مرجع تخصصی آب و فاضلاب

لوله گردابی (Vortex Tube):

لوله گردابی (Vortex Tube) یک دستگاه ساده و بدون قطعه متحرک است که با استفاده از هوای فشرده، جریان هوا را به دو بخش سرد و گرم تقسیم میکند. این پدیده بر اساس اثر رانک-هیلش (Ranque-Hilsch Effect) کار میکند و در صنایع مختلف برای خنککاری موضعی یا گرمادهی استفاده میشود.

۱. مکانیزم کار لوله گردابی

• ورود هوای فشرده: هوای فشرده (معمولاً ۵ تا ۱۰ بار) از طریق نازل مماسی به داخل لوله تزریق میشود.

• تشکیل گردابه: هوای فشرده با سرعت بالا (~۱ میلیون دور در دقیقه) درون لوله میچرخد و یک جریان گردابی قوی ایجاد میکند.

• جداسازی دما:

  • لایه بیرونی: مولکولهای هوا در اثر اصطکاک و فشار بالا، انرژی جنبشی خود را به گرما تبدیل میکنند (تا +۱۲۷°C).

  • لایه درونی: مولکولهای مرکزی انرژی جنبشی خود را از دست داده و سرد میشوند (تا -۵۰°C).

• خروج جریانها: جریان گرم از انتهای یک طرف و جریان سرد از انتهای دیگر خارج میشود.

۲. طراحی لوله گردابی

الف) اجزای اصلی

• نازل ورودی: طراحی مماسی برای ایجاد جریان گردابی.

• محفظه گردابی: لوله استوانهای با قطر ۵ تا ۳۰ میلیمتر و طول ۱۰ تا ۳۰ سانتیمتر.

• شیر تنظیم (Valve Cone): کنترل نسبت جریان سرد به گرم (Cold Fraction).

• دیفیوزر خروجی: جداکننده جریان سرد و گرم.

ب) پارامترهای طراحی

• نسبت طول به قطر (L/D): معمولاً بین ۳۰ تا ۵۰ برای حداکثر کارایی.

• نازل ورودی: قطر نازل بر اساس دبی هوای فشرده (معمولاً ۱ تا ۵ میلیمتر).

• جنس لوله: فولاد ضدزنگ یا آلومینیوم برای تحمل فشار و دما.

۳. محاسبات کلیدی

الف) نسبت جریان سرد (Cold Fraction)

Fraction (CF)=(m˙cold​/m˙total​​)×100

• محدوده کاربردی: ۲۰٪ تا ۸۰٪.

• نکته: با کاهش CF، دمای جریان سرد کمتر و دمای جریان گرم بیشتر میشود.

ب) افت دما در جریان سرد

ΔTcold​=Tinlet​−Tcold​

• معمولاً تا ۵۰°C کاهش دما (بسته به فشار ورودی و طراحی).

ج) بازده سرمایشی

Pcooling​=(​(Q˙​cold)/(Pcompressed air)​​

• بازده معمول: ۱۰–۲۵٪ (پایینتر از سیستمهای تبرید معمولی).

۴. موارد مصرف لوله گردابی

• خنک کاری صنعتی:

  • ابزارهای برش در ماشینهای CNC.

  • خنک کاری قالب های تزریق پلاستیک.

• سیستم های کنترل دما:

  • خنک کردن سنسورهای الکترونیکی در محیطهای داغ.

  • خشک کردن سریع سطوح با جریان گرم.

• کاربردهای پزشکی:

  • بیحسی موضعی با هوای سرد در جراحیهای کوچک.

• صنایع غذایی:

  • انجماد سریع محصولات در خط تولید.

۵. مزایا و معایب

الف) مزایا

• سادگی ساخت: بدون قطعات متحرک یا نیاز به برق.

• قابلیت اطمینان بالا: عمر طولانی و نگهداری آسان.

• تنظیم سریع دما: با تغییر Cold Fraction.

ب) معایب

• بازده انرژی پایین: مصرف بالای هوای فشرده.

• نویز بالا: سرعت چرخش هوا باعث ایجاد صدای زیاد (~۱۰۰ دسیبل).

۶. مثال طراحی

• ورودی: هوای فشرده ۸ بار با دبی ۱۰۰ لیتر بر دقیقه.

• خروجی ها:

  • جریان سرد: ۳۰٪ دبی (۳۰ لیتر/دقیقه) با دمای -۲۰°C.

  • جریان گرم: ۷۰٪ دبی (۷۰ لیتر/دقیقه) با دمای +۸۰°C.

۷. جمع بندی

لوله گردابی به دلیل سادگی و عدم نیاز به انرژی الکتریکی، در کاربردهای صنعتی که دسترسی به هوای فشرده آسان است، گزینه مناسبی است. هرچند بازده انرژی پایینی دارد، اما در خنک کاری موضعی و شرایط اضطراری بسیار کاربردی است. طراحی آن مبتنی بر بهینه سازی نسبت طول به قطر و تنظیم دقیق Cold Fraction است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب