تاریخچه لوله گردابی

سرمایش به روش لوله گردابی از قرار معلوم کاملا به صورت اتفاقی در سال 1928 کشف گردید. جورج رانکو فرانسوی در حال تحقیق بر روی پمپ های گردابی بود که به طور اتقاقی متوجه شد، زمانی که هوای گرم از یک طرف لوله خارج می شود در طرف دیگر لوله شاهد خروج هوای سرد خواهیم بود. بعد از این کشف رانکو سعی خود را بر تحقیقات بیشتر گذاشت و سعی بر تولید دستگاه براساس این پدیده گذاشت ولی متاسفانه در این امرچندان موفق نشد. در سال    1945رودلف هیلسچ  آلمانی با ارائه مقاله ای توجه صنایع برای بکارگیری از این پدیده در صنعت را به خود جلب کرد.

می دانیم که جهانی که ما در آن زندگی می کنیم از ماده وانرژی و ساختار آنها نیز از مولکول و اتم تشکیل شده است . انرژی باعث می شود مولکول ها و اتم های همه مواد در حال حرکت و برخورد با یکدیگر باشند. حرکت این مولکول ها و اتم ها به صورت ارتعاشی یا به صورت جلو وعقب می باشند. این حرکت رو به جلو و عقب رفتن مولکول ها باعث ایجاد شکلی از انرژی به نام حرارت در تمام مواد می شود. از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت در صورت خواهان ایجاد برودت باید نسبت به کاهش لرزش و حرکت مولکول ها اقدام کرد. در این روش می بایست با روشی خاص با ایجاد برخورد میان مولکولها ، انرژی یک مولکول لرزشی را افزایش و دیگری را کاهش داد. لوله های گردابی در حقیقت باعث افزایش برخورد شدید بین مولکول می شود، در هنگام برخورد بین مولکولها به هم در حقیقت انرژی یک مولکول که دارای لرزش است افزایش و انرژی ملکول دیگری کاهش می یابد.

نتیجه گیری :

مولکول‌ هایی که لرزششان افزایش می یابد دارای دمای بیشتری هستند و بالعکس مولکول هایی که لرزششان کاهش یابد دمای کمتری خواهند داشت .

ورتکس تیوپ ها، وسیله مکانیکی با ساختاری نسبتا ساده می باشند، در این سامانه وقتی هوای متراکم از طریق نازلهای به صورت مماس وارد می شود باعث ایجاد برخوردهای شدید بین مولکولها می شود . با جهت دادن هوا به سمت شیر کنترل، این امر باعث افزایش درصدی از دمای هوای ورودی و کاهش دمای هوای باقی مانده می گردد. همانطور که در تصویر ملاحظه می کنید هوای گرم از قسمت شیر کنترل کننده خارج می شود، اما در ادامه همانطور که ملاحظه می کنید هوای سرد شده از میان توده هوای گرم برگشته واز انتهای لوله خارج می شود. در زمان حرکت هوا از ژنراتور به سمت شیر کنترل کننده درصدی از هوا ورودی که انرژی خود را از دست داده به دلیل کاهش لرزش ، سرعت چرخشی آن نیز کاهش می یابد، این امر باعث حرکت این هوا از میانه لوله به طرف خروجی لوله در سمت دیگر می شود .

در این فرایند ساده، بسته به نیاز، می توان از هر یک از این جریان ها به صورت جدا و یا هم زمان هر دو آنها مورد استفاده قرار گیرند. هوای سرد و گرم ایجاد شده توسط این دستگاه به علت جمع و جور، سادگی، سبکی، عدم وجود هیچ گونه بخش متحرک و کم صدای بودن کاربرد فراوانی در صنعت دارد . قابل ذکر است این دستگاه خنک کننده در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی ، صنایع فولاد، نیروگاه ها، صنایع غذایی، خنک کردن تابلو های برق ، ایستگاه های تقلیل فشار گاز طبیعی و خودروسازی کاربرد فراوان دارد. قابل ذکر است خوشبختانه یکی از شرکت های خوب در ایران بعد از سالها تحقیق و مطالعه اولین نمونه تولیدی خود به بازار ایران ارائه داده است .

هوای متراکم با فشار 6 بار و دمای C °1/21 را می توان در این سامانه مورد استفاده قرار داد. همان طور که در تصویر ملاحظه می کنید با این فشردگی و دما می توان به دو دمای °C 110 و منفی °C 40 دست یافت .

به طور کلی، لوله گردابی با نام های متفاوتی دارند که می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

1- لوله گردابی Ranque (کاشف اول)

2- لوله گردابی Hilsch یا  Ranque- Hilsch  ( کسی که بعد از Ranque  عملکرد این سامانه را بهبود داد.

3- لوله گردابی Maxwell- Demon

لوله های گردابی(Vertex Tube) بطور تجاری برای فن آوری های دما پائین نظیر خنک کردن دستگاه، تنظیم کردن دمای لحیم کاری، رطوبت زدائی ازگازها، خنک کاری تجهیزات و ابزارماشین های CNC، تراش و فرز(جایگزین آب صابون ) سرما دهی به اتاق های محیطی ، خنک نگه داشتن غذا و خنک کاری حس گرهای دما بیشترین کاربرد این دستگاه در صنعت می باشند.

کاربردهای عملی دیگر راه اندازی سریع تولید نیروی بخار، میعان گاز طبیعی، تقلیل فشار گاز طبیعی بدون نیاز به گرمکن گازی، خود گرمکن گاز پایلوت رگلاتورهای کاهنده فشار گاز طبیعی در ایستگاه تقلیل فشار، خنک کردن تجهیزات در آزمایشگاه های درگیر با مواد شیمیایی قابل انفجار، کنترل دمای مخازن غواصان، اتاق های پرفشار، جداسازی ذرات در صنعت گاز زائد، راکتورهای هسته ای و خنک کردن مامورین آتش نشانی و غیره می باشد.

عملکرد سامانه بر اساس نظریه دوم

همانطور که در تصویر ملاحظه می کنید، با عبور هوای فشرده و در هنگام خروج ازمسیر نازل، دما خود را از دست می دهد. این هوا از طریق لوله ای که در مسیر مماس به جداره داخلی که چندین برابر قطردارد برخورد و حالتی گردبادی با سرعت زیاد ایجاد می کند. این سرعت و چرخش زیاد موجب لایه شدن هوا می شود. هوای گرم که لایه بیرونی را تشکیل می دهد با سرعت زیاد می چرخد، قسمتی از این جریان توسط یک شیر همانطور که ملاحظه می کنید که دارای انتهای مخلوطی شکل می باشد در تنگنا و کتنرل قرار می گیرد وسپس از بین فاصله موجود بین محدود کننده مخلوطی شکل شیر  و بدنه داخلی لوله خارج می شود. با مسدود شدن جزئی جریان توسط محدود کننده مخلوطی شکل شیر، فشار درنزدیکی نوک محدود کننده مخلوطی شکل شیر افزایش می یابد، این افزایش فشار باعث معکوس شدن جریان لایه میانی و سرد به طرف سمت چپ یعنی قسمت کم فشار لوله می گردد. در این مرحله از فرایند انتقال حرارت بین جریان رو به جلو و رو به عقب اتفاق می افتد و همین امر باعث می شود که جریان رو به جلو گرم و جریان رو به عقب سردباشد. این هوای سرد از طریق سوراخ و دریچه ای که در بالای لوله قرار دارد خارج می شود . از طریق کنترل فاصله بین محدود کننده مخلوطی شکل شیر و بدنه لوله می توان میزان و مقدار دمای هوای سرد را کنترل کرد.

قابل ذکر است که دوستان برودتی بدانند اگرچه سامانه فوق بسیارساده می باشد ، اما بررسی و تشریح علت دقیق ایجاد این پدیده سرد و گرم در دو سر این دستگاه و یا همان پدیده جداسازی انرژی آن از پیچیدگی خاصی برخوردار می باشد. در این رابطه غیر از مطالبی که در ابتدای مقاله به آن اشاره داشتم می توان به شش نظریه دیگر نیز اشاره داشت .

نظریه اول

هنگامی که یک جریان رو به جلو و جریانی دیگر در مخالف آن یعنی رو به عقب حرکت کنند، هر دو در یک سرعت زاویه ای یکسان و یک جهت می چرخند. یعنی مدت زمان چرخش یک ذره در یک جریان داخلی مساوی چرخش یک ذره درجریان خارجی آن می باشد. به هرحال به علت اصل قانون پایستگی حرکت زاویه ای (Angular Momentum) (تمایل یک شیء دوار به حفظ چرخش در همان سرعت حول همان محور دوران) انتظار می رود که سرعت چرخش گرداب های کوچک افزایش یابد ( مثال: اصول حفظ چرخش توسط اسکیت بازان که افزایش و یا کاهش سرعت چرخشی خود را بوسیله باز و بسته کردن دست ها انجام می دهند) اما در مورد لوله گردابی سرعت گرداب های درونی ثابت باقی خواهند ماند، اما حرکت زاویه ای گرداب ها کاهش می یابند.

نظریه دوم

حرارت بطور متوسط حاصل سرعت ذرات و برخورد آنها با یکدیگر می باشند. منظور از متوسط ، این است که هوا از ذرات با سرعت کم و زیاد (سرد و گرم) تشکیل شده است. لوله گردابی در حقیقت جدا کننده گرما از محیط چرخشی گرداب و و هدایت آن به طرف سمت گرم و همزمان هدایت هوا سرد بطرف سمت خروجی سرد از طریق مرکز لوله می باشد.

نظریه سوم

گردابهای متلاطم ، دائما منبسط و منقبض می شوند و همین امر باعث انتقال حرارت بین آنها می شود.

نظریه چهارم

فشرده سازی بی درو(آدیاباتیک) و انبساط باعث جدا سازی حرارت از هم می شود.

نظریه پنجم

نظریه جریانهای صوتی عنوان می دارد، که بین فرکانس رزونانس صوتی و فرکانس های حرکت گردابی و اجباری یک رابطه وجود دارد. جداسازی انرژی در لوله ورتکس به دلیل برخورد جریانها صوتی در طول محور لوله به سمت خروجی گرم می باشد.

نظریه ششم

حالت گردش ثانویه عنوان می دارد، قسمتی از جداسازی حرارت به علت جریان نزدیک سیال در لوله ورتکس و افزایش جرم جریان در مقطع لوله گردابی است

 نکته: همه این نظریه‌های ترمودینامیکی بر فشرده سازی و انبساط ، جریان آشفته، اصطکاک ویسکوز، انتقال حرارت داخلی، آکوستیک و الگوی جریان تاکید دارند.