Wirbelrohr

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Das Wirbelrohr, auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, ist eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.

Das Funktionsprinzip

Das Wirbelrohr wurde 1933 von dem französischen Physiker Georges J. Ranque erfunden. Der deutsche Physiker Rudolf Hilsch verbesserte die Konstruktion und publizierte eine stark beachtete Veröffentlichung.

Aufbau und Betrieb[Bearbeiten]

Unter Druck stehendes Gas (meist Luft) wird tangential in eine Wirbelkammer eingeblasen, in eine schnelle Rotation versetzt (über 1.000.000/min) und verlässt die Kammer durch unterschiedlich gestaltete axiale Luftauslässe:

  • durch die enge Bohrung (im Bild links) tritt gekühlte Luft aus
  • durch die gegenüberliegende Bohrung mit erheblich größerem Durchmesser tritt heiße Luft aus.

Der Temperaturunterschied liegt – abhängig vom Aufbau und Gasdruck – bei über 40 Kelvin. Dabei entsteht ein charakteristischer Pfeifton von etwa 3 kHz mit enormer Lautstärke (etwa 120 dB).

Funktion[Bearbeiten]

In der Kammer treten sehr hohe Fliehkräfte auf, die allein die beobachtete Trennung in einen äußeren warmen und einen inneren kalten Strom nicht bewerkstelligen können. Gesichert ist, dass der sehr laute Pfeifton mittels noch nicht vollständig verstandener Prozesse notwendig ist, denn sobald dieser durch angekoppelte absorbierende Resonatoren gedämpft wird, verringert sich die Temperaturdifferenz auf nur wenige Grad.[1]

Wirbelrohre haben einen im Vergleich zu herkömmlichen Kühlverfahren sehr niedrigen Wirkungsgrad, werden jedoch für preiswerte Punktkühlung verwendet, wenn Druckluft verfügbar ist und der Lärm tolerierbar ist. Kommerzielle Modelle für industrielle Anwendungen können ein Temperaturgefälle von etwa 45 Kelvin erzeugen.

Wird es zur Kühlung an einer Bohr- oder Drehmaschine zur Metallzerspanung verwendet, entfällt die sonst nötige Reinigung von anhaftendem flüssigem Kühlmittel.

Mit inkompressiblen Medien wie Flüssigkeiten funktioniert das Wirbelrohr nur stark eingeschränkt.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • G. Ranque: Expériences sur la Détente Giratoire avec Prodctions Simultanées d'un Echappement d'air Chaud et d'un Echappement d'air Froid. In: J. de Physique et Radium 4(7)(1933) 112S.
  • Rudolf Hilsch: The Use of the Expansion of Gases in A Centrifugal Field as Cooling Process. In: The Review of Scientific Instruments, vol. 18(2), 108-1113, (1947). translation of an article in Zeit. Naturwis. 1 (1946) 208.
  • Rudolf Hilsch: Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß. In: Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 1 (1946), S. 208-213
  • H. C. Van Ness: Understanding Thermodynamics, New York: Dover, 1969, starting on page 53. A discussion of the vortex tube in terms of conventional thermodynamics.
  • C. L. Stong: The Amateur Scientist, London: Heinemann Educational Books Ltd, 1962, Chapter IX, Section 4, The "Hilsch" Vortex Tube, p514-519.
  • J. J. Van Deemte: On the Theory of the Ranque-Hilsch Cooling Effect. In: Applied Science Research 3, 174-196.
  • M. H. Saidi und M. S. Valipour: Experimental Modeling of Vortex Tube Refrigerator. In: Journal of Applied Thermal Engineering Band 23, 2003, S. 1971–1980.
  • R. T. Balmer: Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids. In: Trans. ASME, J. Fluids Engineering 110:161–164, Juni 1988.
  1. Mark P. Silverman: And Yet it Moves: Strange Systems and Subtle Questions in Physics, Cambridge, 1993, Chapter 6

Weblinks[Bearbeiten]