物理

冷却龙卷风:涡流管

沿着管子产生的龙卷风将热空气与冷空气分开。这种效果仍然有些神秘。

让·米歇尔·科蒂(Jean-Michel Courty)和ÉdouardKierlik 对于科学N°396
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使用喷灯的工人仅使用压缩空气的冷却背心?它存在。这是Ranque-Hilsch管(也称为涡流管)的一种应用。这是一种小型冰箱,没有活动部件或热交换器,可在室温下与压缩空气一起工作。该设备可产生冷空气流和热空气流,两者的温差可达到200°C!涡流管具有工业应用;但是,其功能仍然知之甚少,甚至似乎违反了基本的物理定律。

一个简单的设备

自1932年申请专利的法国冶金学家和物理学家乔治·兰克(Georges Ranque)偶然地发明了涡流管以来,已有近80年的历史。该设备令人难以置信,以至于当时科学家和工程师都不相信它。如果第二次世界大战后德国工程师鲁道夫·希尔施(Rudolf Hilsch)没有详细研究它并改善其性能,那将被遗忘。

该冰箱为简单管的形式,其直径比其直径长30至50倍。在其一端之一,在几个大气压下,压缩空气以垂直于圆柱体轴线并与其圆周相切的速度注入(见图1)。这会产生真正的内部龙卷风,其旋转速度达到每分钟一百万转。当空气在管中膨胀时,压力迅速下降到接近大气压的值,并且空气加速到接近声音的速度。然后,离心力的作用将流动集中在管壁附近。

分开的温度

到达管的末端,流体的外部部分通过锥形阀逸出,该锥形阀的压差可调节以调节流出量(通常为初始流量的30%到70%)。至于流体的内部,它从圆锥体弹起并在管子轴线附近沿相反方向流动。空气通过一个小的开口逃逸

在注射区的轴向,在管的轴线上。在稳定状态下,我们看到从阀的一侧出来的“外围”空气比从另一侧出来的“轴向”的空气更热(在另一种涡流管中,冷空气通过阀门上的中心孔与热空气在同一侧排出)。

涡流管的性能非常出色:热空气和冷空气之间的温度差约为150°C。实际上,冷空气的流量可以达到–40°C,而在另一种运行模式下,热空气的流量可以达到约190°C!

乍一看,物理学家只能被看起来违反热力学原理之一的行为所吓倒。因为如果我们熟悉与冷物体接触的热物体的温度标准化,我们从未见过在均匀初始温度的物体中自发出现温度差!

实际上,这里的过程没有自发的。热气流和冷气流在接近大气压的压力下从涡流管逸出,而注入的空气则处于几种大气压(大约在2至8之间)的压力下。换句话说,该装置仅在事先压缩空气的情况下起作用,从而提供了工作。

然后,涡流管的真正含义就出现了:冰箱(或热泵),由于外部的输入,该冰箱从冷空气中吸收能量,将其转换为热空气。能源。从这个角度来看,涡流管效率很差:其制冷功率(无论如何高达三千瓦)几乎无法达到所提供功率的五分之一,而普通热力机械却可以交换三分之二。比提供的能量多一倍。

但是,节能并不是全部,涡流管已在行业中证明了其兴趣:简单,紧凑,轻便,静音,不使用制冷剂(和污染物)。没有活动部件,因此减少了维护;没有电,因此火花的风险较小。由于在工业环境中容易获得压缩空气,因此Ranque-Hilsch管非常方便用于冷却电子设备,工作机床或承受极端温度的工人组合(见图1和2)。 )。

尚未完全了解的机制

涡流管中如何产生温差?由于空气膨胀而造成的冷却不足以说明这种效果:–使加压空气从管道中逸出无法达到–40°C。此外,实验显示了相同类型的效果

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