ = 0,3÷0,4) i inne dla Q_{0 max} (μ = 0,6÷0,7).

Niezależnie od tego, że rzeczywiste wartości współczynnika efektywności energetycznej COP uzyskiwane w trakcie badań eksperymentalnych (tabela 1.) są niższe od wartości określonych teoretycznie, to opierając się na kryterium optymalizacji instalacji chłodniczej, można stwierdzić, że w pewnych dziedzinach rura wirowa może być znacznie ekonomiczniejsza niż inne typy urządzeń chłodniczych [5, 10, 11]. Suma kosztów inwestycyjnych i ruchowych może być najmniejsza. Dotyczy to tych dziedzin, w których czas pracy urządzenia w ciągu roku jest krótki, wydajności ziębienia są nieduże [5], a sprężony gaz łatwo dostępny np. w instalacjach z systemami pneumatycznymi [11]. Rurka wirowa może być atrakcyjnym rozwiązaniem, gdy istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na powietrze o niskiej i wysokiej temperaturze. Niewątpliwymi zaletami i korzyściami ze stosowania rurek wirowych są: prosta budowa, niewielkie rozmiary i ciężar, bezpieczeństwo pracy i brak zagrożeń dla otoczenia (osób i sprzętu), wysoka odporność na uszkodzenia i znikome niebezpieczeństwo wystąpienia awarii w trudnych warunkach działania oraz brak czynników chemicznych i substancji oddziaływujących mniej lub bardziej szkodliwie na środowisko naturalne.

Sławomir GAJOSIŃSKI
KGHM CUPRUM sp. z o.o.
CBR Wrocław

dr inż. Bogusław BIAŁKO
Katedra Termodynamiki, Maszyn
i Urządzeń Ciepłych,
Wydział Mechaniczno-Energetyczny,
Politechnika Wrocławska

prof. Zbigniew KRÓLICKI
Katedra Termodynamiki, Maszyn
i Urządzeń Ciepłych,
Wydział Mechaniczno-Energetyczny,
Politechnika Wrocławska

LITERATURA:

[1] BRODJANSKIJ V.: Zavisimost eff ekta Ranque’a–Hilscha ot temperatury. Teploenergetika. 1964. nr 6.

[2] FULTON C. D.: Ranque’s tube. ASHRAE Journal. 1950. nr5.

[3] GAO C. M., BOSSCHART, K. J.: Experimental study on a simple Ranque-Hilsch vortex tube. Cryogenics 45. 2005. p. 173-183.

[4] KOWALEWICZ A.: Uproszczona teoria efektu Ranque’a. IV sympozjum Termodynamiki Technicznej. Wrocław. 1966.

[5] KRÓLICKI Z., BIAŁKO. B., ZAJĄCZKOWSKI B., (Politechnika Wrocławska), GAJOSIŃSKI S. (Cuprum): Analiza możliwości wykonania i eksploatacji mobilnego systemu mikroklimatyzacji osobistej dla pracowników zatrudnionych w trudnych warunkach środowiskowych. KGHM Cuprum. Wrocław. 2012 r.

[6] LEWINS J., BENJAN A.: Vortex tube optimizatuin theory. Energy 24. 1999. p. 931-943.

[7] MARTYNOWSKI W. S.: Effi ekt Ranque’a pri nizkich dawlenijach. Tiepłoenergietika. 1961. nr 2.

[8] MOREIRA J. R.: An air-standard cycle and a thermodynamic perspective on operational limits of Ranque–Hilsh or vortex tubes. International Journal of Refrigeration. No. 33. (2010) 765-773.

[9] NIMBALKAR S. U., MULLER M. R.: An experimental investigation of the optimum geometry for the coled end orifi ce of a vortex tube. Appl. Therm. Eng. 29. 2009. p. 509-514.

10] SAIDI M. H., VALIPOUR M. S.: Experimental modelling of vortex tube refrigerator. Appl. Therm. Eng. 23. 2003. p. 1971-1980.

[11] TOBIASZ M.: System klimatyzacji kabiny pojazdu rolniczego bazującej na efekcie Ranque’a-Hilscha. Praca dyplomowa Inżynierska. Politechnika Wrocławska. ITCiMP. 2011.

[12] WEBSTER D. S.: An analysis of the Hilsch vortex tube. Refrigerating Engineering. 1950. nr 2.