۱-۱ رانکیو-هیلش ورتکس تیوب
در قرن نوزدهم فیزیکدان بریتانیایی جیمز ماکسول پیشنهاد داد که یک سیستم با دو خروجی مجزای آب سرد و گرم عبوری از یک لوله میتوان ساخت که با باز و بسته کردن یک شیر کوچک کار کند. شیر باید به طور خودکار زمانیکه یک مولکول از آب گرم به آن میرسد، باز و هنگامیکه یک مولکول از آب سرد به آن میرسد، بسته شود.[۲] این وسیله خیالی میتوانست به عنوان منبعی جهت دستیابی به سیالهای سرد و گرم به طور همزمان باشد. این دستگاه که ابتدا با نام لوله جنّی ماکسول نامیده میشد، یک قرن بعد به واقعیت تبدیل شد و امروزه به نام ورتکس تیوب شناخته می شود. شکل ۱-۱ یک طرح شماتیک از این دستگاه را نشان میدهد که هوای متراکم ورودی را به دو جریان هوای سردتر و گرمتر تقسیم می کند. جذابیت این وسیله برای محققین همانطور که اشاره شد، عدم استفاده از هر گونه ابزار متحرک و یا کار ورودی به آن میباشد.
شکل ۱-۱: نحوه عملکرد و اجزای یک ورتکس تیوب [۳]
همانطورکه اشاره شد در اصل ورتکس تیوب به نام دو دانشمند شناخته می شود، اولی یک فرانسوی به نام رانکیو که در سال ۱۹۳۳ ورتکس تیوب را کاملاً به طور تصادفی کشف نمود و دوم یک آلمانی به نام رودولف هیلش که در سال ۱۹۴۶ با انجام کارهای آزمایشگاهی جامع و انتشار مقالهای در این زمینه، دستگاه را با موفقیت ساخت و تست نمود. تحقیقات این دو نفر به صورت جزئیتر در ادامه بحث می شود.
۱-۲ تحقیقات رانکیو
یکی از جامعترین مقالات دارای جزئیات مربوط به آنالیز نحوه کشف ورتکس تیوب، توسط فولتن [۱] اندکی بعد از کشف آن توسط رانکیو منتشر شد که در آن اشاره به این موضوع شده است که رانکیو دمای سکون[۴] را با دمای استاتیک[۵] اشتباه گرفت و برای همین ورتکس تیوب ساخته شده توسط وی درست کار نکرد. شکل ۱-۲ ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو[۴] را نشان میدهد.
شکل ۱–۲: سطح مقطع ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو [۴]
ورتکس تیوبهای مدرن امروزی از لحاظ ساختار و نحوه طراحی شبیه آنچه در شکل ۱-۳ نمایش داده شده است، میباشد که همراه با نقشه انفجاری آن است. این ورتکس تیوب ساخته شرکت Exair میباشد.
شکل ۱-۳: ورتکس تیوب مربوط به شرکت Exair [5]
نخستین مقاله انتشار یافته در زمینه ورتکس تیوب مربوط به رانکیو در سال ۱۹۳۱ میباشد. وی در این مقاله نشان داد که ورودی هوا به صورت مماسی و شامل یک یا چند نازل تزریق[۶] می تواند باشد. او همچنین توضیح داد که چگونه میتوان با تنظیم اندازه قطر خروجی سرد یا تغییر مساحت خروجی گرم، به میزان سرمایش مورد نظر رسید. همچنین نتیجه گرفت که اگر خروجی گرم بسته باشد، دمای روی دیواره لوله[۷] به بیشترین مقدار خود میرسد و نیز اینکه با افزایش فشار، دمای خروجی سرد کاهش مییابد. خلاصه تئوری رانکیو به این صورت است که جریان گاز دارای چرخش در یک ورق ضخیم روی دیواره منبسط می شود و لایه های داخلی این ورق روی لایه های خارجی بوسیله یک نیروی گریز از مرکز فشار میآورند و آنها را فشرده میسازند و بنابراین باعث حرارت دادن به آنها میشوند. در همان زمان لایه های داخلی منبسط میشوند و سرد میگردند و اصطکاک میان لایه ها نیز به کمترین مقدار خود میرسد.[۴]
۱-۳ تحقیقات هیلش
هیلش[۶] یک مقاله در سال ۱۹۴۶ منتشر نمود و در آن به طور مختصر به کار رانکیو در سال ۱۹۳۳ به عنوان منبع اصلی این ایده اشاره نمود و به طراحی مشابهی برای ورتکس تیوب خود دست یافت. او در این مقاله نوشت که هوا از طریق اریفیس در یک میدان سانتریفیوژی از ناحیه فشار بالا در دیواره لوله به یک ناحیه فشار پایین در نزدیکی محور لوله انبساط مییابد. در طول این انبساط هوا بخش قابل توجهی از انرژی جنبشی خود را از طریق افزایش اصطکاک به لایه های محیطی میدهد. بنابراین این لایه ها با افزایش دما روبرو میشوند. اصطکاک داخلی باعث جریان یافتن انرژی از محور لوله به محیط آن می شود و سعی در رسیدن به یک سرعت زاویهای واحد[۸] و یکنواخت در سطح کل لوله مینماید. [۶]
نکته قابل ذکر این است که طبقه بندی ورتکس تیوب بر اساس محل قرارگیری خروجی هوای سرد در دو نوع بنا شده است. اولی ورتکس تیوب با جریان مخالف[۹] که با توجه به شکل ۱-۴، این وسیله شامل یک قسمت ورودی با یک سری نازلهای دارای یک سوراخ مرکزی، یک لوله گرم و یک شیر مخروطی میباشد. گاز فشرده با فشار و سرعت بالا به درون نازل ها وارد می شود. با انبساط هوای داخل لوله، گردابهای سریع تشکیل شده که با تنظیم شیر مخروطی میتوان مقدار هوای سرد را تغییر داد و در نهایت گازهایی که از اطراف سوراخ عبور می کنند سرد و باقی مانده آن، گرم می شود.
شکل۱-۴: شماتیک ورتکس تیوب با جریان مخالف [۷]
ورتکس تیوب نوع دوم، ورتکس تیوب با جریان موازی[۱۰] میباشد و همانند حالت قبلی بوده با این تفاوت که هوای سرد به طور هم مرکز با هوای گرم خارج می شود. عملکرد آن نیز شبیه به حالت جریان مخالف است. طرح کلی این نوع ورتکس تیوب در شکل ۱-۵ نشان داده شده است.
شکل ۱-۵: شماتیک ورتکس تیوب با جریان موازی [۷]
بعد از هیلش، تقریباً همه از طراحی ورتکس تیوب با جریان مخالف استفاده کردهاند تا نوع جریان موازی آن. این امر به این خاطر است که طراحی و ساخت ورتکس تیوب با نوع جریان مخالف سادهتر است و دو جریان سرد و گرم مجزا در دو خروجی روبروی هم بدست میآید. در این پایان نامه نیز بر روی ورتکس تیوب با جریان مخالف کار می شود.
۱-۴ ورتکس تیوب مخروطی یا واگرا [۱۱]
در این نوع از ورتکس تیوبها که در شکل ۱-۶ دیده می شود، تیوب یا لولهی ورتکس تیوب دارای زاویه واگرایی حدوداً ۴ الی ۷ درجه میباشد، این نوع از ورتکس تیوبها در مقایسه با انواع مرسوم از طول کارکرد کمتری برخوردارند و برای کاربردهای خاص استفاده میشوند.
شکل ۱-۶: شماتیک ورتکس تیوب مخروطی [۷]
جهت دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت jemo.ir مراجعه نمایید.
۱-۵ ساختار کلی دستگاه
همانگونه که قبلاً گفته شد ورتکس تیوب دارای هندسهای نسبتا ساده می باشد و به دور از هر گونه پیچیدگی در تعدد اجزاء تشکیل دهنده بوده که این مساله از مهمترین امتیازات در مورد ورتکس تیوب میباشد. به طور کلی یک ورتکس تیوب شامل بدنهای ساخته شده از یک لوله با طول و قطر مشخص و نیز از یک یا چند نازل برای ورود جریان به داخل دستگاه که ابعاد هندسی نازلها و لوله بسته به طراحی متغیر خواهند بود، میباشد. همچنین یک شیر کنترل کننده در انتهای گرم وجود دارد که میزان بازشدگی این شیر نقش تعیین کننده ای در بازدهی دستگاه دارد و در نهایت یک خروجی سرد اجزای اصلی تشکیل دهنده ورتکس تیوب هستند. شکل ۱-۷ ساختار کلی دستگاه به همراه اجزای تشکیل دهنده وکلیه قطعات موجود در یک ورتکس تیوب را نشان می دهد.
اجزای دستگاه عبارتند از :
یک یا چند نازل ورودی Injection Nozzle
بدنه لوله Tube
محفظه چرخش Vortex Chamber
اورینگ یا واشر های حلقوی O-ring
خروجی هوای سرد Cold Exit
خروجی هوای گرم(دریچه قابل تنظیم ) Hot End Valve
شکل ۱-۷: اجزا تشکیل دهنده ورتکس تیوب به همراه پلان مونتاژ [۷]
۱-۶ مزایا و معایب ورتکس تیوب
باید خاطر نشان کرد هر چند ورتکس تیوب برخی معایب مانند پایین بودن راندمان به نسبت سایر وسایل مهندسی را دارد اما این وسیله یک وسیله منحصر بفرد میباشد. از آنجایی که در مراکز صنعتی و کارخانجات، خط هوای فشرده موجود میباشد و از طرفی چون ورتکس تیوبها به عامل محرک دیگری به جز هوای متراکم نیاز ندارند، از این وسیله در مراکز صنعتی به طور گسترده میتوان استفاده نمود. کوچک بودن، سبک و کم حجم بودن، تعمیر و نگهداری آسان، هزینه ساخت پایین، تولید هوای سرد فوری، دوام بالا (زیرا از استیل ضد زنگ ساخته می شود و دارای محیط کاری تمیز میباشد)، امکان تنظیم هوای سرد و گرم، قیمت ارزان، نداشتن قسمت متحرک و … همگی از مزایای ورتکس تیوب به شمار میروند. همچنین هوا در این دستگاه به عنوان یک مبرد بدون آلایندگیهای زیست محیطی محسوب می شود [۸ و۹ ].
۱-۶-۱ مزیتهای عمده ورتکس تیوب
نداشتن قسمتهای متحرک ونیز وسیلهای با قابلیت اطمینان بالا
عدم نیاز به نگهداری که این امر به نوبه خود باعث کاهش هزینهها خواهد شد.
ساختمان فشرده وکم حجم
عدم وجود فن و …
قابل کنترل
عدم آلودگی محیط زیست و عاری از هر گونه ماده خطرناک مثل گاز فرئون و …
عکس مرتبط با محیط زیست
عدم نیاز به انرژی حرارتی، الکتریکی و مکانیکی یا فرایند شیمیایی
هزینه ساخت پایین
تولید هوای سرد و گرم جداگانه
دوام بالا
امکان تنظیم هوای سرد و گرم
قیمت ارزان
و …
۱-۶-۲ برخی معایب ورتکس تیوب
ورتکس تیوب وسیله ای بسیار مفید و کاربردی است طوری که برخی آنرا لوله جادویی نیز نامیدهاند اما با این وجود برخی معایب نیز برای آن متصور است. از جمله:
پایین بودن راندمان تبرید در مقایسه با سایر وسایل مهندسی
نیاز به منبع هوای فشرده
ایجادآلودگی صوتی
در مورد ایجاد آلودگی صوتی باید گفت که امروزه شرکتهای تولید کننده ورتکس تیوب این مشکل را با اتصال خفه کن[۱۲] تا حدود زیادی حل نموده اند.
۱-۷ ورتکس تیوبهای تجاری
اگرچه هنوز دلیل قانع کننده ای برای توجیه پدیده جدایش دما در ورتکس تیوب ارائه نشده است، اما این مانع از رشد کاربرد این وسیله در صنایع مختلف نمی شود. خصوصاً اینکه اندازه کوچک دستگاه و جاگیر نبودن آن بسیار مورد توجه است و برای خنککاریهای موضعی استفاده فراوان از آن می شود. این نکته را باید ذکر کرد که اگرچه ورتکس تیوب، دو جریان سرد و گرم تولید می کند اما عمده کاربردهای صنعتی آن در خنککاری میباشد. شرکتها و کارخانههای زیادی در دنیا در زمینه ساخت ورتکس تیوب فعالیت می کنند، از جمله شرکتهای Exair و ITW Vortec که هر دو در آمریکا هستند و برای بازارهای بریتانیا، ایرلند و سایر کشورهای اروپایی محصولات خود را صادر می کنند.
۱-۸ کاربردهای ورتکس تیوب
۱-۸-۱ خنک کاری موضعی
